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旋转式高速水洞设计开闭叶片自动机构设计(2)
1.2 高速水洞试验背景
1.2.1 水洞的定义
水洞,用水作为工作介质的流体力学实验设备,主要用于流态观察。高速水洞是从事水下航行器流体力学研究的大型基础实验设备,然而,多年来高速水洞实验室一直作为专业实验室使用,在学生创新能力培养方面的潜在价值未被充分发掘。然而在大量的资料查阅过程中,我深入的去了解旋转式高速水洞的结构组成,水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环
系统
。水洞的试验段截面有圆形的、方形的,也有矩形的。同拖曳水池正好相反,在水洞中移动的不是试验物体,而是可控水流。水洞的运转性能类似亚声速风洞,只是试验介质不同。最早的水洞是英国C.A.帕森斯于1896年建造的(如下图1.1
图1.1 水洞示意图
总体简而言之,水洞试验装置可以分为三个部分:能源装置——驱动装置——流质载体。而本实验所用的能源装置是驱动电机,带动流质
运动的是叶片,所用流质载体是普通的水。本试验装置设计后,亦可以称为透平
机械
的一种。都是由叶片带动载体,进行不同能量之间的转换。
1.2.2 水洞试验的特点
完整的水洞试验有压力调节系统。水洞上游顶部的密闭箱中有自由水面,水面上有空气,与真空泵连接。抽出空气时,可以降低试验段中的压强,也可以增加试验段中的压强。水洞有去气系统,以减少水中的空气含量;水通过管路进入去气塔,去气后回到水洞。水洞的过滤系统使水保持清洁。水洞的控制系统调控水流速度和压力,并且调控测试系统和数据处理系统等。
水洞可以是非循环的,即利用有一定水位高度的水库或水箱,放水流入管道的试验段做试验。这类水洞称为自由落体式,缺点是水速变动幅度受到限制;优点是水洞的背景噪声很小,湍流度低,适于做噪声试验和流态显示试验。
水洞还可做成带有自由液面的,其试验段的截面为矩形。这种水洞可以做物体位于自由面附近的模拟试验。有的国家把这种水洞做得相当大,可用来做船体和螺旋桨组合体的试验。目前世界上最大的水洞在联邦德国柏林水工和造船研究所。它有自由液面;试验段截面5米×3米,长10米;洞中心高10.5米;最大水速12米/秒。
制造高速水流(例如进行空蚀和空化机理研究时水速要大于40米/秒)需要很大的功率,所以高速水洞的试验段截面都很小,直径为30~40毫米。这种循环水洞有人称为文丘里环。
试验水泵、水轮机等水力机械用的水洞,其试验段大多为直立式,以适于装设翼轮模型。这类水洞,通常称为空化试验台。
有的物体处于其他物体的尾流中,例如螺旋桨处于船后的尾流中,可以在收缩段前部装设专用的网格,模拟尾流。近年来还在试验段中安置船尾模型,产生尾流。
进行螺旋桨试验,要在试验段的上游或下游装一根与洞体外部电动机相联的轴,在试验段内的轴端上安装螺旋桨模型。可以在洞体外部的轴上安装力矩仪、推力仪和转速仪,也可以在试验段内安装压力传感器、天平以及空化的声学观测仪器,测量定常压力、脉动压力、各种力和力矩并确定空化起始条件和各种发展形态等。
1.3 自动控制结构的探讨
当前自动控制在社会生产和实际运用当中是十分流行的。现行的自动控制方法是随着现代应用
数学
新成果的推出和
电子
计算机的应用而产生的。现代控制理论主要研究具有高性能,高精度的多变量变参数的最优控制问题,主要采用的方法是以状态为基础的状态空间法。目前,自动控制理论还在继续发展,正向以控制论,信息论,仿生学为基础的智能控制理论深入。
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