旋转式高速水洞设计动水式旋臂系统设计(2)
动水式水洞要求实验物体不动，因此我计划用旋转的叶片带动环形水槽中的水来达到可控水流的效果。由于实验物体的截面很小，任何微小的变动都会影响整个实验结果的可靠性，因此需要有自动控制系统来保证试件不受到干扰。我们要设计的这个水洞系统包含提供动力的发动机，旋转臂，带动水流的叶片，自动控制机构，还有一些支撑构件。本论文主要包括旋转臂和旋转叶片的设计以及旋臂系统的稳定性分析。
旋转臂的设计，考虑到转动过程中的受力，在参考了流体力学的知识之后，对该模型进行了简化，忽略了水体的摩擦力仅考虑叶片在转动过程中前后面的水流压力差，根据材料力学的知识对叶片和旋转臂做了详细的受力分析与强度校核。在有了以上这些分析之后计算出具体的尺寸，应用autocad2012并根据计算的尺寸绘制出零件图和装备图。
2 设计要求
2.1 技术设计要求
(1)旋转直径：10m
(2)试件直径：<100mm
(3)每秒旋转一周，水流速度稳定在30m/s
(4)旋臂和叶片结构原理设计
(5)分析计算
(6)绘制工程图
2.2 功能设计要求
(1)获得比较平稳的水洞环境
(2)试件在水洞中能够顺利地完成测试
(3)旋臂在高速旋转中的强度刚度要满足
(4)叶片在搅动水流的过程中满足一定的强度刚度
(5)各零件之间不会出现干涉
(6)叶片有一个自动开闭式结构
(7)旋臂和叶片的使用寿命
3 设计要求分析
3.1 结构要求分析
3.1.1 水池结构分析
已知稳定流速的水流是由旋臂带动叶片转动而产生的，旋臂的直径是10m，我们需要一个回转圆形结构，因此选择一个环形水槽，将叶片放置在环形水槽中搅动水流从而获得稳定流速的水流。经过讨论我们选择1m长0.8m深的水槽，这个数据在下面的计算中会用到。
3.1.2 旋臂结构分析
旋臂梁是一个传力装置，因此它需要很好的强度和刚度才能达到传力的作用，在转动过程中主要受到水平面的水的阻力。通过查阅书籍我们知道，在截面面积相等时，矩形、圆形、工字钢、槽钢这几种截面的梁中工字钢的抗弯强度更高，因此我们选择工字截面旋臂梁。
3.1.3 叶片结构分析
已知的设计半径是5米，而旋转速度是2π/s，这是一个比较高的旋转速度。叶片在水槽中运动要受到摩擦力以及水流的阻力，引次叶片的强度和刚度需要特别注意。为了带动水槽中的水流，将叶片整个拦截在水槽的截面中，即叶片是一个尺寸大约为1m*0.8m*0.02m的厚壁钢板。
3.2 功能设计要求分析
3.2.1 获得稳定的水洞环境
试件的直径只有100mm，细微的变动都会影响实验的可靠性，因此需要一个稳定的水流环境。这样就需要一个动力强劲、运转平稳的发动机。在转动过程中旋臂梁和叶片也不能有颤抖和较大的弯曲变形，因此需要对旋臂梁和叶片的强度刚度进行校核，选择合适的尺寸。叶片在高速旋转的过程中，需要叶片在经过试件固定的位置时进行自动打开和闭合，以此实现自动开闭式的目的。叶片在高速旋转的过程中是不能接触试件，一旦接触，那么在很高很快的冲击下，必定叶片和试件都会产生很严重的后果。
3.2.2 避免零件之间的干涉
所谓机械干涉，通俗的说就是在设计过程中，由于没有周全地考虑各个部件的互相形位关系，而导致在运转过程中发生各个部件的碰撞，造成不可避免的机械损伤。
避免干涉的措施只能从基本的设计开始，周全细致的考虑各个部件的运动关系。本次设计实验当中容易发生干涉的地方就是叶片与水池壁，叶片与试件，叶片在运动过程中与其他设计的部件产生干涉。所以避免干涉的方法，就是从设计开始注意叶片的设计尺寸，可以以叶片的设计尺寸来进行其他部件的尺寸设计。综合进行不断反复的尺寸校核，这样在每一步设计当中进行校核就可以保证设计尺寸不会互相发生干涉。