实验流体力学-第三章流体力学实验设备简介

第一部分实验方法概论内容第一章绪论第二章基本理论和方法第三章实验设备2水动力学设备空气动力学设备多相流体力学设备地球流体力学设备环境流体力学设备生物力学设备低速风洞跨声速风洞超声速风洞实验设备第三章实验装置3一、低速风洞、水洞原理：定常、不可压、伯努利方程，连续性方程。第三章实验装置4自由降落式水洞收缩段稳定段实验段5回流式水洞6柏林-米特尔区水洞拖曳式水槽8拖曳水池常规实验类型•船模阻力试验•螺旋桨敞水试验•船模自航试验•流速仪检定试验•沉管拖曳沉放配备了造波机的拖曳水池•船舶耐波性实验•波浪发电•海洋平台设计•防波堤消波消浪旋臂水池示意图11波浪水池12主要功能•试验测定模型作圆周运动时的水动力特性（与拖曳水池只能走直线对比）•广泛用于水面船舶和各种潜水体（如潜艇、鱼雷、水下发射的导弹等）的水动力研究上海交大风浪流水槽主要性能指标：尺度：50(L)×0.8(W)×1.2m(H)造波能力：最大波高为40cm造流能力：最大流速（在45cm水深时）为20cm/s造风能力：最大风速（在最大水深时）为20m/s14上海交大海洋工程实验水池•上海交通大学于1992年建成国家重点实验室——风浪流水池。海洋工程水池是上海交通大学海洋工程国家重点实验室的主体。水池的主要尺度为50m×30m×6m。可以模拟风、浪、流各种海洋环境并能任意改变水深。最大波高可达0.6m；造流系统能产生最大流速为0.2m/s；造风系统能产生的最大风速可达10m/s。水坝设计•低水头的水流溢流现象十分复杂，如果坝面设计的不好，会导致水面漂浮的污物无法排走16河床侵蚀试验•Inmanysituationsitisthecomplextwo-orthree-dimensionalflowinanopenchannelthatisofinterest(asopposedtouniformchannelflow).Suchflowsareoftenverydifficulttoanalyzetheoretically.U.S.ArmyEngineerWaterwaysExperimentStation.17适航性水池•主要性能指标：水池主尺度：长69m，宽46m；水深：4m；拖车：最大速度4m/s。•常规试验项目：舰船波浪中水动力测量。•船舶以及海洋结构物波浪中运动特性测试系泊、靠泊系统的运动、受力（包括缆绳拉力、护舷碰撞力）测试702所18适航性水池•主要测试设备：6自由度非接触运动测量系统浪高仪、陀螺仪、加速度传感器、压力传感器等•大桥：水池南北向架有一座长78米钢质大桥，可绕水池中心旋转45°造波机：规则波最大波高可达0.5米，周期0.5～5秒；不规则波有义波高0.5米，最大波高可达1.0米；波向角0°～180°•主要应用方向：•适航性水池实验室主要从事舰船、海洋工程装备等波浪中运动性能理论研究、实验测试及优化。深水拖曳水池•主要性能指标：水池主尺度：474(L),14(W)，7m(H)拖车车速范围：0.01～20m/s造波机：频率0.3～1.2Hz，•波高250mm•主要应用方向：•深水拖曳水池实验室主要从事舰船等各类水中运动体水动力特性理论研究及实验测试，广泛开展流场分析、船舶性能预测、水中运动体型线优化等工作。702所20深水拖曳水池•常规试验项目：阻力试验(含高速滑行艇、气垫船、水翼艇、水上飞机、地效翼船、水下模型);•自航试验（单桨及多桨船）;敞水试验（常规及导管组合桨）;流场测量;三维流场测试;船体波形阻力测量;顶浪状态的波浪试验和外载荷实验;海洋工程、水下机器人潜水训练以及基础水动力学试验研究;•精密测速仪及测压传感器的标定.702所21循环水槽实验室•主要性能指标：试验段尺度：10.50(L)×2.20(W)×2.00m(H)压力：10～400kpa水速：0.80～15m/s速度不均匀度：＜1.0%空泡数：0.07(水速15.00m/s，顶部压力10kpa)702所22循环水槽实验室•常规试验项目：水动力和脉动压力测量（均匀流场和非均匀流场）噪声测量空化起始测试速度分布测量流态显示•主要应用方向：主要从事水面舰船、水下物体及附体的水动力、噪声和振动等方面的试验研究。