實驗流體力學(xué)-第三章流體力學(xué)實驗設(shè)備簡介

1、第一部分 實驗方法概論內(nèi) 容第一章 緒論第二章 基本理論和方法 第三章 實驗設(shè)備2水動力學(xué)設(shè)備空氣動力學(xué)設(shè)備多相流體力學(xué)設(shè)備地球流體力學(xué)設(shè)備環(huán)境流體力學(xué)設(shè)備生物力學(xué)設(shè)備低速風(fēng)洞跨聲速風(fēng)洞超聲速風(fēng)洞實驗設(shè)備第三章 實驗 裝置3一、低速風(fēng)洞、水洞原理：定常、不可壓、伯努利方程，連續(xù)性方程。第三章 實驗 裝置4自由降落式水洞自由降落式水洞收縮段穩(wěn)定段實驗段5回流式水洞回流式水洞6柏林-米特爾區(qū)水洞拖曳式水槽拖曳式水槽8拖曳水池常規(guī)實驗類型船模阻力試驗螺旋槳敞水試驗船模自航試驗流速儀檢定試驗沉管拖曳沉放配備了造波機的拖曳水池船舶耐波性實驗波浪發(fā)電海洋平臺設(shè)計防波堤消波消浪旋臂水池示意圖旋臂水池示意圖1

2、1波浪水池波浪水池12主要功能試驗測定模型作圓周運動時的水動力特性（與拖曳水池只能走直線對比）廣泛用于水面船舶和各種潛水體（如潛艇、魚雷、水下發(fā)射的導(dǎo)彈等）的水動力研究上海交大風(fēng)浪流水槽 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)：尺度尺度：50(L)0.8(W)1.2m (H)造波能力造波能力：最大波高為最大波高為40cm造流能力造流能力：最大流速（在最大流速（在45cm水深時）為水深時）為20cm/s 造風(fēng)能力造風(fēng)能力：最大風(fēng)速（在最大水最大風(fēng)速（在最大水深時）為深時）為20m/s14上海交大海洋工程實驗水池 上海交通大學(xué)于1992年建成國家重點實驗室風(fēng)浪流水池。海洋工程水池是上海交通大學(xué)海洋工程國家重點實

3、驗室的主體。 水池的主要尺度為50m30m6m?？梢阅M風(fēng)、浪、流各種海洋環(huán)境并能任意改變水深。最大波高可達0.6m；造流系統(tǒng)能產(chǎn)生最大流速為0.2m/s；造風(fēng)系統(tǒng)能產(chǎn)生的最大風(fēng)速可達10m/s。水壩設(shè)計低水頭的水流溢流現(xiàn)象十分復(fù)雜，如果壩面設(shè)計的不好，會導(dǎo)致水面漂浮的污物無法排走16河床侵蝕試驗In many situations it is the complex two- or three-dimensional flow in an open channel that is of interest (as opposed to uniform channel flow). Such f

4、lows are often very difficult to analyze theoretically.U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station.17適航性水池 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：水池主尺度：長69m，寬46m； 水深：4m；拖車：最大速度4m/s。 常規(guī)試驗項目：常規(guī)試驗項目：艦船波浪中水動力測量。 船舶以及海洋結(jié)構(gòu)物波浪中運動特性測試系泊、靠泊系統(tǒng)的運動、受力（包括纜繩拉力、護舷碰撞力）測試702所18適航性水池 主要測試設(shè)備：6自由度非接觸運動測量系統(tǒng)浪高儀、陀螺儀、加速度傳感器、壓力傳感器等 大橋：水池南北向架有一座

5、長78米鋼質(zhì)大橋，可繞水池中心旋轉(zhuǎn)45造波機：規(guī)則波最大波高可達0.5米，周期0.55秒；不規(guī)則波有義波高0.5米，最大波高可達1.0米；波向角0180 主要應(yīng)用方向：主要應(yīng)用方向： 適航性水池實驗室主要從事艦船、海洋工程裝備等波浪中運動性能理論研究、實驗測試及優(yōu)化。深水拖曳水池 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：水池主尺度：474(L) ,14(W)，7m(H)拖車車速范圍：0.0120m/s造波機：頻率0.31.2Hz， 波高250mm 主要應(yīng)用方向：主要應(yīng)用方向： 深水拖曳水池實驗室主要從事艦船等各類水中運動體水動力特性理論研究及實驗測試，廣泛開展流場分析、船舶性能預(yù)測、水中運動體型線優(yōu)化等工

