（机械制造及其自动化专业论文）减阻测试实验装置结构设计及仿真分析.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： y 18 ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g t h est r u c t u r e a n a l y s i so f t h e c a n d i d a t e ：g uy u n q i n g si m u l a t i o n c t i o nt e s t i n g 1 一 s u p e r vis o r ：p r o f z h a og a n g a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h 2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 畏 眚 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：名云茨 日期：工口，口年3 月，9 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 臼在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：名云厌 日期： 2 - 0 1 0 年3 月侈日 导师( 签字) ：多物i 卧f 山口年3 月哕日 卜 哈尔滨i ：科人学硕十学位论文 摘要 船舶或水下航行器运动时，因为水的粘性，使其与水之间产生摩擦阻力， 一般摩擦阻力约占全阻力的7 0 至8 0 。对于摩擦阻力的测试，大都采用水 洞装置，但因其结构复杂、占地面积庞大、成本高、实验段流场难于模拟、 实验周期长，使得水洞装置在使用中具有局限性。因此设计一个结构简单、 尺寸小、成本低、实验段流场容易模拟、适用范围广的减阻测试实验装置具 有重要的理论和实际意义。 在水洞的基础上，依据减阻测试实验装置的性能指标，提出同时具有常 规水洞性能和可拖曳性能的可拆卸式减阻测试实验装嚣设计方案，其中工作 段两侧装有可方便更换、装卸的实验模型。 对减阻测试实验装置进行理论分析和具体结构设计，建立二维和三维实 体模型。 对减阻测试实验装置工作段进行水动力学分析，建立适合工作段的雷诺 数计算方程，压强模型，及工作段处于不同流念下的速度模型。 利用g a m b i t 软件建立工作段截面模型，并对其进行细密网格划分，应用 c f d 相关软件f l u e n t 采用标准k f 模型对减阻测试实验装置测试管路内部 流场进行仿真分析，同时对壁面测试法和中心测试法两种方法进行比较分析， 通过仿真分析结果验证装置结构设计的合理性，为分析减阻测试实验装置实 验数据的科学性提供了理论指导。 一 ， 关键词：减阻；水洞；结构设计：实验装置；仿真 蠢 哈尔滨阿人学硕十学何论文 a b s t r a c t t h er e s i s t a n c ec o m e sf r o mt h ev i s c o s i t yo ft h ew a t e rw h e nt h es h i p so r u n d e r w a t e rv e h i c l e sm o v e t h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c et a k e su p7 0 t o8 0 o fa l l r e s i s t a n c e t h ec o m m o nt e s t i n ge q u i p m e n to ft h ef r i c t i o n a lr e s i s t a n c ei sw a t e r t u n n e ls e t ，w h i c hh a sl i m i t e da p p l i c a t i o nf o rt h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，t h eh i g h c o s t ，t h ed i f f i c u l t yo ft h es i m u l a t i o no ft h ef l o wf i e l da n dt h el o n gt e s tp e r i o d t h e r e f o r e ，i tw i l lh a v et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e s i g