卧式循环水槽方案设计【毕业设计】.doc

1、东海科学技术学院本科毕业论文 目录 0 本科 毕业论文 (设计 ) 题 目： 卧式循环水槽方案设计 学 院： 学生姓名： 专 业： 船舶与海洋工程 班 级： 指导教师： 起 止 日期： 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 1 目 录 摘要 . IIII 1绪论 . 5 1.1 前言 . 4 1.2 国外研究现状 . 5 1.3 国内研究现状 . 6 1.4 循环水槽相关段作用简介 . 8 2. 卧式循环水槽总体方案设计 . 10 2.1 工作段 . 10 2.2 收缩段 . 11 2.3 稳定段 . 14 2.4 拐角导流片 . 14 2.5 扩散段 . 16 2.6 动力段 . 16 2.7

2、 消除装置 . 17 2.8 水动力性能 . 18 2.9 流速控制与检验系统 . 19 2.10 本章小结 . 20 3卧式循环水槽结构设计 . 21 3.1 循环水槽激振 . 21 3.2 螺旋桨基本参数 . 21 3.3 螺旋桨推力与扭矩计算 . 21 3.4 空泡条件 . 22 3.5 强度校核 . 23 3.6 壁厚设计 . 23 3.7 水头损失 . 29 3.8 加强筋设计 . 32 3.9 能量计算方法的简介 . 33 东海科学技术学院本科毕业论文 目录 2 3.10 本章小结 . 34 4循环水槽采取措施 . 35 5参数总和简介 . 37 总结 . 38 致谢 . 39 参

3、考文献 . 40 东海科学技术学院本科毕业论文 摘要 III 卧式循环水槽方案设计 摘要 循环水槽同传统拖曳水池相比具有许多优点，因而日益广泛地应用于船型开发和船舶水动力性能研究。 本论文查阅循环水槽相关文献后，了解了国内外循环水槽的发展现状。进行了循环水槽基本参数的选定，介 绍了水槽基本部件的作用及选取情况，水槽的水动力性能表现的 4 个方面，流速控制及检验系统构成及工作原理。螺旋桨简要计算，槽道壁厚设计，水头损失计算方法，加强筋设计，能量计算方法简介。为了使试验段水面平直、无波动、流速均匀，采取的一些措施。 关键词 循环水槽 ； 总体设计 ； 结构设计 ； 措施 东海科学技术学院本科毕业论

4、文 摘要 IV Horizontal circulation sink solution design Abstract Water cycle with the traditional towed pool has a number of advantages compared, and increasingly widely used in ship type development and hydrodynamic performance of a ship。 This paper recycling tank access related literature, understand

5、the current situation of the development of the circular sink at home and abroad. The basic parameters of the water cycle selected, introduces the sink of the basic components and choose the role, the sink water power performance of the four aspects, velocity control and inspection system structure

6、and working principle. The propeller brief calculation, slot way wall thickness design, loss calculation method, reinforcement design, energy calculation method introduction. In order to make the surface flat, no stage fluctuations, uniform velocity, and take some of the measures. Key Words circulat

7、ing water channel; overall design; structure design; measures东海科学技术学院本科毕业论文 正文 5 1绪论 1.1 前言 流体力学问题在满足相似理论的前提下，可以在风洞、拖曳水池、水洞或循环水槽中进行。传统拖曳水池与循环水槽相比，拖曳水池具有尺度效应小，受边界层影响小，其实验数据优于循环水槽中的实验数据的特点。但拖曳水池受到轨道的限制，有试验的时间受到限制的缺点。循环水槽就没有试验时间受限制的缺点。因为它是使水借助于动力系统 以一定的速度作循环流动，把模型置于流动的水中测量的一种水动力试验设备。在工作段可作长时间的测试，在槽体侧面和