6、作。702所所20深水拖曳水池 常規(guī)試驗項目：常規(guī)試驗項目：阻力試驗(含高速滑行艇、氣墊船、水翼艇、水上飛機、地效翼船、水下模型); 自航試驗（單槳及多槳船）;敞水試驗（常規(guī)及導(dǎo)管組合槳）;流場測量;三維流場測試;船體波形阻力測量;頂浪狀態(tài)的波浪試驗和外載荷實驗;海洋工程、水下機器人潛水訓(xùn)練以及基礎(chǔ)水動力學(xué)試驗研究; 精密測速儀及測壓傳感器的標(biāo)定.702所所21循環(huán)水槽實驗室 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)： 試驗段 尺度：10.50 (L)2.20(W)2.00m (H) 壓力：10400kpa 水速：0.8015m/s 速度不均勻度：1.0% 空泡數(shù)：0.07(水速15.00m/s，頂部壓力10

7、kpa)702所所22循環(huán)水槽實驗室 常規(guī)試驗項目常規(guī)試驗項目： 水動力和脈動壓力測量（均勻流場和非均勻流場）噪聲測量空化起始測試速度分布測量流態(tài)顯示 主要應(yīng)用方向：主要應(yīng)用方向： 主要從事水面艦船、水下物體及附體的水動力、噪聲和振動等方面的試驗研究。702所所23旋臂水池實驗室設(shè)施主要性能指標(biāo)設(shè)施主要性能指標(biāo)：水池直徑48m，水深4.5m旋臂最大旋轉(zhuǎn)角度為1rad/s常規(guī)試驗項目常規(guī)試驗項目：艦船操縱性水動力性能測試主要應(yīng)用方向主要應(yīng)用方向： 主要從事艦船、水中兵器及潛水器操縱性理論及試驗測試，廣泛開展針對各型水中運動體的操縱性性能預(yù)報。702所所24空泡水筒實驗室設(shè)施主要性能指標(biāo)：試驗段：

8、 直徑0.8m，長3.2m水速范圍：320m/s變壓范圍：8400kPa最低空泡數(shù)：0.15主要應(yīng)用方向： 主要從事艦船、船用推進器、水中兵器等水中運動體水動力特性研究與試驗。同時廣泛開展各類船槳設(shè)計及性能優(yōu)化工作。702所25空泡水洞Cavitating propeller in a water tunnel experiment at the David Taylor Model Basin26潮汐流寬水槽主要應(yīng)用方向主要應(yīng)用方向：模擬不同的地形與潮汐流流動,如河道、港口和近岸工程中潮流的作用與沖刷效應(yīng)的研究主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)：升潮能力：（水深16cm時）最大水位升速為0.22mm/

9、s。 造流能力：（在16cm水深時）最大流速為45cm/s。 27船舶結(jié)構(gòu)實驗室設(shè)施主要性能指標(biāo)：最大試驗靜負荷 15000kN最大試驗動負荷 2500kN（1套）常規(guī)試驗項目：結(jié)構(gòu)件強度靜拉伸試驗結(jié)構(gòu)件疲勞試驗結(jié)構(gòu)件剛度試驗結(jié)構(gòu)件極限載荷測試主要應(yīng)用方向： 船舶結(jié)構(gòu)實驗室主要從事建/構(gòu)造物結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、疲勞等方面的理論研究、結(jié)構(gòu)模型和實體試驗測試及優(yōu)化工作。702所28空泡水筒實驗室常規(guī)試驗項目：推進器空泡試驗; 船體誘導(dǎo)脈動壓力測量;調(diào)距槳的葉片轉(zhuǎn)葉力矩測量;對轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)管槳及節(jié)能推進器的性能和空泡試驗;螺旋槳、軸支架與舵組合體的空泡試驗;用LDV測量螺旋槳周圍的速度場;用LDV測

