專利名稱：一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，特別是用于進(jìn)行湍流的精細(xì)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究和教學(xué)顯示的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞。
目前國(guó)內(nèi)外的水洞裝置大致分為動(dòng)力式和重力式。動(dòng)力式水洞裝置是由電機(jī)帶動(dòng)安裝在管路里的螺旋槳推動(dòng)水循環(huán)流動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是流速高、流量大，但難以消除驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)流場(chǎng)的干擾，不利于降低實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的湍流度；重力式水洞通常由重力重力水箱、穩(wěn)定段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、方變園段、流量計(jì)段、閥門段依次連接組成，它是利用水位勢(shì)能轉(zhuǎn)換推動(dòng)流動(dòng)，避免了驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)流場(chǎng)的干擾，因此來(lái)流的背景噪聲小。例如文獻(xiàn)1(Petrusma et al，1996，Exp.InFluid，Vol.20，No3，p189-197)中所述的重力式水洞的湍流度可以達(dá)到0.3％。但是，重力式水洞的實(shí)驗(yàn)段流速與來(lái)流水位的勢(shì)能有關(guān)，即與重力水箱的高度有關(guān)。文獻(xiàn)1中所述水洞的重力水箱建造在10米以上，最大流速也只有2.7cms-1。文獻(xiàn)2(林貞彬等，1993，中國(guó)科學(xué)，A輯，第23卷，第3期，第278-282頁(yè))中的重力式水洞，在2米高的水位條件下，最大流速可以達(dá)到0.25ms-1。如何在較低的水位下(≈3m)，提高水洞裝置的流速(達(dá)到1ms-1)，并且達(dá)到較低的湍流度(0.3％)，是本發(fā)明追求的目標(biāo)。
本發(fā)明的目的是為了克服已有動(dòng)力式水洞在測(cè)量過(guò)程中，由于電機(jī)帶動(dòng)安裝在管路里的螺旋槳推動(dòng)水循環(huán)流動(dòng)，而對(duì)流場(chǎng)帶來(lái)干擾，不利于降低實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的湍流度的缺點(diǎn)；為了達(dá)到在較低的水位下提高水洞裝置的流速，并且具有較低的湍流度，從而提供一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，包括重力水箱、穩(wěn)定段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、方變園段、流量計(jì)段、閥門段依次連通，其中重力水箱有一入水口，通過(guò)管路與泵群連接；水循環(huán)機(jī)構(gòu)安裝在水源出口處，它與泵群連通的抽水管末端接入大儲(chǔ)水池內(nèi)；流量計(jì)和過(guò)程控制柜組成閉環(huán)調(diào)節(jié)流速控制部分的控制器與閥門和流量計(jì)用電纜連接；其特征在于重力水箱內(nèi)裝有帶孔的溢流板，重力水箱上有一進(jìn)水口和內(nèi)接多孔管，后側(cè)有一溢流區(qū)；其側(cè)壁開(kāi)有一方形導(dǎo)流口，導(dǎo)流口內(nèi)安裝一喇叭形導(dǎo)流管，導(dǎo)流口與穩(wěn)定段連接處用圓弧過(guò)度，為了提高穩(wěn)定段流動(dòng)穩(wěn)定性；重力水箱出水口下方的底角做坡；穩(wěn)定段截面為正方形，其內(nèi)交替安裝多層蜂窩狀整流板和整流網(wǎng)，以獲得平穩(wěn)、低湍流度的水流；所述的收縮段由三維維式(Witozinky)曲線壁板構(gòu)成的，其入口和出口截面比為14∶1；所述的流速控制部分包括兩個(gè)內(nèi)徑大、小不等的電動(dòng)、手動(dòng)兩用比例調(diào)節(jié)閥，并聯(lián)安裝在閥門段，二個(gè)比例調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)電纜線與自動(dòng)控制器相連接。
所述的實(shí)驗(yàn)段可以由N段管路組成，最佳地為3段，每段長(zhǎng)1m，截面尺寸0.2m×0.2m2。其中兩段的側(cè)壁開(kāi)有實(shí)驗(yàn)窗口，便于安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量?jī)x器。