8、底部有观察窗。可以很方便的进行观察或摄像。循环水槽还具有投资小、占地少、见效快等优点，所以循环水槽被广泛的应用于船型开发和船舶水动力性能。 一些复杂的问题是无法从分析方面来进行研究的，用记录观察的方法却可以得到一些重要的结果。记录所观察到流体的运动情况是研究流体力学问题的一个好方法。比如： 1883 年英国科学家雷诺采用红墨水在管道中流动创建的流体相似定理、 1904 年 prenatal 提出重要的边界层概念 、 60 年代发现湍流内近壁区的“猝发现象”、上世纪 80 年代观察到肥大船型尾部交叉流产生分离形成的旋涡、各种球鼻首在船底所引起的复杂流动等等。观察和摄影流动情况是设计和使用循环水槽

9、的重要特点之一 70 年代前循环水槽多数为水平型， 80 年代以来建的水槽多数为立式。 减压循环水槽是新一代的船舶模型试验研究设备，它把拖曳水池和空泡水洞的功能结合起来，在高试验水速和变压条件下，进行整体船模带桨条件下的水下噪声和水动力性能的综合试验研究，而且具有低湍流度、低背景噪声的特点 。 循环水槽大体可以分为常规型循环水槽、减压型循环 水槽、风浪流水型循环水槽三种。常规型循环水槽又可细分为蓄水池型与无蓄水池型两种。蓄水池型又称为流动中断型，无蓄水池型又可称之为循环流水型循环水槽。无蓄水池型循环水槽可以避免水泵的扰动对工作段流速的稳定性影响，但能量会全部损失掉，因为水流没有循环。工作段水流

10、速度不是太高的时候，一般选用循环流水型循环水槽。循环水槽从结构形式上可分为水平循环水槽和立式循环水槽。水平循环水槽的工作段与动力系统基本置于同一水平地面高度。立式循环水槽的工作段高于循环水槽的动力系统所在的水平地面高度。因为立式循环水槽需要将动力系统中的部 分能量转化为流体的势能，所以立式循环水槽所需的动力系统要求往往高于水平循环水槽。因此，虽然立式循环水槽相对于水平循环水槽有占地面积小的优点，但是国内外建成的循环东海科学技术学院本科毕业论文 正文 6 水槽还是以水平循环水槽为主的。 主要试验：船模自航试验、船模伴流试验、螺旋桨敞水试验、平板的阻力测试、流动显示试验等试验。在海洋工程方面可进行

11、流体动力测试，流场的观察及有关测试仪器的试验。在渔业水产方面可进行渔网、渔具等有关物体在水中的运动及流体动力测试，流场观察及有关测试仪器的试验。 1.2 国外研究现状 丹麦北方海洋中心的循环水槽全长 30m，宽 8m，高 6m，工作段长 21.3m，宽 8m，高 2.7m，水总容量 1200T；水流速度范围为 0-1m/s，传送带速度范围为 0-1m/s；观察窗由 20块 2 3m的玻璃组成，驱动电机由 4 台 64KW 电动机组成。澳大利亚海洋水动力研究中心的循环水槽工作段的参数：长 17.2m,宽 5m,最大水深 2.5m,观察窗长为 11.2m，宽 1.5m；水总容量 700T，水流速度

12、为 0-1.5m/s。传送带速度范围为 0-1.5m/s；驱动电机由 4 台 56.5KW 电动机组成，螺旋桨直径 1.2m。 加拿大海洋性能评估联合指导中心的循环水槽是世界最大的 循环水槽，工作段全长 22m，宽 8m，高 4m，最大流速 1m/s，传送带最大速度 1m/s，观察窗尺寸为 2 3m。主要的配套设备包括： 4.7T 空中起重机， 32 通道高速数据采集系统、水下视频摄像机及视频分析软件。主要应用于渔业和水下机器人的物体表面可视化试验、流体水动力试验及渔具外形研究等方面。 在 20 世纪 70 年代初至 80 年代中后期，德国、瑞典、意大利、日本和俄罗斯就相继设计和建造了竞技游泳

