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空化水洞总体设计以及相关的几个问题--硕士论文.pdf

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空化水洞总体设计以及相关的几个问题--硕士论文.pdf

摘要空化是在液体中产生的~种现象,是液体从液相交成汽相的相变过程。对水来说,当液体中产生空化后使得流动介质的连续性遭到破坏,此时在液体中的某些部位出现充满蒸汽的空穴腔即蒸汽空穴。当蒸汽空穴随着液流进入高压区,空穴内的蒸汽顿时凝结,空泡溃灭,随之产生高压、高温、放电及发光现象。由此而带来很多的危害性,这其中包括在固体边界上发生空蚀、减小水电站的出力和降低水轮机及螺旋桨的效率、产生空化噪声和超声波以及引起空化振动。当然,空化也有一定的有益作用。对空化问题的研究在船舶、水力机械及水利工程中一直占有重要地位。现在空化的研究领域已经扩展到原子能、水下武器、采掘、润滑、生物及医学等部门。虽然如此,但空化现象~直都被认为是一个不易解决的问题。其原因在于,到目前为止对空化机理尚未研究得很清楚。随着我国国民经济建设的发展,各有关的科技部门均迫切要求对这一问题深入研究解决。空化水洞是研究空化现象的实验设备之一。它可以用于舰船及水工模型,空化和空蚀,流体弹性,湍流和边界层的实验。由于水洞中产生的空化类型与模拟对象中产生的空化类型相似,并且水洞中的流速、压力、温度和含气量,可以精确的测量和调整。因此,到目前为止,它仍然是研究空化特性和材料抗蚀能力的重要设备。空化水洞一般包括工作段、水流循环系统、溶解气体控制系统和水洞工作段控制系统等几个部分。本论文主要是讨论和研究空化水洞总体设计问题。以及设计过程中相关的一些问题,这其中包括空化水洞总体设计、产生空化的方法、空化水洞中溶解气体的控制技术、水洞水头损失、驱动水泵和驱动电机的选择、水洞管道部件结构计算、水洞固有频率计算等几个方面。本论文的选题是基于实际工程项目背景,在理论和实际应用领域都有一定的学术价值。在本论文中也一并提出三个设计实例方案,供工程应用和满足科研需要。关键词空化水洞总体设计水头损失结构计算固有频率。AbstractCavitationisaphenomenonoccurredintheliquid.Theliquidsformchangesthe1iquidtothestream.Forthewater,whileflowingmediumscontinuityisdestroyedwithcavitating,thereisfullofcavitywithsteamsomepositionintheliquid.Whenthecavityofsteamwithfluidcomesintohighpressurearea,thesteaminthecavityatoncecoagulatesandvaeuoleorumblesandfall.Withthiscondition,itbringshighpressure,hightemperature,dischargeandirradiance.Soalotofdamageisbroughtwiththesephenomena,includingcavitationdamage,reducingefficiency,cavitationyawp,cavitationvibration.Ofcourse,cavitationhascertainavailablefunction.Now,researchregionofCaVjtationhasexpandedtoatomicenergy.underwaterweapon,excavation,lubrication,biologyandmedicineetc.A1thoughso,cavitationisconsideredasmastyproblem.Becausesofarwedonotknowhowcavitationmechanismoccurred.Withthedevelopmentofournationaleconomy,somescienceandtechnologydepartmentspressforthisproblemtosolve.Cavitationwatertunnelisoneofexperimentalfacilitiesstudiedcavitationphenomenon.Itmayhandleshippingexperiment,hydraulicmodelpractice,cavitationdamage,hydroelasticityexperiment,onflowexperimentandboundarylayerexperiment.Sofar,itisimportantfacilitiesofworkingforcaritationcharacteristicandanticorrodeabilityofmaterial.Itcommonlyconsistsofworkingpart,waterfluidsystem,dissolvedgascontrolledsystemandworkingpartcontrolledsystem.Thispapermostlydiscussesandstudiescollectivitydesignofcavitationtunnelandsomerelativeproblem,includingcollectivitydesignofcavitationtunnel,methodofproducingcavity,dissolvedgascontrolledtechnique,watertunnelheadloss,selectionofdrivingpumpanddrivingelectromotor,watertunnelspipelinestructurecalculationandbasefrequency.Theoptionofthispaperbasespracticalengineeringproject.Soithascertainlearnedvalue.Theendofthepaperputsforwardadesigningexamplewiththreevelocitiesofworkingpartforusinginengineeringandresearch.Keywordscavitationwatertunnelcollectivitydesignheadlossstructuralcalculationbasefrequency。2O前言空化Cavitation和空蚀CavitationDamage现象的发现已有较久的历史。早在1754年欧拉Euler研究水轮机理论时,曾意识到在低压区水流产生空化的可能性。19世纪后半叶,随着蒸汽机船的发展,发现螺旋桨转数提高到一定程度反而会使航行速度下降,1873年雷诺O.Reynolds曾解释这种现象是因为当螺旋桨上压强降低到真空时吸入空气所致。1897年巴纳比S.w.Barnaby和帕森斯C.A.Parsons在英国果敢号鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件以后,提出了空化的概念,并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化。1896年C。A.帕森斯CharlesParsons建立了世界上第一个研究空化的小型水洞,该水漏为锅制,全长约lm,工作段为15cm2,用频闪观测器观察空化现象。20世纪初期,在水泵和水轮机中也相继出现了同样的现象20世纪30年代,高坝的泄水建筑物上也发生了空蚀破坏,因此美国托马斯H.A.Thomas于40年代设计并制造了减压箱,在减压条件下研究泄水建筑物的空化问题。空化问题的研究在船舶、水力机械及水利工程中一直占有重要地位。现在空化研究的领域已经扩展到原子能、水下武器、采掘、润滑、生物及医学等部门。50年代以来,随着我国高水头水工建筑物的大量兴建,水力机械及船舶工业的发展,国内水利水电、水力机械及船舶等有关部门对这一课题也进行了许多探讨,积累了不少有价值的成果。研究空化初生现象以及空化的各个发展阶段,目前主要是通过理论分析和实验研究两种手段。实验研究包括原体观测及模型试验。原体观测非常重要,因为研究的对象是原体实物。故不存在尺度效应问题。另外,由于试验在真实运转工况下进行,故所得资料必然准确地反映真实情况,具有很重要的价值。但是常常由于时间和财力限制,有些工况不易出现,量测精度也不易保证,在某些条件下,对空化区的范围和型态无法进行直接观测,因此,除非进行特别的准备和安排,一般不易得到满意的结果。模型试验研究与原体观测相比,时间和费用都节省得多,工况可以多种多样,可以进行原体中发生机率很小的极限工况的试验,可将空化的位置、特性及其随时间的变化详细地拍摄下来,对其做各种分析。由于影响因素很多,尺度效应相当复杂,目前还无法用模型试验的结果准确地预报原体的空化特性,但它是一种重要的研究空化特性的手段,是目前国内外研究空化的主要手段。空化水洞、减压箱、空蚀管和磁致伸缩仪等是研究空化现象的实验设备,它们随着人类对空化和空蚀研究的深入而得到不断的发展。空化水洞是一种结构与风洞类似的水动力学实验装置,它可以用于舰船及水工模型,空化和空蚀,流体弹性,湍流和边界层的实验。到目前为此,世界上近三十个国家已建成二百多座不同类型和规模的水洞。其中多数用来研究船舶和潜体问题。以水洞规前言模而言,以苏联列宁格勒KpyJ10B一3水洞的断面为最大,其断面为1.3reX1.3m,流速为15m/s以美国宾州大学超高速水洞的流速为最大,其速度为109m/s。断面为由0.04m以美国大卫泰勒DavidTaylor模型水池的水泵功率为最大,其功率为2574.25KW,断面为由0.91m,最大流速为25.7m/s。我国于1957年在上海建成第一座水洞,用来研究船舶问题。国内现在已有13座左右。虽然前人对空化现象有一些研究,但长期以来,空化现象一直都被认为是一个不易解决的问题。其原因在于,到目前为止对空化的发生机理尚未研究得很清楚。下一步研究的关键在于试验设备及测量手段的提高,如果人们掌握了更精密的量测仪器、更快的摄影技术等等,对空化与空蚀问题的了解与掌握将会进一步深化。当前,随着我国国民经济建设的发展,各有关的科技部门均迫切要求对这一问题深入研究解决。本论文据于以上论述,研究讨论空化水洞总体设计问题,以及设计过程中相关的一些问题,这其中包括空化水洞总体设计、产生空化的方法、空化水洞中溶解气体的控制技术、水洞水头损失、驱动水泵和驱动电机的选择、水洞管道部件结构计算、水洞固有频率计算等几个方面。本论文的选题是基于实际工程项目背景,在理论和实际应用领域都有一定的学术价值。在本论文中也一并提出三个设计实例方案,供工程应用和满足科研需要。

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