10、量葉剖面的環(huán)量; 軸流泵試驗;水翼試驗;噪聲測量 ;702所所29水下工程結(jié)構(gòu)實驗室 主要性能指標(biāo)主要性能指標(biāo)： 最大工作壓力 90兆帕 最大筒徑 3.2m 最大筒深 8m 主要應(yīng)用方向主要應(yīng)用方向： 主要從事潛艇、潛器等各類水下 建/構(gòu)造物水下結(jié)構(gòu)強度、剛度、穩(wěn)定性、密封性等方面的理論研究、結(jié)構(gòu)模型和實體試驗測試及優(yōu)化工作。702所所30水下工程結(jié)構(gòu)實驗室 常規(guī)試驗項目常規(guī)試驗項目：結(jié)構(gòu)件耐壓靜壓力試驗結(jié)構(gòu)件極限載荷測試結(jié)構(gòu)件剛度試驗結(jié)構(gòu)件動載荷試驗結(jié)構(gòu)件密封性試驗結(jié)構(gòu)件疲勞試驗 702所31蛟龍?zhí)柹钏聶C器人一、低速風(fēng)洞、水洞原理：定常、不可壓、伯努利方程，連續(xù)性方程第三章 實驗 裝置注

11、意問題：注意問題：風(fēng)扇作用，擴散段作用，能量比。常數(shù)AVVpp202134單回流式低速風(fēng)洞單回流式低速風(fēng)洞擴壓段風(fēng)扇調(diào)壓孔實驗段蜂窩器、阻尼網(wǎng)導(dǎo)流片35直流式低速風(fēng)洞直流式低速風(fēng)洞36擴壓段風(fēng)扇調(diào)壓孔實驗段蜂窩器、阻尼網(wǎng)風(fēng)洞能量比拐角37問題：問題：1. 試驗段氣流的動能來自何方？試驗段氣流的動能來自何方？2. 風(fēng)扇的作用是什么？風(fēng)扇的作用是什么？（1）消耗了電能獲得了動能；（2）由壓力能轉(zhuǎn)化為動能。（1）增加氣流速度（2）增加靜壓（3）增加能量風(fēng)洞能量比38結(jié)論：風(fēng)洞試驗段內(nèi)的動能來自壓力能。風(fēng)扇的作用是給氣流提供能量，提高總壓，克服損耗。-損耗表現(xiàn)為總壓下降。風(fēng)洞能量比39（1）能量損失

12、單位體積流體的總機械能 壓力能 + 動能 能量損失 P0 = P01 - P02 壓力損失系數(shù)，水力學(xué)定義： Pi=Ki 0.5V2i (等截面) 風(fēng)洞定義： P0i=K0i 0.5V2T (變截面)TTiTTTiiiTiiiiiAVKVAVKVAVKVApE3020200212121單位時間內(nèi)第 i 段能量損失（功率損失）：風(fēng)洞能量比風(fēng)洞能量比40iK0TTAV321-各段壓力損失系數(shù)之和-單位時間通過實驗段氣流動能TTiiAVKEE3021整個風(fēng)洞功率損失：整個風(fēng)洞功率損失：風(fēng)洞能量比41氣流在風(fēng)洞管道內(nèi)流動時必然有能量損失。這種損失來自幾個方面： 一是氣流與固壁、拐角導(dǎo)流片、蜂窩器以及實

13、驗?zāi)Ｐ椭g摩擦引起的； 二是氣流在壁面分離，引起旋渦、紊流等引起的； 三是在直流式風(fēng)洞中，氣流從擴散段排入大氣，其動能損失引起的； 在開口實驗段中，射流也會引起能量損失。風(fēng)洞能量比風(fēng)洞能量比損失的能量全部由動力系統(tǒng)通過風(fēng)扇提供。當(dāng)然，損失的能量全部由動力系統(tǒng)通過風(fēng)扇提供。當(dāng)然，動力系統(tǒng)本身和風(fēng)扇也存在一個效率問題。動力系統(tǒng)本身和風(fēng)扇也存在一個效率問題。42風(fēng)洞能量的估計中大風(fēng)洞功中大風(fēng)洞功率估計率估計44NASA風(fēng)洞群動力段47低速風(fēng)洞發(fā)展史 1871年 （英）溫罕姆 0.46X0.46 18 m/s 1901年 （美）萊特兄弟 0.56X0.56 12.2 m/s 1902年 （俄）儒科夫斯