nar e d u c i n g r e s i s t a n c et e s t i n ge q u i p m e n tw i t ht h ec h a r a c t e r so fas i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ， e a s ys i m u l a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lf l o wa n dw i d e l yu s e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fw a t e rt u n n e ls e ta n dt h ep e r f o r m a n c ec r i t e r i ao f d r a gr e d u c t i o nt e s t i n gd e v i c e ，a ne x p e r i m e n t a ld e v i c ed e s i g nw a sp r o p o s e di nt h i s p a p e r ，a n dt h ed e v i c eb o t hh a dt h ec h a r a c t e r so fc o n v e n t i o n a lw a t e rt u n n e ls e ta n d d r a g g i n ga r o u n d a n dt h ed e v i c ec o u l db ed e t a c h a b l ea n de a s yr e p l a c e a b l e ，f o rt h e t w os i d e so ft h ew o r k i n gp a r th a dt h ed e t a c h a b l ee x p e r i m e n t a lm o d e l t h et h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n d s t r u c t u r ed e s i g nw e r em a d eo nt h ed r a g r e d u c t i o nt e s t i n gd e v i c e ，a n dt h et w o - d i m e n s i o nm o d e l sa n dg r a p h i c sw e r ea l s o b u i l ti nt h i sp a p e r t h ew a t e rm e c h a n i c sa n a l y s e sw e f ed o n eo nt h ed r a gr e d u c t i o nt e s t i n g d e v i c e ，as u i t a b l ee q u a t i o n so fr e y n o l d sc a l c u l a t i o n sw e r em a d ef o rt h ew o r kp a r t a n dt h ep r e s s u r em o d e l v e l o c i t ym o d e lw e r ea l s ob u i l ti nt h ew o r kp a r t t h ec r o s s s e c t i o nm o d e lo ft h ew o r kp a r tw a sb u i l tb yt h es o f t w a r eg a m b i t a n dt h em e s hw a sa l s og e n e r a t e db yt h es a m es o f t w a r e t h e nb yt h ef l u e n t ，o n eo f t h ec f ds o f t w a r e s ，a n du s i n gt h es t a n d a r dk 一占m o d e l ，t h ei n s i d ef l o wf i e l do f t h e r e d u c i n g r e s i s t a n c e t e s t i n g d e v i c ew a ss i m u l a t e d ，a ts a m et i m e ，t h e c o m p a r a t i v ea n a l y s i sb e t w e e nt h ew a l lt e s ta n dt