702所23旋臂水池实验室•设施主要性能指标：水池直径48m，水深4.5m旋臂最大旋转角度为1rad/s•常规试验项目：舰船操纵性水动力性能测试•主要应用方向：•主要从事舰船、水中兵器及潜水器操纵性理论及试验测试，广泛开展针对各型水中运动体的操纵性性能预报。702所24空泡水筒实验室•设施主要性能指标：试验段：直径0.8m，长3.2m水速范围：3～20m/s变压范围：8～400kPa最低空泡数：0.15•主要应用方向：主要从事舰船、船用推进器、水中兵器等水中运动体水动力特性研究与试验。同时广泛开展各类船桨设计及性能优化工作。702所25空泡水洞CavitatingpropellerinawatertunnelexperimentattheDavidTaylorModelBasin26潮汐流宽水槽主要应用方向：模拟不同的地形与潮汐流流动,如河道、港口和近岸工程中潮流的作用与冲刷效应的研究主要性能指标：升潮能力：（水深16cm时）最大水位升速为0.22mm/s。造流能力：（在16cm水深时）最大流速为45cm/s。27船舶结构实验室•设施主要性能指标：最大试验静负荷±15000kN最大试验动负荷±2500kN（1套）•常规试验项目：结构件强度静拉伸试验结构件疲劳试验结构件刚度试验结构件极限载荷测试•主要应用方向：船舶结构实验室主要从事建/构造物结构强度、刚度、稳定性、疲劳等方面的理论研究、结构模型和实体试验测试及优化工作。702所28空泡水筒实验室•常规试验项目：推进器空泡试验;船体诱导脉动压力测量;调距桨的叶片转叶力矩测量;对转桨、导管桨及节能推进器的性能和空泡试验;螺旋桨、轴支架与舵组合体的空泡试验;用LDV测量螺旋桨周围的速度场;用LDV测量叶剖面的环量;轴流泵试验;水翼试验;噪声测量;702所29水下工程结构实验室•主要性能指标：最大工作压力90兆帕最大筒径3.2m最大筒深8m•主要应用方向：主要从事潜艇、潜器等各类水下建/构造物水下结构强度、刚度、稳定性、密封性等方面的理论研究、结构模型和实体试验测试及优化工作。702所30水下工程结构实验室•常规试验项目：结构件耐压静压力试验结构件极限载荷测试结构件刚度试验结构件动载荷试验结构件密封性试验结构件疲劳试验702所31蛟龙号深水水下机器人一、低速风洞、水洞原理：定常、不可压、伯努利方程，连续性方程第三章实验装置注意问题：风扇作用，扩散段作用，能量比。常数AVVpp202134单回流式低速风洞扩压段风扇调压孔实验段蜂窝器、阻尼网导流片35直流式低速风洞36扩压段风扇调压孔实验段蜂窝器、阻尼网风洞能量比拐角37问题：1.试验段气流的动能来自何方？2.风扇的作用是什么？（1）消耗了电能获得了动能；（2）由压力能转化为动能。（1）增加气流速度（2）增加静压（3）增加能量风洞能量比38结论：•风洞试验段内的动能来自压力能。•风扇的作用是给气流提供能量，提高总压，克服损耗。------损耗表现为总压下降。风洞能量比39（1）能量损失•单位体积流体的总机械能＝压力能+动能•能量损失P0=P01-P02压力损失系数，水力学定义：Pi=Ki0.5V2i(等截面)风洞定义：P0i=K0i0.5V2T(变截面)TTiTTTiiiTiiiiiAVKVAVKVAVKVApE3020200212121•单位时间内第i段能量损失（功率损失）：风洞能量比40iK0TTAV321---------各段压力损失系数之和--------单位时间通过实验段气流动能TTiiAVKEE3021•整个风洞功率损失：风洞能量比41•气流在风洞管道内流动时必然有能量损失。