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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.THELIQUID’SFORMCHANGESTHE1IQUIDTOTHESTREAM.FORTHEWATER,WHILEFLOWINGMEDIUM’SCONTINUITYISDESTROYEDWITHCAVITATING,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,WATERTUNNEL’SPIPELINESTRUCTURECALCULATIONANDBASEFREQUENCY.THEOPTIONOFTHISPAPERBASESPRACTICALENGINEERINGPROJECT.SOITHASCERTAINLEARNEDVALUE.THEENDOFTHEPAPERPUTSFORWARDADESIGNINGEXAMPLEWITHTHREEVELOCITIESOFWORKINGPARTFORUSINGINENGINEERINGANDRESEARCH.KEYWORDSCAVITATION;WATERTUNNEL;COLLECTIVITYDESIGN;HEADLOSS;STRUCTURALCALCULATION;BASEFREQUENCY。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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