h ec e n t e rt e s tw a sa l s of i n i s h e di n t h i sp a p e ra n dt h er e s u l t ss a t i s f i e dt h er e a s o n a b l e n e s so ft h es t r u c t u r e t h e r e f o r e t h i sm e t h o dc o u l dp r o v i d et h et h e o r e t i c a ld i r e c t i o nt ot h es e i e n t i f i c i t yo ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a 卜 哈尔滨i ：种人学硕十学何论文 k e y w o r d s ：d r a gr e d u c t i o n ；w a t e rt u n n e l ；s t r u c t u r ed e s i g n ；t e s t i n gd e v i c e ； s i m u l a t i o n 卜 卜 垂 一 春 n 合尔滨l ：科人学硕十学付论文 目录 第1 章绪论l 1 1 课题研究的目的和意义l 1 2 减阻测试装置的国内外研究现状1 1 3 本文主要研究内容7 第2 章减阻测试实验装置总体方案设计8 2 1 减阻测试实验装置设计要求8 2 2 减阻测试实验装置方案设计8 2 3 本章小结”l o 第3 章减阻测试实验装置结构设计”1 2 3 1 减阻测试实验装置工作段设计1 2 3 1 1 工作段设计分析1 2 3 1 2 工作段结构设计1 4 3 2 减阻测试实验装置收缩段设计”1 8 3 2 1 收缩段分析1 9 3 2 2 理论分析计算2 1 3 2 3 经验性近似公式计算2 6 3 2 4 收缩段结构设计2 7 3 3 减阻测试实验装置扩散段”2 8 3 3 1 扩散段分析2 8 3 3 2 扩散段结构设计2 9 3 4 本章小结3 0 第4 章装置工作段水动力学模型的建立3l 4 1 减阻测试实验装置雷诺数计算”3 1 4 2 建立减阻测试实验装置工作段速度模型”3 3 4 2 1 工作段层流情况速度模型3 3 4 2 2 工作段湍流情况速度模型3 7 4 3 建立减阻测试实验装置工作段压强模型”4 1 一 哈尔滨+ i ：种人学硕十学何论文 4 4 本章小结4 4 第5 章基于f l u e n t 的工作段内流场的仿真分析4 5 5 1 工作段f l u e n t 分析4 5 5 1 1 工作段f l u e n t 分析过程4 5 5 1 2 仿真模型的建立与网格划分4 6 5 1 3 湍流模型选取4 6 5 1 4 设定边界条件4 7 5 1 5 控制方程的选取4 8 5 1 6 迭代过程设置4 9 5 2 仿真结果及分析4 9 5 3 壁面测试法和中心测试法比较分析6 2 5 4 本章小结6 8 结论6 9 参考文献7 1 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 5 致谢”7 6 哈尔滨l ：科人学硕十学何论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 国内外对湍流减阻的研究取得了很大的进展，但是湍流减阻问题仍然没 有解决。实验方法作为研究湍流减阻的重要手段，对推进湍流减阻理论的发 展起到了非常重要的作用，很多重要的湍流现象都是首先在实验条件下观察 到的。进行湍流减阻实验一般都是在水洞或通过水池拖曳进行的，由于水的 粘性远大于空气的粘性，故低雷诺数实验在水洞中较容易实现；水池拖曳 受到水池大小和拖车性能的影响，使得水池拖曳带有局限性。 随着减阻技术”的快速发展，如何设计一个能够适用于测量不同模型结 构一1 摩擦阻力的实验装置显得尤为重要。在传统的流体动力学研究中主要采 用水洞和水槽等实验方法，但其造价高、耗资大、体积大、实验条件控制困 难和实验模型复杂。现有的小型流体力学实验设备，如小型自循环实验装置， 可以完成对管路局部损失实验、沿程损失实验、雷诺实验、伯努利方程实验、 以及文丘里流量计标定等，但因其结构多采用封闭式圆管结构，大大限制了 实验装置的测试应用领域，同时也不适合在管路中安放不同实验模型。现有 拖曳实验装置实验速度范围小只局限于水池实验，受水池长度限制，无法 实现海水中近实况水流模拟。因此，如何用简单、可靠的测量装置，评估不 同表面的减阻效果，为实际应用提供可靠的依据，仍然存在诸多问题。所以 需要新型的阻力测试装置和有效的措施，研究制造先进的近实况的阻力测试 实验装置是一项十分重要的任务。 