所述的水循環(huán)系統(tǒng)，包括大小儲(chǔ)水池、方形流道、泵群和水處理系統(tǒng)。小儲(chǔ)水池其功能是穩(wěn)定閥門段出口處水面，減少反壓脈動(dòng)對(duì)上游流場(chǎng)的擾動(dòng)。大儲(chǔ)水池其功能是蓄水。連接大小儲(chǔ)水池的方形流道長(zhǎng)10m，截面0.4m×0.6m2。儲(chǔ)水池的初始用水由水源提供。為了物理凈化水源的水，安裝了水處理系統(tǒng)。同時(shí)對(duì)水去離子化，這是為了防止測(cè)量?jī)x器的損壞而對(duì)水質(zhì)提出的要求。泵群由三臺(tái)流量不同的離心式水泵組成，其流量根據(jù)流速范圍設(shè)定。泵群將儲(chǔ)水池的水抽上來(lái)并打入重力水箱。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)通過(guò)合理的水動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)大大地降低水洞沿程管道的摩阻。如上所述，重力式水洞的實(shí)驗(yàn)段流速與來(lái)流水位有關(guān)，同時(shí)也與管道的沿程阻力有關(guān)。如果沿程阻力大，消耗來(lái)流的能量，實(shí)驗(yàn)段的流速自然提不高。為了降低對(duì)來(lái)流能量的損耗，本發(fā)明采取了以下措施降低管道的沿程阻力a.管道沿程阻力與流速平方成正比，流速低才能使管道的沿程阻力降低。根據(jù)流場(chǎng)連續(xù)性原理，同樣流量下增加管徑可以降低流速，因此對(duì)非實(shí)驗(yàn)段的管路盡可能采用大管徑的管道；b.為了降低摩阻，要選擇對(duì)流場(chǎng)阻力小的器件，如在管路中安裝了電磁流量計(jì)和精密電動(dòng)、手動(dòng)兩用調(diào)節(jié)閥；等測(cè)量和調(diào)節(jié)器件，選用以上兩項(xiàng)措施使本發(fā)明的水洞在9米長(zhǎng)的本體流道中沿程摩阻損失僅為0.3m水柱，這大大降低了管道損失。使本發(fā)明的水洞在水位高度只有2.6m的條件下，達(dá)到較寬的流速范圍0.05～1ms-1，最大流速可達(dá)1.25ms-1；(2)降低實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的湍流度a.合理設(shè)計(jì)具有溢流區(qū)的重力水箱中的整流裝置，降低來(lái)流的脈動(dòng)，提高入口流動(dòng)的均勻性；b.穩(wěn)定段中多層整流網(wǎng)，用以消除流向渦及造成的不均勻性，c.收縮段采用較大收縮比(14∶1)，降低來(lái)流的相對(duì)湍流度。以上三項(xiàng)措施使實(shí)驗(yàn)段流場(chǎng)的湍流度達(dá)到＜0.3％，實(shí)驗(yàn)段截面80％-86％面積上流速非均勻性小于1％。
(3)寬流速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)流速的精細(xì)調(diào)節(jié)為了降低摩阻采用較大管徑，給流速精調(diào)帶來(lái)困難，因此本發(fā)明采用大小閥門并聯(lián)，用閉環(huán)調(diào)節(jié)電路來(lái)保證流量精調(diào)。
(4)同時(shí)水洞的穩(wěn)定段、收縮段及實(shí)驗(yàn)段全部用有機(jī)玻璃材料制成，便于流場(chǎng)觀測(cè)和教學(xué)演示。
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明的重力水箱結(jié)構(gòu)示意面說(shuō)明如下1-水源；2-水循環(huán)機(jī)構(gòu)；3-方形口； 4.重力水箱 5-穩(wěn)定段；6-收縮段； 7-實(shí)驗(yàn)段；8-方變園段；9-流量計(jì)段； 10.閥門段；11小儲(chǔ)水池；12方形流道； 13-蓄水池； 14-泵群； 15-流量計(jì)；16-調(diào)節(jié)閥門； 17控制柜；18-水處理機(jī)構(gòu)； 19-入水口； 20-溢流口；21-溢流箱； 22-孔板(溢流板)； 23-導(dǎo)流口；24-管路；25-抽水管；實(shí)施例1按圖1制作一臺(tái)具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，采用PVC塑料板制成一8噸重力水箱4，重力水箱4的尺于為2m×2m×2.5m，可儲(chǔ)水的容積為8m3；重力水箱的后側(cè)有一2m×0.5m×1.2m3的溢流箱作為溢流區(qū)，溢流箱下有溢流口20，將多余的水溢走；重力水箱側(cè)壁下方有一入水口19，重力水箱4內(nèi)安裝一帶有266個(gè)直徑為16mm的小孔的溢流板22，側(cè)壁開(kāi)有0.75m×0.75m的方形口3與穩(wěn)定段5連接，其與穩(wěn)定段連接處用圓弧過(guò)度；重力水箱4出水口下方的底角做坡；在重力水箱方形口內(nèi)裝有一喇叭形導(dǎo)流管23；穩(wěn)定段5長(zhǎng)1.4m，截面為0.75m×0.75m2正方形，內(nèi)部裝有兩個(gè)通常的蜂窩器和六道整流網(wǎng)，其功能是穩(wěn)定和整理來(lái)流。