海洋仪器设备垂直循环造流试验水槽系统设计.pdf

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1、第3l卷第4期2012年12月海洋技术OCEANTECHNOLOGYV01．3l，No．4Dec，2012海洋仪器设备垂直循环造流试验水槽系统设计路宽，王项南，熊焰，李彦，宋雨泽(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：海洋动力环境模型试验是海洋监测仪器设备和海洋能发电装置研制的重要过程和手段，是海洋环境监测技术和海洋能开发技术研究的基础。垂直循环造流水槽系统凭借其建设占地面积小及具有较长稳定段等优势，成为海洋仪器设备模型试验的主要实验平台之一。文中提出了垂直循环造流水槽系统的整体设计流程与计算方法，并进行了数值分析，为海洋仪器设备动力实验平台的建设提供了技术依据。关键词：海洋仪

2、器设备；垂直循环造流水槽；系统设计；数值模拟中图分类号：fr716文献标志码：B文章编号：1003之02912012)04—0005—05我国海洋资源丰富，开发和利用潜力巨大，在海洋开发的过程中，海洋环境监测、海洋能开发利用等高新技术的研究和发展是促进海洋可持续开发利用的关键环节。在海洋监测仪器设备和海洋能发电设备的研制过程中，实验室模型试验是重要的研究手段之一，通过试验可再现海洋动力环境，验证海洋监测仪器设备和海洋能发电设备的技术指标和环境适应性，为技术的发展提供科学依据，促进海洋高新科技研发成果的产业化进程。目前，循环试验水槽主要体现为两种工作方式，一种为水泵驱动，另一种为电机

3、一叶轮驱动的水平循环水槽。在高流速、大流量工况下，水泵驱动方式不仅消耗电机功率巨大而且易产生汽蚀，增加了试验成本；电机一叶轮驱动的水平循环造流方式，试验设施建设占地面积大，因此多为小型设施，规模小意味着稳流端短，试验区不容易形成稳定的流场，影响试验数据的真实。垂直循环造流水槽可以在高流速、大明确试验需求确定水槽工作段参数(流速、长、宽、高)确定水槽尺寸及基本部件布置流量工况下实现低功耗，同时减少试验设施建设占地面积，是一种非常具有发展前景的试验系统。1垂直循环造流水槽设计垂直循环造流水槽可根据以下流程图(图1)进行设计。1．1水槽工作段基本参数设计垂直循环造流水槽，首先是确定工作段

4、的设计流速。流速可根据实验对象的需求先确定缩尺比，再根据我国海洋实际情况，确定设计流速。设计流速确定后，就需要确定试验区的尺寸，为了使实验区有一个均匀稳定的流场，实验区的长度不宜过短，其长度一般为模型长度的3倍，常用AUV模型的长度一般在2—3m，因此实验段的长度取6-9m即可。海洋仪器模型实验应在无边界层影响的水流中进行，模型宽度不得超过水槽宽度的1／5，以AUV模型为例，其直图1水槽的设计流程图收稿日期：2012—04—28基金项目：海洋公益性行业科研专项经费资助项目(201005027)作者简介：路宽(1982一)，男，博士，工程师，主要研究方向为海洋监测动力环境试验模拟。电

5、动机、减速机与叶轮计算选型水槽槽道部件结构设计(管道壁厚设计、玻璃结构设计、共振校核等)6海洋技术第31卷径在0．3m左右，因此实验段的宽度应该在1．5Ill以上为宜。实验段的高度也有一定的要求，设实验模型的高为d，实验区的高应在4d以上为宜。1．2水槽尺寸及基本部件布置1．2．1水稽长度的确定水槽工作段确定以后，就可以根据水槽的功能确定整体尺寸。对于只具有造流功能的水槽，不要求很长，因为流体在经过整流段之后，流体的湍流度就基本满足要求了。但是目前的水槽多为波流混合水槽，根据《波浪模型试验规程》规定，造波板距模型的距离应该保持在7倍波长以上。1．2．2整流与导流装置的布置水槽一般装

6、有整流格和阻尼网，它的功能是将来流进行调整，大涡旋通过整流格切割成小涡旋，又将横向流动的水流导直。阻尼网作用是为了降低流体的湍流度。资料表明，西方一些国家的水槽整流段与工作段的长度比为l：1，有的甚至超过了工作段长度，整流的效果很好，如英国的NPL水槽的整流段就大于工作段，流体的流场均匀稳定，湍流度只有0．5％，而日本的一些水槽由于整流段比较短，流场的湍流度相对高一些，达到了2％左右。因此整流段应尽量长一些。存水槽的转角处应设置导流片，且导流片的布置应该科学，避免水流的分离。1．2．3消波装置的布置水流的运动，会使自由表面产生波浪，特别是流速超过1m／s时，水面就会产生明显的波动，

7、对实验造成很大的影响。为了避免这种表面兴波，要满足弗汝德数小于O．55，同时，需采用被动消波的方法，即在水槽的末端安装消波板，消波板的角度最好可以调节，且板上需要布置格栅，以最大程度地消除波浪的影响。对于具有造波功能的水槽，可同时采用主动消波的方法，来消除二次反射波的影响。1．3水槽能量损失计算由于流体粘性的影响，流体在流动时会产生阻力，克服阻力就要消耗一部分机械能，造成能量损失。单位重量液体的能量损失称为水头损失。水头损失的正确计算，在工程上是一个极为重要的问题，直