中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽及试验测试方法

摘要

本发明为一种中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽及试验测试方法，循环水槽主要由三大部分组成，第一部分是工作部分，其包括工作段、收缩段、及整流段；第二部分是回流部分，其包括扩张段、拐角段、直管段、动力系统及水箱；第三部分是试验部分，主要包括试件、传感器、LDV测速仪、PIV相机以及激光仪等。动力系统与工作部分之间用扩张段、直管段、拐角段、水箱等连接，且整流段中安装有整流格和阻尼网，拐角段中安装有导流片。在试验过程中，用多轴力传感器测量试件绕流升阻力、用LDV测量流速、用PIV拍摄流场。本发明结构占地面积小，能模拟高雷诺数工况，可广泛应用于管柱绕流模拟、涡激振动等水力学领域的实验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽及试验测试方法，具体地说是涉及一种中高雷诺数下管柱绕流性能测试的循环水槽实验平台，属于实验设备领域。

背景技术

循环水槽作为一种水循环试验装置，其自身性能的好坏体现在横截面流速分布的均匀性、水面的倾斜度与波浪的状况、工作流体的湍流度的大小以及气泡含量与透明度这四个方面，除此外，通过优化设计收缩段的形状、以及合理选择布置导流片的方式，可以提高流速的均匀性、改善流体的稳定性。

国内外循环水槽实验装置的发展十分的迅速，由过去的大型变为现在的小型化；同时，循环水槽实验装置的精密化程度也在不断提高。目前，循环水槽的建造技术发展已经十分成熟，可完成的实验种类也逐渐增多，并且由于现代化先进测试技术的引入，实验数据的精准性也得到了进一步的提升，但由于目前循环水槽主要用于开展船模阻力试验、推进器敞水试验、操纵性试验等有关试验研究，缺乏用于中高雷诺数下管柱绕流性能测试的循环水槽实验平台。故本发明装置的目的在于，利用循环水槽制造连续稳定流场的特点，来近似模拟中高雷诺数工况，发明一种用于中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽实验装置。

发明内容

针对当前循环水槽的结构特点以及能应用的场合和实现的功能，本发明提供了一种用于中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽及试验测试方法。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽，主要包括三个部分：工作部分、回流部分以及试验部分。水箱与工作部分之间用扩张段、直管段、拐角段以及整流段连接。在动力系统的作用下，水流从水箱出水口流出，依次流经回流部分、工作部分、回流部分，最后回到水箱进水口，实现水流循环。

工作原理：本发明中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽及试验测试方法，试验将隔水管简化为刚性圆柱模型，在水槽工作段中模拟出一种高流速、高雷诺数的实验环境，然后使用多轴力传感器测量圆柱试件绕流阻力和升力，用LDV测速以及使用PIV观察流场。

所述封闭盖上方的圆柱孔加工有内螺纹；封闭盖下方设计有方形孔；封闭盖与工作段之间采用螺栓连接。能便于封闭盖与试件连接杆连接；能将传感器置于静止的清水中，减少测量误差；便于满足试验要求，使封闭盖可拆卸。

所述试件与试件连接杆之间采用螺纹连接的形式；所述传感器外有一层隔水保护壳，传感器通过传感器连接杆的中心孔与外界计算机连接；所述传感器连接杆可以调节高度，与试件连接杆之间采用轴承连接。能方便试验时试件与传感器的安装与拆卸，以及延长传感器的使用寿命。

所述工作段选材为钢化玻璃，是为了让工作段透明，便于实验的观察以及加工制造容易；工作段采用可拆卸的半封闭结构，能实现工作段在封闭与不封闭的状态切换。

所述收缩段采用中心对称的收缩方式是为了提高工作段的流场品质；同时收缩段轴线长度为450～500mm，收缩比为7～10、收缩曲线选用维氏曲线，是为了考虑到水槽整体的体积与加工的经济性，提高水流速度的均匀度。

所述整流段长度比例与工作段的长度比例设计为1:1，是为了保证工作段有较好的流场均匀性；整流段中布置整流格，是为了将水流中存在的大漩涡切割成小漩涡，减小水流中的旋转与横向流动，将来流速度方向导直，进而使得整流段中来流流线方向与工作段中心轴线方向一致；布置阻尼网是为了消除水流中的气泡。

所述拐角段采用半圆形弯管的形式，是为了提高流场的稳定性；拐角段等距布置导流片是为了减少水流在经过拐角段时因圆周运动而产生的阻力损失。

所述第一扩张段与第二扩张段采用不同的扩张形式，是为了促进水槽内流体的回流,以及提高回流效率。

上述实验方法，包括以下步骤：

在实验开始之前，需要合理的安装其试件。安装方式设计考虑以下三个因素，首先是该发明水槽主要是用于隔水管的绕流减阻性能研究，针对的是表面布置有不同织构的隔水管试件，所以在设计安装方式的设计中需要考虑易拆卸因素以便于试件的更换；其次是水槽在完全工作时为全封闭状态，需要考虑与试件连接的传感器的连接方式，在保证测量数据可靠的前提下，减少误差；最后是扩展本设计水槽的适用范围，需要考虑在进行其他水动力学试验时，不同尺寸规格模型的安装。