1 2 减阻测试装置的国内外研究现状 水洞作为流态显示和研究减阻技术的一种设备已同益受到许多领域的重 视，在1 8 8 3 年英国物理学家雷诺就曾在水管中进行了层流转变为湍流的流态 显示实验p ，迄今已经发展和完善了许多种类的流念显示和研究减阻技术的 设备。近年来，人们常对前缘涡的产生与破碎、细长体大攻角气动力不对称 性与其涡系的关系、喷流和边界层结构以及尾流等现象进行研究，这些现象 的流体状态通过水洞能方便地得到显示，从而使水洞得到了广泛的应用。 哈尔滨i ：fo # 人学硕十学何论文 目日订幽内外的水洞大致分为动力式水涮和重力式水洞。动力式水洞是由 电机带动安装在水洞管路罩的螺旋桨推动水循环流动，其优点是流量大、流 速高，缺点是难以消除驱动装置对流场的干扰，不利于提高实验段流场的流 动品质及降低流场的湍流度“。重力式水洞通常由重力水箱、稳定段、收缩 段、实验段、方变圆段、流量计段、阀门段依次连接组成，重力式水洞的实 验段流速与束流水位的势能有关，即与重力水箱的高度有关，它是利用水的 重力势能转化成动力势能的流动，避免了驱动装置对流场的干扰，因此来流 的背景噪声小“。但由于实验段流速受水位高度的限制，重力式水洞的流速 一般比较低，为了达到较高流速，往往通过提高重力水箱的高度来实现。而 重力式水箱高度的提高势必要延长输水管路，这会使工程造价大幅度提高。 p e t r u s m a t ”等所述的重力式水洞的湍流度可达到0 3 ，重力水箱建造在l o m 以上，最大流速也只有2 7 m s 。林贞彬叫等所述的重力式水洞，在2 m 高的 水位条件下，最大流速可达到0 2 5 m s 。 1 9 1 0 年，帕森斯在英国沃尔森德( w a l l s e n d ) 建造一座大型水洞，该水 洞能在流速符合弗劳德定律，在空化状态下，进行直径3 0 5 m m 的螺旋桨试验： 水洞主管道直径9 1 4 m m ，长约2 0 m 水流通道的封闭环路，实验段宽6 8 6 m m 。 1 9 3 8 年，荷兰船模型池的直径9 1 4 m m 的大型水洞，即是在帕森斯水洞基础 上进行了改善和改进；1 9 6 4 年通过进一步改进后的水洞如图1 1 所示“。： 图1 1荷兰船模池的9 1 4 m m 螺旋桨水洞 2 卜 哈尔滨i ：科人学硕十学何论文 在美国，第一个町供进行试验的通用水涧是由柯乃普和戴利等人介绍的 于1 9 4 2 年建置、并在1 9 4 7 年重建改善的加州理工学院的高速水洞。这一装 置是现代化测试设备的先驱，它具有了专门控制设备，精度比以前更高，更 多样化的量测附属设备。它对以后的水洞具有深远的影响。 1 9 4 7 年修改后的加州理工学院的高速水洞，具有一封闭环形循环系统， 其基本特性包括以下六个方面：工作段、水流循环系统、空气重溶系统、含 气量控制系统、控制系统、天枰。工作段是直径为3 5 6 m m 、长为1 8 3 m 、两 侧装有透明窗的封闭管路。水洞的设计流速高达3 0 5 m s 。它具有在精确控制 下产生空穴的基本部件，它至今仍是目前使用中的重要设备之一“。 国外一些主要水洞的技术指标如下： 美国大卫泰勒模型水池的3 6 英寸水洞，试验段尺寸为o 9 1 m 、试验段 面积为0 6 6m 2 、试验段长度为1 0 7 m 、试验段最大流速为2 5 7 m s 、总体水 平尺寸为l8 9 m 、总体垂直尺寸为8 7 m 、收缩短的面积收缩比为9 、收缩短 长度为4 8 8 m 、水泵功率为2 5 7 4 3 k w 、最大压力4 2 2 k g c m2 、扩散段面积 扩散比为3 0 、扩散段长度为6 5 5 m 、泵型为轴流式、泵直径为矽1 9 8m 。 美国宾夕法尼亚州立大学的4 8 英寸水洞，试验段尺寸为矽1 2 2 m 、试验 段面积为1 17m 2 、试验段长度为1 2 0 m 、试验段最大流速为3 4 4 m s 、总体 水平尺寸为3 4 3 m 、总体垂直尺寸为5 8 m 、收缩短的面积收缩比为9 、收缩 短长度为6 1 0 m 、水泵功率为1 4 7 1 o k w 、最大压力4 0 0 k g c m2 、扩散段面 积扩散比为3 3 3 、扩散段长度为9 1 1 m 、泵型为轴流式、泵直径为2 4 m 。 英国国家物理实验室的n p l ，试验段尺寸为矽1 1 2m 、试验段面积为 0 9 8m 2 、试验段长度为2 2 3 m 、试验段最大流速为1 7 m s 、总体水平尺寸为 2 6 6 m 、总体垂直尺寸为5 4 9 m 、收缩短的面积收缩比为7 4 、收缩短长度为 7 6 2 m 、水泵功率为7 3 5 5 k w 、最大压力6 0 0 k g c m2 、扩散段面积扩散比为 2 0 、泵型为轴流式、泵直径为2 3m 。 