旋转式高速水洞设计动潜体式旋臂系统设计(5)
(2)对动潜体式旋臂系统进行受力分析，计算受力状况；
(3)对动潜体式旋臂系统的功能设计，根据功能进行初步的结构设计；
(4)通过分析计算，设计出动潜体式旋臂系统的具体结构；
(5)对动潜体式旋臂系统进行有限元分析检验其设计结果；
(6)旋臂系统总体设计；
(7)绘制工程图。
2 动潜体式旋臂系统的结构设计
2.1 运动分析
图2.1 旋转式高速水洞初步简图
水洞是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。可用来研究边界层现象、尾流、湍流，特别是气蚀，水弹性现象和自由液面现象，以及水流与试验物体之间的作用力。因此在实验装置的设计过程中，我们要重点设计能够使试件与水之间形成一定相对运动速度的实验装置，并且使这一装置能够承受水与试件相对运动时产生的冲击与压力。并且使整个装置一直处于稳定的状态之中。
本课题所研究的旋转式高速水洞与传统水洞在结构形式上有明显的差异，主要体现在，本课题所涉及的旋转式高速水洞采用环形水池结构，如图2.1所示，虽然其结构尺寸非常巨大，但是结构形状却相对简单，有利于对其旋臂系统的运动与受力进行进一步的分析。而其利用水与试件之间产生相对运动，从而达到所要求的相对速度。这种相对速速的产生在旋转式水洞上有两种实现形式：（1）水运动。在环形水池中，使用3——5个叶片对水进行搅动，使水运动起来，而试件不动；（2）试件运动。在环形水池中，用一个旋臂，带动试件在水中运动，而水不动。
本课题所研究的主要是基于第二种相对运动而设计的动潜体式旋臂系统。由于水是保持相对于实验装置不动，而试件在旋臂的带动下运动。本课题要求旋臂的旋转直径达到10m，而试件与水之间的相对速度则要达到30m/s，因此设计过程中，我们必须要求旋臂能达到1n/s的转速旋转。这就要求动力系统部分的设计的同学能达到这一要求。
而旋臂带动试件运动过程中势必会带动水的运动，尽管这个带动的水速不会很大，但是试件与水之间的相对速度势必会受到影响，如此两者间的相对运动速度可能就没法达到课题要求的30m/s。因此在整个旋转式高速水洞设计的整体设计过程中必须考虑到这一点，使水保持禁止不动或则说尽量减小水的流动对实验装置的影响。
2.2 旋臂系统受力分析
水洞的发展与流体力学研究同步进行。而本课题所涉及的实验装置研究涉及到流体动力学的研究。流体动力学运用动力学的观点研究流体运动的问题，把流体运动与引起运动的原因联系起来。它从牛顿定理出发，建立流体动力学的基本方程，并且进一步研究流体流动的速度与压力的关系，即作用于流体的力与流体运动的关系[25]。
由于本课题初步要求的试件为直径100mm，长度500mm的圆柱体，因此水流体与试件接触过程中，可以认为流体流动的截面是等截面的。我们可以把流体流动看成是延其垂直截面上半径相同的各点的流动产v、p、ρ等均相同的一元流动。
我们计算试件在水中的受力状况时，同时还得考虑到流体流动的两种状态：层流和湍流，以及两者造成的不同沿层损失和局部损失的计算方法。
这里我们引进雷诺数这一无量纲量来区别层流到湍流的过度。
(2.1)
Re称之为雷诺数，ν为流体运动粘度，其中水的运动粘度为1.007×10-6。雷诺数有一定范围，雷诺数介于12000~13000时称为上临雷诺数，2320为下临雷诺数。工程中把大于2320时的状态称之为湍流。
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