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。AbstractCavitationisaphenomenonoccurredintheliquidTheliquidsformchangesthe1iquidtothestreamForthewater，whileflowingmediumscontinuityisdestroyedwithcavitating，thereisfullofcavitywithsteamsomepositionintheliquidWhenthecavityofsteamwithfluidcomesintohighpressurearea，thesteaminthecavityatoncecoagulatesandvaeuoleorumblesandfallWiththiscondition，itbringshighpressure，hightemperature，dischargeandirradianceSoalotofdamageisbroughtwiththesephenomena，includingcavitationdamage，reducingefficiency，cavitationyawp，cavitationvibrationOfcourse，cavitationhascertainavailablefunctionNow，researchregionofCaVjtationhasexpandedtoatomicenergyunderwaterweapon，excavation，lubrication，biologyandmedicineetcA1thoughso，cavitationisconsideredasmastyproblemBecausesofarwedonotknowhowcavitationmechanismoccurredWiththedevelopmentofournationaleconomy，somescienceandtechnologydepartmentspressforthisproblemtosolveCavitationwatertunnelisoneofexperimentalfacilitiesstudiedcavitationphenomenonItmayhandleshippingexperiment，hydraulicmodelpractice，cavitationdamage，hydroelasticityexperiment，onflowexperimentandboundarylayerexperimentSofar，itisimportantfacilitiesofworkingforcaritationcharacteristicandanticorrodeabilityofmaterialItcommonlyconsistsofworkingpart，waterfluidsystem，dissolvedgascontrolledsystemandworkingpartcontrolledsystemThispapermostlydiscussesandstudiescollectivitydesignofcavitationtunnelandsomerelativeproblem，includingcollectivitydesignofcavitationtunnel，methodofproducingcavity，dissolvedgascontrolledtechnique，watertunnelheadloss，selectionofdrivingpumpanddrivingelectromotor，watertunnelspipelinestructurecalculationandbasefrequencyTheoptionofthispaperbasespracticalengineeringprojectSoithascertainlearnedvalueTheendofthepaperputsforwardadesigningexamplewiththreevelocitiesofworkingpartforusinginengineeringandresearchKeywords：cavitation；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(OReynolds)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(SwBarnaby)和帕森斯(CAParsons)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(HAThomas)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13reX13m，流速为15ms：以美国宾州大学超高速水洞的流速为最大，其速度为109ms。断面为由004m；以美国大卫·泰勒(DavidTaylor)模型水池的水泵功率为最大，其功率为257425KW，断面为由091m，最大流速为257ms。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。