瑞典哥德堡的s s p a ，试验段尺寸为1 0 0 m 、试验段面积为0 7 9 m 2 、 试验段长度为2 5 0 m 、试验段最大流速为2 3 0 m s 、总体水平尺寸为2 0 0 m 、 总体垂直尺寸为l o 0 m 、收缩短的面积收缩比为9 、收缩短长度为3 5 0 m 、水 泵功率为7 2 5 9 k w 、最大压力6 0 0 k g c m2 、扩散段面积扩散比为4 4 、扩散 段长度为9 2 0 m 、泵型为轴流式、泵直径为2 1 m 。 哈尔滨l ：样人。孚：硕十号：何论文 日本在东北大学建立的高速水洞，试验段尺寸为0 1 m x 0 3 m 、试验段面 积为0 0 3m 2 、试验段最大流速为3 3 0 m s 、总体水平尺寸为1 0 0 m 、总体垂 直尺寸为5 0 m 、收缩短的面积收缩比为1 2 3 0 、收缩短长度为6 1 0 m 、水泵功 率为5 1 4 9 k w 、最大压力1 5 0 0 k g c m 、泵型为轴流式、泵直径为矽0 6 2 m 。 美国加利福尼亚理工学院的c i t 高速水洞，试验段尺寸为矽o 3 5m 、试验 段面积为0 1 0 m 2 、试验段长度为3 2 1 m 、试验段最大流速为3 2 0 m s 、总体 水平尺寸为9 1 5 m 、总体垂直尺寸为5 6 4 m 、收缩短的面积收缩比为1 8 3 、收 缩短长度为1 5 2 m 、水泵功率为3 6 7 8 k w 、最大压力7 0 3 k g c m2 、扩散段面 积扩散比为1 4 8 8 、扩散段长度为3 4 8 m 、泵型为轴流式、泵直径为矽1 2 2r n 。 美国宾夕法尼哑州立大学的超高速水洞，试验段尺寸为痧0 o l m 、试验段 面积为0 0 0 1m 2 、试验段长度为0 0 8 6 m 、试验段最大流速为1 0 0 0 m s 、总体 水平尺寸为2 3 3 m 、总体垂直尺寸为0 6 5 m 、收缩短的面积收缩比为4 4 3 、收 缩短长度为0 3 0 4 m 、水泵功率为l10 3 k w 、最大压力8 0 0 k g e m2 、扩散段 面积扩散比为1 7 3 、扩散段长度为o 7 1 m 、为离心式水泵。 我国水利水电科学研究院水力学研究所的循环水洞，工作段断面为 2 0 0 m m x2 0 0 m m ，最大流速为15 m s 。 南航立式水洞建成于1 9 8 2 年1 0 月，实验段为2 6 8 m m 2 6 8 m m x 6 0 0 m m ， 面积收缩比为1 3 ：1 ，实验最大流速可达0 5 m s ，为一丌路立式水洞，它主 要由八部分组成：供水系统、水箱、收缩段、实验段、均压段、染色液系统、 调速阀和排水系统组成“。 中科院力学所非线性力学国家重点实验室( l n m ) 研制的一座低湍流度 水洞，采用重力溢流循环式。设计采用孔板和导流口装置消除此回流区，改 进了稳定段流场的均匀性，与稳定段相连接的水箱的出口尺寸为0 7 5 o 7 5 c m 2 1 1 8 j 。 安徽省会寒县梅山水库的水洞为重力式、采用水库水位的自由落差作为 流体动力。为了防止实验段压力过低而空化，在实验段后部有一反调水塔，通 过它的水位来调节实验段的压力，也即调节实验段处的空化数。通过水库与 水塔的水位自然落差及实验段进出口处的流量来调节和稳定实验段的流速和 压力，实验段的横截面是讵方形，用3 0 m m 厚的透明有机玻璃板制作的，其长 为1 2 2 0 m m ，截面积为2 0 0 m m x2 0 0 m m ，水洞的结构简图如图1 2 所示”。 4 鑫 哈尔滨l ：种人学硕十学位论文 1 - 水库拱墒2 - 进水管3 进水阀门4 收缩短5 测辐射水听器盒6 实验模型 7 试验段8 扩张段9 山水阀门1 0 反调水池 11 水池凋压阀门 图1 2 梅山水洞机构简图 西北工业大学航海学院高速水洞如图1 3 所示，该水洞的洞体为一个充满 水的不锈钢封闭循环管路，在轴流泵的驱动下，水沿管路循环流动，从而在 工作段内形成一个稳定的均匀流场。水流的速度和压力可以按照相似条件的 要求进行调节并保持稳定。实验模型置于工作段内并与测试仪器相连，以测 定模型的流体动力特性。该水洞的主要性能参数为：洞体中心线高度1 1 5 m 、 洞体中心线长度l1 8 m 、工作段尺寸4 0 0 m m x 2 0 0 0 r a m 、工作段水流速度范围 o 1 8 m s 、连续可调、最小空化数为0 1 5 、叶轮泵功率1 2 5 o k w m 。 图1 3 西北工业大学水洞 西安交通大学的陈超和宫武旗等人设计的一台低雷诺数循环水洞试验台 ，收缩段采用辛斯基曲线设计。