14、基 0.76X0.76 9 m/s 1907年 （德）普朗特 1.83 9 m/s 1914年 （法）艾菲爾 2.13 39.5 m/s 1917年 （德）普朗特 2.28 35 m/s 1928年 （美）變密度 1.525 30m/s 1933年 （美）全尺寸 18.3X9.1 32.7 m/s 1980年 （美）全尺寸 24.4X12.2 150 m/s 36.5X24.4 50 m/s48風(fēng)洞類型 低速風(fēng)洞承擔(dān)的研究內(nèi)容十分豐富，對應(yīng)各低速風(fēng)洞承擔(dān)的研究內(nèi)容十分豐富，對應(yīng)各種具體的研究領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展了形式多樣的特殊種具體的研究領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展了形式多樣的特殊用途的低速風(fēng)洞。用途的低速風(fēng)洞。

15、 有研究型、生產(chǎn)型、非航空型等有研究型、生產(chǎn)型、非航空型等下面介紹其中幾種形式的風(fēng)洞：下面介紹其中幾種形式的風(fēng)洞：49環(huán)境風(fēng)洞是用來研究建筑物風(fēng)載，污染大氣擴散等現(xiàn)象的大型設(shè)備。這種風(fēng)洞實驗段一般都比較長。在實驗段入口采用各種人工加厚邊界層的方法，產(chǎn)生很厚的邊界層用以模擬大氣邊界層。環(huán)境風(fēng)洞環(huán)境風(fēng)洞其它型式的低速風(fēng)洞其它型式的低速風(fēng)洞50低速風(fēng)洞 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)：試驗段：截面為3.0m3.0m去八角形，長8.5 m風(fēng)速范圍：393m/s連續(xù)可調(diào) 常規(guī)試驗項目：常規(guī)試驗項目：水動力/氣動力測力試驗舵鉸鏈力矩試驗三維流場特性測試表面流態(tài)顯示試驗表面壓力/動態(tài)壓力試驗風(fēng)/流載荷測試試驗風(fēng)

16、/流致振動測試702所所51低速風(fēng)洞 主要應(yīng)用方向：主要應(yīng)用方向： 主要從事各型潛艇、潛器、水中兵器、水面艦船、水上飛行器等的水動力/氣動力特性研究與試驗，同時廣泛開展海洋工程、建筑、橋梁及其它大型結(jié)構(gòu)物的風(fēng)/流載荷、風(fēng)/流致振動等研究與試驗。702所所52低速風(fēng)洞 主要性能指標(biāo)：主要性能指標(biāo)： 單回路閉口低速風(fēng)洞, 試驗段橫截面為3m3m的四角圓化正方形，長12m。 氣流速度可從10-100m/s進行無極調(diào)節(jié)，流場品質(zhì)極佳。701所所53汽車風(fēng)洞 汽車風(fēng)洞式專門為了研究汽車的穩(wěn)定性、升力、阻力、噪聲、污染、散熱和風(fēng)檔刮水器等而建造的。 汽車風(fēng)洞能模擬雨、雪、雹和太陽輻射，并安裝有天平測量升力

17、、阻力等。 風(fēng)洞底板是可運動的，能模擬汽車和地面之間的相對運動。其它型式的低速風(fēng)洞其它型式的低速風(fēng)洞54低速風(fēng)洞*常規(guī)試驗項目常規(guī)試驗項目:單行器模型測壓、測力試驗；單行器模型測壓、測力試驗；操縱舵鉸鏈力矩試驗；操縱舵鉸鏈力矩試驗； 飛行器動態(tài)與大攻角試驗；飛行器動態(tài)與大攻角試驗；飛行員彈座艙試驗；飛行員彈座艙試驗； 外掛物投放與多體分離試驗；外掛物投放與多體分離試驗；折疊翼展開過程試驗；折疊翼展開過程試驗； 噴流干擾與直接力模擬試驗；噴流干擾與直接力模擬試驗；顫振試驗；顫振試驗； 旋轉(zhuǎn)模型試驗；旋轉(zhuǎn)模型試驗；飛行器、建筑物等地面風(fēng)載和地效試驗；飛行器、建筑物等地面風(fēng)載和地效試驗；降落傘等阻力器性能試驗；降落傘等阻力器性能試驗； 高速車船模擬試驗；高速車船模擬試驗；體育運動器械和徑賽運動員氣動特性研究；體育運動