立式循环水槽系统及配套试验设备的设计与研制李泽

立式循环水槽系统及配套设备的设计与研制交融天下建者无疆1、开发背景1、研发背景Contents目录2、研究内容及方法3、主要技术创新4、成果水平及效益1.研发背景立式循环水槽是专门从事流体力学研究、船舶推进器性能研究以及操纵性研究的重要试验装置。其原理为，通过推进器驱动水体在水槽内做高速循环运动，从而获得高速水流试验条件。主要优点：1）试验时间不受限制；2）可以对模型周围流场进行仔细的观察和摄影3）造价相对拖曳水池低，建设周期短。1.1循环水槽1.研发背景英国、德国、瑞典、美国和日本都建有循环水槽，其中以日本数量居多，目前已建有六十余座，这与日本的超级造船生产能力相关。而我国仅有哈尔滨工程大学等四五家科研院所拥有循环水槽，差距较大。1.2发展现状1.研发背景我部门专门从事水工模型试验研究，在模型试验技术研究、计算机仿真数值模拟、试验仪器设备设计与研制方面具有丰富的经验。此次，我部门抽调相关专业技术人员，组建课题组，旨在依托“鲁东大学循环水槽及配套设备研制”项目，聚集、培养优秀科技人才，发展、提高水工研究所的试验仪器设备研制水平，推动国内立式循环水槽研制技术研究的发展，增强水工研究所的市场竞争力和自身发展能力。1.3项目背景1、开发背景Contents目录2、研究内容及方法3、主要技术创新4、成果水平及效益2、研究内容及方法2.研究内容及方法2.1基本部件设计立式循环水槽是一个闭合的循环系统，水体在槽内高速运转。主要包括：1）试验段2）拐角段（四个）；3）收缩段4）整流段5）扩散段2.研究内容及方法2.2功能部件设计立式循环水槽的运转需要多种功能部件的协调工作，是一个复杂的试验系统。主要包括：1）消波装置：水在水槽中做循环运动，在试验段的自由表面会产生一种波峰和波谷的位置固定的波，称之为驻波，其波长和波高随流速变化而变化。2.研究内容及方法2.2功能部件设计2）拐角导流片：立式循环水槽中，水流要经过四个90度的转角及导流片来实现试验段的水流均匀稳定。水流实际在槽体内做了360度的圆周运动。本次立式循环水槽的设计采用机翼剖面型。2.研究内容及方法2.2功能部件设计3）真空除气装置：高速水体易掺气，严重时形成“乳白色水体”，需要设置真空除气装置。水流流过拐角时，气泡将会在翼型导流片的尾流区相对集中，在第一、第四拐角处安装了自动除气装置，用于形成真空环境，析出掺混在水体中的气泡。真空除气2.研究内容及方法2.2功能部件设计4）表面加速器：工作段表层水体受空气影响，流速偏低，需要利用表面加速器进行加速。采用交流变频电机驱动，转子转动时带动间隙中水一起转动，并从下面开口的切水板部位甩出去，加速前面水流。2.研究内容及方法2.2功能部件设计5）远程遥控系统：通过远程遥控系统可以控制循环水槽的各种工作状态，传统试验室内操作循环水槽至少需要3-5人，然而，通过开发远程遥控系统，大大提高了操作的自动化程度，仅需1人操作即可，节约了试验成本，为试验人员带来了极大的便利。2.研究内容及方法2.3驱动系统设计驱动系统是循环水槽的心脏，直接影响造流能力和造流质量。传统驱动系统形式：电机外置。通过很长的驱动轴，驱动槽体内的叶片旋转，推动水体，这种方案的弊端在于驱动轴过长，容易受偏心影响，引起机械损坏、连接件漏水、震动剧烈等问题电机外置2.研究内容及方法2.3驱动系统设计驱动系统是循环水槽的心脏，直接影响造流能力和造流质量。新型驱动系统形式：电机内置该项创新很好的解决了上述问题，且为国际首创。例如上海交大购买的日本公司设计的循环水槽仍为电机外置形式。电机外置2.研究内容及方法2.3驱动系统设计驱动系统是循环水槽的心脏，直接影响造流能力和造流质量。本次选用的推进装置其叶轮安装在电机的转子内腔，与转子形成一个整体，转子相当于水泵的叶轮外壳，使电机的无效部分变成工作部分。同时，设计人员对水泵的流量曲线进行了有针对性的优化，最终在8m长、2m宽的试验段实现了水流流速由0.02m/s到2m/s的平稳连续变化。2.研究内容及方法2.4流体力学仿真模拟由课题组专业技术人员对设计方案建模，发挥水工研究所强项，进行流体力学仿真模拟，并根据结果做进一步优化。2.研究内容及方法2.4流体力学仿真模拟利用流体力学仿真软件对初步设计的立式循环水槽进行仿真模拟计算，主要对流道特性进行进一步的优化。包括：1）第一拐角内水体掺气来源于试验段出口，因此将试验段出口束窄，减少气体进入量。2）第一拐角内拐角导流片优化。3）第一拐角槽体角点高程提高，有利于提高该区域水体真空度，该位置处的真空除气装置工作效率可进一步提高。2.研究内容及方法2.5结构强度设计循环水槽构件的结构计算包括四部分：（1）槽道主体计算；（2）加强筋的设置；（3）试验段玻璃结构设计；（4）水槽固有频率计算。经检验，该方案立式循环水槽共振周期大约在流速1.7m/s附近，且共振现象不明显，设计合理1、开发背景及需求Contents目录2、研究内容及方法3、主要技术创新4、成果水平及效益3、主要技术创新主要技术创新：利用流体力学仿真软件对循环水槽流道进行优化计算，并对造流驱动装置的流量性能曲线进行优化，最终在8m长、2m宽的试验段实现了水流流速由0.02m/s到2m/s的平稳连续变化，经设备使用方测定，在各试验流速条件下，试验段流速精度均控制在3%以内。4、主要技术创新主要技术创新：与国内外已有循环水槽相比，首次选用电机内置式造流泵作为驱动装置，有效的解决了传统方案中驱动轴过长，易受偏心影响，引起机械损坏、连接件漏水、震动剧烈等问题。该项创新对推动国内外循环水槽研制技术的发展具有重要意义。4、主要技术创新主要技术创新：设计研发了自动除气系统、远程遥控控制系统，大大减轻了试验设备的操作难度，试验操作人员由4-5人缩减为1人，同时自动化控制的高效性也有利于提高工作段流场质量。4、主要技术创新1、开发背景及需求Contents目录2、研究内容及方法3、主要技术创新4、成果水平及效益4、成果水平及效益立式循环水槽是研究基础流体力学、船舶流体力学、海洋工程等热门领域的重要试验设备，在日本就有多达60多座立式循环水槽，然而我国国内仅有4~5家科研院所拥有该套设备，且绝大多数为上世纪90年代建造。我院依托“鲁东大学循环水槽及配套设备研制”项目，调配各相关专业技术人员，对立式循环水槽试验