实验段流速范围在0 2 1 0 m s 之间，水洞 实验段入口中心的流速和湍流度通过一维l d v 系统测量，可以对来流速度 ， 哈尔滨下程大学硕十学位论文 ii - 玑= 0 2 1 0 m s 的平板湍流边界层速度和湍流度分布进行了测量，并用p i v 系统检测了边界层内层低速条带结构，该试验台可用于湍流边界层流动结构 测试研究。水洞试验台由水箱、整流栅、收缩段、测试段3 0 0 n n n x3 0 0 n u n x 1 5 m r n 、弯道及管路部分组成，整个水洞由一台轴流泵驱动，电机转速通过变 频器调节，水洞收缩段长度为1 8 0 0 n u n ，收缩比为5 ，试验台如图1 4 所示。 1 水箱2 整流栅3 收缩段4 实验段5 弯头6 - 回流段7 - 水泵 图1 4 水洞试验台 6 0 5 所高速水动力实验室主要参数及技术指榭矧：水池长5 1 0 m ，宽6 5 m ， 水深5 o m ；拖车速度范围0 5 - 2 2 m s i 采用实验数据和处理分析自动化测试 手段，如图1 5 所示。 图1 5 水下拖体水池拖曳实验现场 6 ， 哈尔滨。1 i 科人。半：硕十学何论文 目酊，世界上有近三十多个幽家建有水洞装置，已建成二百多座不同类 型和规模的水洞。从上面给出的国外一些主要水洞的技术指标和规模可见： 以美国宾夕法尼亚州立大学超高速水洞的流速为最大：以美国大卫泰勒模 型水池的水泵功率为最大。这些水洞装置都是为研究减阻技术而设计的，当 前国内外学者在仿尘非光滑减耐2 引、沟槽减阻25 1 、涂层减阻、柔性壁减酣2 6 1 、 微气泡减阻2 ”、随行波减阻2 引、微喷流减阻29 1 、高分子聚合物减阻3 0 1 、联合 减阻3 1 1 、电磁减阻、振动减阻3 引、泥沙减阻、微结构减阻、形体减 阻p u 等方面的研究，都是利用水洞装置或水池拖曳装置进行反复实验，验证 减阻效果。 以上所述装置大都结构尺寸较大、造价高、操作困难、实验条件难于模 拟、水池拖曳具有局限性。本次旨在设计能够避免以上存在的问题、并且能 够进行常规水动力学实验和可拖曳近实况的阻力测试实验装置。 1 3 本文主要研究内容 本文研究主要内容包括以下几个方面： l 、在水洞基础上，提出具有可拆卸式、能够进行常规水动力学实验和可拖 曳迸实况实验的减阻测试实验装置总体设计方案；实验模型安放于工作段腔体 两侧壁、实现壁面测试法功能。 2 、根据水动力学实验装置的结构特点，对减阻测试实验装置进行具体结 构设计，并利用二维、三维建模软件对减阻实验装置结构进行实体造型。 3 、对本装置工作段部分进行水动力学分析，建立适合本装置工作段的雷 诺数计算方程：建立不同流体状态下的速度模型，压强模型。 4 、利用g a m b i t 对工作段两侧壁安放不同实验模型情况进行建模、对其 进行细密网格划分，用c f d 相关软件f l u e n t 对工作段管路安放不同曲率实验 模型内部流场进行仿真分析，同时对壁面测试法和中心测试法进行仿真比较 分析，验证所设计的装置可行性。 7 j ， 哈尔滨l ：科人学硕+ 学何论文 第2 章减阻测试实验装置总体方案设计 减阻测试实验装置是一种能够进行常规水动力学实验和研究流体性能的 实验装置，其主要特点是拖曳装置可以在海水中进行近实况拖曳实验，即模 拟船在水中航行时的真实流场。本章根据减阻测试实验装置的设计要求，对 装置总体方案进行设计分析，为下一章具体结构设计提供理论指导。 2 1 减阻测试实验装置设计要求 减阻测试实验装置是在原有测试装置的基础上提出的一种新型阻力测量 装置。对本装置的设计需满足以下三点要求： ( 1 ) 具有可拆卸式结构，且结构简单、体积小、制作成本低、实验过程 操作容易、工作段区域调速范围广、流速高、流场容易模拟、实验周期短、 可在海水中进行近实况拖曳实验。 ( 2 ) 设计的可拖曳装置部分既可以在海水中进行近实况拖曳功能外，又 可以通过两端法兰联接在所设计的实验室内部阻力测试装置中，进行常规的 水动力学实验，实现在水中进行近实况拖曳实验、在实验室内部进行常规水 动力学实验的双重功用。 ( 3 ) 本装置实验模型安放在工作段腔体的两侧壁上，实现在两侧壁对模 型表面进行数据测量；实验模型可以根据需要设计出不同的表面外形结构和 不同表面粗糙度结构；测试系统安放在工作段两侧壁的密封箱内，要求对密 封箱进行严格密封。 2 2 减阻测试实验装置方案设计 根据减阻测试实验装置的设计要求，对可拖曳装置结构部分进行总体方 案设计。减阻测试实验装置部分主要包括收缩段、工作段、扩散段、测试系 统四个部分，如图2 1 所示的可拖曳装置结构简图。 