致谢 .37

参考文献.............38

1 绪论

1.1  水洞的简介

水洞是水动力学实验的一种设备，可用来研究边界层、尾流、湍流、空化、水弹性等现象，以及水流与试验物体之间的作用力，是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统。

1754年，莱昂哈德·欧拉（Leonhard Euler）在研究水轮机理论时指出“水管中某处的压强若降到负值时，水即自管壁分离，而该处将形成一个真空空间，这种现象应予避免”[11]。19世纪后半叶，随着蒸汽机船的发展，人们发现当螺旋桨转数提高到一定程度时反而会使航行速度下降，在1873年时雷诺（O.Reynolds）解释这种现象是由于螺旋桨上的压强降低到真空时吸入空气所致。1897年巴纳比（S.W.Barnaby）和帕森斯（C.A.Parsons）因英国“果敢号”鱼雷艇和几艘蒸汽机船相继发生螺旋桨效率严重下降事件，正式提出了“空化”的概念，并指出在液体和物体间存在高速相对运动的场合可能出现空化。20世纪初，在水泵和水轮机中也相继出现了相同情况。20 世纪30 年代高坝的泄水建筑物上也发生了空蚀破坏，因此美国托马斯(H.A.Thomas)于40 年代设计并制造了减压箱，在减压条件下研究泄水建筑物的空化问题。到目前为止，在船舶、水利工程及水利机械方面对于空化问题的研究依然具有很大的意义。

研究空化初生现象以及空化的各个发展阶段，目前主要是通过理论分析和实验研究两种手段，实验研究包括原体观测以及模型试验。

    原体观测，不存在尺度效应问题，能准确的反映真实情况。但是由于成本所限，有些工况不易出现，测量精度难以保证，空化现象也不易观测，很难得到满意的试验结果。

而相比原体观测而言，模型试验研究成本较低，工况多种多样，对于空化初生现象以及空化的各个发展阶段的特性及变化可以详细的拍摄记录下来。由于尺度效应以及其他影响因素，模型试验结果不能准确的反映原体的空化特性。但它作为一种研究空化现象的重要手段，在国内外都得到了广泛的应用。

循环水洞是最早用来进行空化研究的装置之一。由于水洞中产生的空化类型与模拟对象中产生的空化类型相似，并且水洞中的流速、压力、温度和含气量，可以精确的测量和调整。因此，到目前为止，它仍是研究空化特性和材料抗蚀特性能力的重要设备。

水洞的缺点是设备体积大，造价高，试验周期长。1896 年C.A.帕森斯建立了界上第一个研究空化的小型水洞，该水洞为铜制，全长1m，工作段为15cm2，用闪频观测器观察空化现象。目前，世界上近三十个国家已建成二百多座不同类型和规模的水洞。以水洞规模而言以前苏联列宁格勒Крулов-3 水洞的断面为最大，其断面为1.3m×1.3m，速度为15m/s;以美国宾州大学超高速水洞的流速为最大，其速度为l09m/s，断面为φ=0.04m，以美国大卫.泰勒(David Taylor)模型水池的水泵功率为最大，其功为2574.25kw，断面为φ=0.91m，最大流速为25.7m/s。我国于1957 年在上海建成第一座水洞，用来研究船舶问题。

水洞（water tunnel）可以分为多种型式，按其工作特性可分为：

（1）可调压的无自由水面的水洞。通常以水作为工作液体，在工作段内可放置模型，水绕流该模型以模拟物体在水中的运动。这种水洞可用来研究潜体、鱼雷、潜艇、螺旋桨、舵以及水力机械转轮等的空化现象。

通常水洞的洞体为以闭合管道，定量的水体由水泵驱动，循环运转，在工作段中可产生所需要的流速；试验中流速和压强可以调节控制。