收縮段6的長(zhǎng)度為1.4m，入口和出口截面比為14∶1。收縮段6的型線設(shè)計(jì)直接關(guān)系到流場(chǎng)品質(zhì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬數(shù)值計(jì)算，選擇采用三維維式曲線作為收縮型線。實(shí)驗(yàn)段7由3段管路組成，每段長(zhǎng)1m，截面尺寸0.2m×0.2m2；其中兩段的側(cè)壁開(kāi)有實(shí)驗(yàn)窗口，安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量?jī)x器，以便觀察和記錄。實(shí)驗(yàn)段7下游連接一方變園段8，其入口截面為0.2m×0.2m2正方形，出口截面直徑為20cm，長(zhǎng)度為0.8m。因?yàn)楣苈防锏牧髁坑?jì)15及調(diào)節(jié)閥門16的截面都是圓形，因此該段起到改變管路截面形狀的作用。流量計(jì)段9的作用是為了安裝流量計(jì)15。其該段長(zhǎng)度根據(jù)流量計(jì)安裝的要求設(shè)計(jì)為2.3m，直徑為20cm。閥門段10為安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥16而設(shè)計(jì)，長(zhǎng)度1.6m，直徑為20cm。閥門段10的出口通向小儲(chǔ)水池。穩(wěn)定段5、收縮段6密封連接到實(shí)驗(yàn)段7，這三段全部采用有機(jī)玻璃材料制做；通過(guò)方變園段8將實(shí)驗(yàn)段7與流量計(jì)段9和閥門段10連通。這兩段采用塑料管道。電磁流量計(jì)15安裝在流量計(jì)段9上，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥16并聯(lián)安裝在閥門段10上，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥16是采用兩個(gè)內(nèi)徑大、小不等的即能電動(dòng)也可手動(dòng)兩用比例調(diào)節(jié)閥，二個(gè)比例調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)電纜線與自動(dòng)控制柜17連接。閥門段10的末端接入1.8噸的小蓄水池11，通過(guò)10米的方形流道12一端接入小蓄水池11另一端接入20噸大儲(chǔ)水池13，方形流道12的長(zhǎng)度可以根據(jù)大小儲(chǔ)水池的實(shí)際距離確定。泵群14的抽水管插入儲(chǔ)水池13，出水管與重力水箱4連通。水處理機(jī)構(gòu)18安裝在水源1出口處，末端接入20噸儲(chǔ)水池13內(nèi)?？刂乒?7安置在出水口附近，與閥門16和流量計(jì)15用電纜連接。
具有供水和儲(chǔ)水功能的水循環(huán)機(jī)構(gòu)2，包括大小儲(chǔ)水池13、11、方形流道12、泵群14和水處理機(jī)構(gòu)18。小儲(chǔ)水池11為2m×1m×1m，容積1.8噸。其功能是穩(wěn)定閥門段10出口處水面，減少反壓脈動(dòng)對(duì)上游流場(chǎng)的擾動(dòng)。大儲(chǔ)水池13尺寸為6.5m×2m×1.7m，可儲(chǔ)水的容積為20噸。其功能是蓄水。連接大小儲(chǔ)水池的方形流道12長(zhǎng)10m，截面0.4m×0.6m2。儲(chǔ)水池的初始用水由水源1提供。為了物理凈化水源的水，安裝了水處理機(jī)構(gòu)18，其中水處理機(jī)構(gòu)18采用市售的熱膜流速儀。同時(shí)對(duì)水去離子化，這是為了防止測(cè)量?jī)x器的損壞而對(duì)水質(zhì)提出的要求。泵群14由三臺(tái)流量不同的離心式水泵組成，其流量根據(jù)流速范圍設(shè)定。泵群14將儲(chǔ)水池的水抽上來(lái)并打入重力水箱4。
水洞的第三部分是流速調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，由電動(dòng)、手動(dòng)兩用比例調(diào)節(jié)閥、電磁流量計(jì)和自動(dòng)控制柜17組成閉環(huán)流速調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
本實(shí)施例的水洞9米長(zhǎng)的水洞本體沿程摩阻損失僅為0.3m水柱，水洞在水位高度只有2.6m的條件下，達(dá)到較寬的流速范圍0.05～1ms-1，最大流速可達(dá)1.25ms-1；實(shí)驗(yàn)段截面80％-86％面積上非均勻性小于1％，和低湍流度(湍流度＜0.3％)。實(shí)驗(yàn)段流速均勻性如表1所示。表1低湍流度水洞實(shí)驗(yàn)段流速均勻性分析