可拖曳装置的工作原理是：工作时，将拖曳装置置于水池中通过牵引小 车进行拖曳，或在海上通过船舶对拖曳装置进行拖曳；当提供给拖曳装置一 定流速时，水流通过收缩段( 1 ) 进行整流调速后，提供给工作段均匀的水流； 实验模型( 7 ) 安放在工作段腔体( 2 ) 的两侧壁，通过密封套( 8 ) 密封，利 哈尔滨1 ：科人学硕十等：何论文 用卡压板( 3 ) 固定在工作段上面，防止水流进入工作段密封腔体内，工作段 腔体( 2 ) 左右端通过密封端盖( 6 ) 进行密封；水流最后通过扩散段( 9 ) 流 出装置。实验模型( 7 ) 的形状可以根据具体需要进行设计，在实验模型内侧， 在需要测试的点处排布着传感器( 4 ) ，用于对该点处的水流压力、流速等进 行测量。数据采集系统( 5 ) 和线路都安放在工作段的密封箱内，可以对多组 数据进行采集存储；待实验完成后，调出存储的数据进行具体分析。进行拖 曳实验时，拖曳装置部分需要安装外壳( 1 0 ) ，当进行实验室内部实验时， 不需要外壳( 1 0 ) ，应将其卸去。图2 2 为拖曳装置的截面图。 l23456789 1 0 9 哈尔滨i i 科人字：硕十等：何论文 减阻测试实验装置在进行实验室内部实验时，则将上述拖曳装黄通过法 兰联接在所设计的实验室内部阻力测试装置上，减阻测试实验装置既可以是 动力式的，也可以是重力式的。当装置为重力式时，由泵将低处的水泵入高 处，利用水的能量转换来获取工作段一定的流速，结构简图如图2 3 所示。 具体工作原理为：水泵将地面水箱中的水通过进水管路泵入到高位的水箱中， 高位水箱内安放有溢流板，溢流板使水箱中的水位保持恒定，多余的水通过 与高位水箱连接的沟槽流回地面水箱：高位水箱内插有的多孔阻尼板作为稳 流装置，用来消除通过水泵进入的水所引起的波动；水流经扩压段产生一定 的流速，流入整流网进行整流，在收缩段对流体进行加速，在工作段形成低 湍流度的均匀水流，提供实验所需要的测试环境；从工作段流出的水经扩散 段流出后流回地面水箱：如此反复循环流动。 图2 3实验室内部阻力测试装置结构简图 2 3 本章小结 本章根据减阻测试实验装置的设计要求，提出了减阻测试实验装置总体 l o 争 哈尔滨i ：种人学硕十学位论文 设计方案，并分别对减阻测试实验装置进行可拖曳实验的工作原理和实验室 内部阻力测试实验的工作原理进行介绍，为下一章的具体结构设计提供理论 指导。 哈尔滨1 i 科人学硕十学何论文 第3 章减阻测试实验装置结构设计 3 1 减阻测试实验装置工作段设计 3 1 1 工作段设计分析 算，则工作段的计算可按图3 i 来进行1 3 8 1 。 p i j ，乃 l ，少 一一一j 、r 。1 _ 一， 、 ! 一7一， l，么7 _ - 7 二一t - r - 一t- “ 若忽略工作段断面径向的流速，则工作段的纵向流速可满足下列方程1 冬：善：t 圪 ( 3 - 1 ) 办尺 7。 七，一一流线的曲率，即七圳= 丽d 2 r 喻，j ；溟i ：w 人硕十子：俯论文 方程( 3 1 ) 经过秋分变换可得 圪= c e x p l - 警( 引 ( 3 _ 2 ) 式中的c 为常数，c 可根据沿管流量q = c o n s t 和条件来决定。 在工作段管路壁的流速为 监：1 + 丝( 3 3 ) v4 式中：v 为工作段断面平均流速，m s j j ：罂：尼瑚 (3_4)dx 2 4 “ 在工作段顶部边壁的压强为 弓：r + 丝一丝一旯三丝一p 舭一竺丝 (352 22 r222 |uq 式中：咒工作段起始断面的压强，p a 虼工作段起始断面的流速，r n s 旯沿程阻力系数 令 k 7 = ( 异一只) i + p v 0 2 ，r o = ( e o 一只) 号p 咯 巧= 警侉素；联= 岳 代入( 3 - 5 ) 整理得 州8 _ 寺) 7 7 = 2 ( - k r ) 一寿以f ( 3 - 6 ) 根据( 3 6 ) 式，在已知，7 ( 善) 的条件下，就可以决定k 丁，即可决定管壁 的压强分柿。 一般在工作段的起始断面压强最低，如图3 1 所示。在工作段长度厶、 起始断面水力半径r 、起始段到工作段术端边壁的倾斜度f 一定时，如果管 路是光滑的，且在一定的疋下，则起始断面的最低空化数为 哈尔滨l ：程人学硕十学何论文 妒砌+ 寿) 式中：a 为一设定参数，口= ( 3 7 ) 旯沿程阻力系数 丁相对长度，t = 争 比 如果管路边壁加工不平整，局部粗糙度较大，则在管内势必产生波浪， 其振幅可表达为 肚翕( 1 - c o s 2 n ( 3 - 8 )2 r 、 ，7 式中：突体偏幅 ，波长 由于波浪引起的空化数k 的增量为 k = a 万2 争+ 4 ) ( 3 9 ) 尺、， 一般允许垒r 0 0 0 3 ，a k = 0 0 5 。 3 1 2 工作段结构设计 工作段截面做成矩形截面，截面尺寸为2 0 0 m m x 2 0 0 m m 。