实验开始，打开流量泵，水流从水箱出水口流出，经过一段时间后，水流在导流片、整流格，以及阻尼网等附件的作用下，高速稳定地流过工作段。在当前雷诺相似模拟工况下，首先使用多轴力传感器测量布置有不同织构的圆柱试件绕流阻力和升力，再通过接收传感器输出信号的计算机进行数据处理，最终得出减阻效果最好的织构参数；同时使用安装好的LDV测速仪，调节支撑杆高度测量工作段不同截面的流速；使用PIV激光仪和布置在试件正下方的PIV照相机对流场特征进行捕捉，实现对流场的拍摄；最后通过对不同组测量的流速与流场数据进行对比分析，实现对圆柱绕流减阻效果的评价。

本发明的有益效果：

(1)中高雷诺数下绕流模拟的小型循环水槽占地面积小，能模拟高流速、高雷诺数工况。

(2)该水槽能为中高雷诺数环境下的圆柱绕流模拟试验提供有效的室内实验测试评价平台，对管柱减阻抑振性能的提升与结构的优化以及对于柱体结构涡激振动特性研究具有重要的意义。

(3)该水槽能实现绕流升阻力的测量，LDV测速、PIV测流场。

(4)水槽封闭盖下方设计方形孔，将传感器置于静止的清水中，减少测量误差；工作段采用可拆卸的半封闭结构，方便多组试验下试件的安装与拆卸。

附图说明

图1为水槽整体结构示意图

图2为试验部分连接安装示意图

图3为工作段静水区结构示意图

图4为试件连接机构示意图

图5为整流段整流格示意图

图6为拐角段导流片布置示意图

图7为网孔均匀布置的阻尼网示意图

其中，1-水箱、2-泵、3-第一扩张段、4-第一拐角段、5-第一直流段、6-第二拐角段、7-整流段、8-收缩段、9-工作段支撑架、10-工作段、11-LDV测速仪、12-PIV、13-试件连接杆、14-传感器连接杆、15-第二扩张段、16-第三拐角段、17-第二直流段、18-第四拐角段。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和实例对本发明作进一步阐述。

循环水槽整体结构由三大部分组成，第一部分是工作部分，其包括工作段、收缩段、及整流段；第二部分是回流部分，其包括扩张段、拐角段、直管段、动力系统及水箱；第三部分是试验部分，主要包括试件、试件连接杆、传感器、传感器连接杆、LDV测速仪、PIV相机和激光仪以及封闭盖等，封闭盖与试件连接杆之间采用螺纹连接，试件连接杆与试件之间采用螺纹连接，传感器连接杆与试件连接杆之间采用轴承连接，传感器通过传感器连接杆的中心孔与外界计算机连接；LDV测速仪布置在试件的上游，PIV相机布置在试件正下方，激光仪布置在试件正前方。

参考图1-图7，试验水槽包含水箱1、泵2、第一扩张段3、第一拐角段4、第一直流段5、第二拐角段6、整流段7、收缩段8、工作段支撑架9、工作段10、LDV测速仪11、PIV12、试件连接杆13、传感器连接杆14、第二扩张段15、第三拐角段16、第二直流段17、第四拐角段18。

本发明循环实验水槽在动力系统的作用下，水流从水箱出水口流出，依次流经回流部分、工作部分、回流部分，最后流回水箱进水口，实现水流循环。

经过一段时间，工作段实现模拟工况，在工作段进行圆柱绕流实验现象观察以及数据测量，其中包含试件在水流冲击下的升阻力数据测量、工作段水流流速的测量、试件在发生圆柱绕流现象时流场的观察。

上述实验方法，包括以下步骤：

实验开始以后，打开泵2，水流从水箱1流出，依次流经第一扩张段3、第一拐角段4、第一过渡直流段5、第二拐角段13、整流段7以及收缩段8，然后流入到工作段10中，最后再流经第二扩张段15、第三拐角段16、第二过渡直流段17、第四拐角段18，流回水箱1，实现水流循环。

在整个水流循环中，工作段实现高流速、高雷诺数的雷诺相似模拟工况，在该模拟工况下，使用多轴力传感器测量布置有不同织构的圆柱试件绕流阻力和升力，再通过接收传感器输出信号的计算机进行数据处理分析，最终得出减阻效果最好的织构参数；同时使用安装好的LDV测速仪，调节支撑杆高度测量工作段不同截面的流速，使用PIV激光仪和布置在试件正下方的PIV照相机对流场特征进行捕捉，实现对流场的拍摄；最后通过对不同组测量的流速与流场数据进行对比分析，实现对圆柱绕流减阻效果的评价。