權(quán)利要求
1.一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，包括重力水箱(4)、圓管形穩(wěn)定段(5)，收縮段(6)、實(shí)驗(yàn)段(7)和方變園段(8)、圓管形流量計(jì)段(9)、閥門段(10)依次連通，其中重力水箱(4)有一入水口(19)，內(nèi)接多孔管，通過(guò)管路(24)與泵群(14)連接；水處理機(jī)構(gòu)(18)安裝在水源(1)出口處，它與泵群(14)連通的抽水管(25)末端接入大儲(chǔ)水池(13)內(nèi)；大小儲(chǔ)水池(13)(11)之間通過(guò)一根方形流道(12)連通；其特征在于重力水箱(4)內(nèi)裝有帶孔的溢流板(22)，重力水箱(4)后側(cè)有一溢流箱(21)，溢流箱(21)下有一溢流口(20)，重力水箱(4)側(cè)壁開(kāi)有一方形口(3)，其內(nèi)安裝一喇叭形導(dǎo)流管(23)，方形口(3)與穩(wěn)定段(5)連接處用圓弧過(guò)度；重力水箱(4)出水口下方的底角做坡；穩(wěn)定段(5)截面為正方形，其內(nèi)交替安裝多層蜂窩狀整流板和整流網(wǎng)；所述的收縮段(6)由三維維式曲線壁板構(gòu)成的，其入口和出口截面比為14∶1；電磁流量計(jì)(15)安裝在流量計(jì)段(9)上，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥(16)并聯(lián)安裝在閥門段(10)上，自動(dòng)控制柜(17)與并聯(lián)安裝在閥門段(10)上的兩個(gè)閥門(16)和流量計(jì)(15)用電纜連接，所述的閥門(16)是兩個(gè)內(nèi)徑大、小不等的電動(dòng)、手動(dòng)兩用比例調(diào)節(jié)閥，二個(gè)比例調(diào)節(jié)閥的電動(dòng)執(zhí)行器通過(guò)電纜線與自動(dòng)控制柜(17)連接。
2.按權(quán)利要求1所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于還包括在實(shí)驗(yàn)段(7)的兩段側(cè)壁開(kāi)有實(shí)驗(yàn)窗口，安裝實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量?jī)x器。
3.按權(quán)利要求1所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于所述的實(shí)驗(yàn)段由N段管路組成，N段至少為2，最佳為3段。
4.按權(quán)利要求4所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于所述的實(shí)驗(yàn)段，最佳為每段長(zhǎng)1m，截面尺寸0.2m×0.2m2。
5.按權(quán)利要求1所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于所述的泵群至少由二臺(tái)流量不同的離心式水泵組成。
6.按權(quán)利要求1所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于所述的穩(wěn)定段內(nèi)部裝有2～4個(gè)蜂窩器和4～8道整流網(wǎng)。
7.按權(quán)利要求1所述的一種具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞，其特征在于所述的重力水箱(4)內(nèi)安裝溢流板(21)的高度可調(diào)，最佳高度為0.5m。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有大流速低湍流度的低水位重力式水洞。包括重力水箱、穩(wěn)定段、收縮段、實(shí)驗(yàn)段、方變圓段、流量計(jì)段、閥門段依次連通,重力水箱內(nèi)裝有帶孔的溢流板,重力水箱后側(cè)有一溢流區(qū),側(cè)壁開(kāi)有一方形導(dǎo)流口,其內(nèi)安裝一喇叭形導(dǎo)流管,穩(wěn)定段內(nèi)交替安裝多層蜂窩狀整流板和整流網(wǎng);收縮段由三維維式曲線壁板構(gòu)成的;流量計(jì)安裝在流量計(jì)段,兩個(gè)內(nèi)徑不等的調(diào)節(jié)閥并聯(lián)安在閥門段,流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥通過(guò)電纜與自動(dòng)控制柜連接。
文檔編號(hào)G01M10/00GK1385687SQ01118118
公開(kāi)日2002年12月18日 申請(qǐng)日期2001年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月16日
發(fā)明者李戰(zhàn)華, 凌國(guó)燦, 方新, 彭廷玉, 劉彬, 柳綺年 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所