工作段分为工 作段腔体、实验模型、密封套、卡压板、密封端盖、实验模型联接架和实验 模型联接板几部分组成。 工作段腔体总体长度为8 0 0 m m ，两侧壁开有6 0 0 m m x1 0 0 m m 的矩形通 孔，安放实验模型。工作段整体结构是用两侧面的实验模型来封闭凹槽的， 为了避免密封装置密封凹槽引起的两面密封问题而导致流体泄漏，在凹槽端 口处加工出密封平台，使得密封效果更好。既实验模型通过密封套和卡压板 紧密安装在工作段腔体上。另外工作段腔体两侧面都有足够的密封空间来安 装传感器以及相关的测试仪器和线路等，同时矩形截面也使得实验模型的安 1 4 装更加简单方便。两侧法兰尺寸相等，为2 8 0 r a m 2 8 0 r a m 。工作段腔体三维 结构模型如图3 2 所示。 图3 2 工作段腔体结构 在工作段腔体两侧壁装有可方便拆卸、更换的实验模型，可根据不同的 实验模型试件，安装自动压力分布采集系统或其它测试系统。通过数据信号 采集器将采集的实验数据及时传送至数据采集设备，来测定装置内流体的流 速、流量、压力等，方型实验件的工作段使得安装测量更加方便。另外，实 验模型可以根据实际需要，来设计不同表面的外形结构，同时也可以模仿船 舶或航行器的局部表面的真实尺寸外形结构。实验模型上面的测试装置也可 以根据具体需要进行布置。实验模型结构的可更换性，测试装置的可重复使 用，增强了工艺的可靠性，同时也增强了工艺的统一性。图3 3 所示为实验 模型结构图。该实验模型的外形联接尺寸长为6 2 0 r a m ，宽为2 2 0 m m ；实验 模型可以做成小于等于6 0 0 n 2 m xl o o m m 的尺寸，最小尺寸只要能够满足在实 验模型内侧对压力传感器合理排布即可。 1 5 图3 3 实验模型结构 实验模型安放在工作段的腔体上之后，通过密封套对其进行密封，避免 实验过程中流体渗入工作段腔体两侧的密封空间，造成对测试装置的破坏以 及影响所测量数据的准确性。密封套的结构如图3 4 所示。 图3 4 密封套结构 密封板放置在实验模型上面时，通过卡压板上面的螺栓联接被卡压在工 作段腔体上，防止实验过程中流体的渗入。卡压板结构如图3 5 所示。 图3 5 卡压板结构 密封端盖用于对工作段腔体两侧壁进行密封。密封端盖共有两个，分别 1 6 安放在工 封端盖和 露进工作 图3 6 密封端盖 工作段两侧壁依次安装实验模型、密封套、卡压板后，在工作段密封腔 里面安放控制装置，测试装置，合理的布置测试电路，使得整个测试系统所 占用空间尽量小，最后通过密封端盖对整个侧壁进行密封。 对于结构特殊的实验模型，如曲面等，可以将实验模型进行简化，将复 杂的实验模型安装在实验模型连接架上，这样使得实验模型在使用中更加简 便。实验模型连接架如图3 7 所示。 图3 7 实验模型连接架 当实验模型尺寸较小时，为了使安装方便，设计出实验模型联接板，如 1 7 图3 8 实验模型联接板 l 1 实验模型联接架2 实验模型 图3 9 较大尺寸实验模型安装图 321 1 实验模型联接架2 实验模型联接板3 实验模型 图3 1 0 较小尺寸实验模型安装图 3 2 减阻测试实验装置收缩段设计 收缩段的设计是减阻测试实验装置设计中的关键之一，收缩段是进水管 到工作段之间的过渡部分，它的设计好坏将直接影响着工作段实验数据测量 的准确性p w 。 减阻测试实验装置收缩段设计采用水洞收缩段设计规则。收缩段曲线的 1 8 设计主要有两种方法：一方面是理论分析计算，即应用流体力学理论分析计 算，假定收缩段为空间轴对称的，探求理想不可压缩流体流动方程的精确解； 具有代表性的是萨诺扬曲线和钱学森曲线m 1 ，萨诺扬曲线采用级数形式，给 出了一般解；若对收缩段中心线上沿轴向的速度分布采取不同的函数形式， 则所得的解也不同：若取误差函数的形式，即可得钱学森曲线的解；若取双 曲讵切函数则得萨诺扬曲线的解。另一方面是通过经验性近似公式计算，即 设计收缩段曲线的方法是按经验性的近似公式来计算，收缩段曲线由两条修 j 下立方曲线联结而成。 3 2 1 收缩段分析 流体流经过收缩段至工作段过程中，总是希望一丌始流速分布即已均匀。 如图3 1 1 所示的收缩段图中，在进口截面1 1 的最大流速为k ，最小流速为 k ，在出口截面2 - 2 的最大流速为巧，最小流速为k 。 ，v i 、， v ： 一，、一2 ?_ 、 j 二：! 。、 j 、。一 1，i 。 ， 。一 一1 一 图3 1l收缩段简图 贝i j l - 1 断面的流速不均匀性可表示为2 糌2 2 断面的流速不均匀性 可表示为2 型。 + k 令截面上各点的压强均为常数，根据伯努利方程有如下关系 “一曙：丝 ( 3 1 0