这种损失来自几个方面：一是气流与固壁、拐角导流片、蜂窝器以及实验模型之间摩擦引起的；二是气流在壁面分离，引起旋涡、紊流等引起的；三是在直流式风洞中，气流从扩散段排入大气，其动能损失引起的；在开口实验段中，射流也会引起能量损失。风洞能量比损失的能量全部由动力系统通过风扇提供。当然，动力系统本身和风扇也存在一个效率问题。42风洞能量的估计中大风洞功率估计风洞特性实验段型式开口最大速度65m/s直径0.5m实验段0.0434扩压段0.0511蜂窝器0.05紊流网0.0307收缩段0.0062收缩比9总损失K00.209444NASA风洞群动力段47低速风洞发展史•1871年（英）温罕姆0.46X0.4618m/s•1901年（美）莱特兄弟0.56X0.5612.2m/s•1902年（俄）儒科夫斯基0.76X0.769m/s•1907年（德）普朗特1.839m/s•1914年（法）艾菲尔2.1339.5m/s•1917年（德）普朗特2.2835m/s•1928年（美）变密度1.52530m/s•1933年（美）全尺寸18.3X9.132.7m/s•1980年（美）全尺寸24.4X12.2150m/s•36.5X24.450m/s48风洞类型低速风洞承担的研究内容十分丰富，对应各种具体的研究领域，已经发展了形式多样的特殊用途的低速风洞。有研究型、生产型、非航空型等下面介绍其中几种形式的风洞：49环境风洞是用来研究建筑物风载，污染大气扩散等现象的大型设备。这种风洞实验段一般都比较长。在实验段入口采用各种人工加厚边界层的方法，产生很厚的边界层用以模拟大气边界层。环境风洞其它型式的低速风洞50低速风洞•主要性能指标：试验段：截面为3.0m×3.0m去八角形，长8.5m风速范围：3~93m/s连续可调•常规试验项目：水动力/气动力测力试验舵铰链力矩试验三维流场特性测试表面流态显示试验表面压力/动态压力试验风/流载荷测试试验风/流致振动测试702所51低速风洞•主要应用方向：主要从事各型潜艇、潜器、水中兵器、水面舰船、水上飞行器等的水动力/气动力特性研究与试验，同时广泛开展海洋工程、建筑、桥梁及其它大型结构物的风/流载荷、风/流致振动等研究与试验。702所52低速风洞•主要性能指标：单回路闭口低速风洞,•试验段横截面为3m×3m的四角圆化正方形，长12m。•气流速度可从10-100m/s进行无极调节，流场品质极佳。701所53汽车风洞•汽车风洞式专门为了研究汽车的稳定性、升力、阻力、噪声、污染、散热和风档刮水器等而建造的。•汽车风洞能模拟雨、雪、雹和太阳辐射，并安装有天平测量升力、阻力等。•风洞底板是可运动的，能模拟汽车和地面之间的相对运动。其它型式的低速风洞54低速风洞常规试验项目:单行器模型测压、测力试验；操纵舵铰链力矩试验；飞行器动态与大攻角试验；飞行员弹座舱试验；外挂物投放与多体分离试验；折叠翼展开过程试验；喷流干扰与直接力模拟试验；颤振试验；旋转模型试验；飞行器、建筑物等地面风载和地效试验；降落伞等阻力器性能试验；高速车船模拟试验；体育运动器械和径赛运动员气动特性研究；流动显示试验。701所55垂直风洞•模拟降落伞飞行•飞行员可以改变姿态，获得升降的效果。56这种风洞主要用来观察各种流谱。一般尺寸比较小，采用直流式。在风洞外安装有发烟装置，发烟器中用电阻丝加热矿物油，产生的烟流用排管从稳定段或实验段入口引入。实验段有观察窗和照明装置，可以直观地观察到模型周围的流动现象。烟风洞内一般气流速度很低。烟气流烟风洞其它型式的低速风洞57高速风洞•JF-8A激波风洞炮风洞•实验马赫数6.5-15试验时间20-30毫秒喷管出口直径800毫米