13、水槽。因受波浪相对较大、气泡排除效果不好、水流湍流度较大、水槽尺寸较小等因素影响，水槽的水流质量并不理想。一方面表现在运动员游 起来感觉与在静水中有明显的不同，另一方面降低了测试的准确性和可靠性。为了改变这两个方面的不足， 1987年，美国游泳协会与美国 Uni-Dyne 公司投入 100 万美元在科罗拉多的高原训练基地共同设计和建造了一个更现代化的游泳水槽测试平台。该水槽在结构和功能上更加优越，在游泳的应用研究方面也比过去有了显著的进步。他们把游泳不同段落的能量代谢比例、最佳划水路线以及技术经济和效率等基础研究问题与实践结合了起来。 德国是目前世界上建有竞技游泳水槽最多和最早的国家。比如：汉

14、堡、马格德堡。幕尼黑奥林匹克中心由于建造水槽的历史 较早，在水槽的使用方面积累了不少的经验。为游泳技术的改进提供了科学依据的三线运动分析系统是由德国的游泳教练和科研人员共同研发的。它仅可以在水槽上为游泳技术进行评价。 美国泰勒水池在 1944 年建成。长 18 米，宽 6.1 米，水深 2.8m，英国国家物理实验室于1965 年建成 16.8 3.65 3.65m 水槽。瑞典国家造船实验室也于 1969 年建成水槽。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 7 1997 年，新西兰的 Otago 大学在考察了各国的游泳水槽后，自行设计和建造了一个游泳和皮划艇共用的水槽。该水槽使游泳和皮划艇在同一水

15、槽中的训练成为可能。 1.3 国内 研究现状 广东省航运科学研究所的循环水槽 90 年代初投入运行，由于受当时的条件限制，水槽的控制方法，船模试验的过程，以及试验结果的数据采集和数据处理都是采用传统的人工操作方式进行。人工方式存在的操作误差、判读误差以及数据采集和数据处理的误差都会影响试验的效率和试验结果的精度。电子技术的发展特别是计算机应用技术的迅速发展。运用计算机技术对循环水槽配置合适的自动控制、数据采集、数据处理系统成为了一条可行的道路。通过对计算机的硬件设施和控制软件不断地进行修改，对不同的试验信号进行不同的转换处理，对各种可能存在的内部 、外部干拢源进行可靠的电气隔离。实现了船模阻力

16、、自航、伴流、螺旋桨敞水及平面运动机构等多项试验的计算机自动控制、数据采集和数据处理。 哈尔滨工程大学建有国内第一座水平常规循环流水型循环水槽，全长 17.3m，最大宽度6.2m，高度 2.88m，工作段长 7m，最大水深 1.5m，最高流速为 2.3 米 /秒。水槽收缩比为 2，有消除气泡装置，可使高速流时保证流动图形显示的高质量。并有消波装置，保证流速在小于 1.5 米 /秒时驻波高度不超过 7mm 中国船舶科学研究中心大型循环水槽 2001 年通过竣工验收， 2004 年通过鉴定。它是我 国规模最大的大型空泡实验室，具有低湍流度、低噪声等特点，可以承担各类水面舰船、水下航行器和民用船舶的

17、整船模型带推进器的水动力性能测量、空泡观察、脉动压力测量和噪声测量以及海洋工程结构物与流体相互作用下频率响应等试验，是新时期我国船舶推进器水动力、空泡、噪声和振动研究的最重要试验设备。整个水槽长 55m，高 16.4m，收缩比： 5： 1，扩散比： 1： 2.96；工作段尺度： 10.5 2.2 2m，压力为 10-400 千帕，水速： 0.8-15m/s，速度不均匀度： 1%，空泡数： 0.07（水速 15m/s，顶部压力 10 千帕 ）。驱动系统由 3600 千瓦 28极同步电机和直径为 4.1m， 7 叶，附加 9 叶定子，最大转速为 90rad/min 的轴流泵组成；并配有螺旋桨动力仪

18、，激光测速仪、空泡观测及脉动压力测量系统、噪声测量系统，包括大型水听器声基阵（轴向可遥控移动 5.7m）等测试仪器。 东海科学技术学院本科毕业论文 正文 8 图 1.1 中国船舶科学研究中心循环水槽 中国船舶科学研究中心 空泡水筒 (03B)建成于 1973 年，是我国中等尺度的空泡水筒中最大的试验设备，具有速度高、空泡数低等特点，属重力式水筒，配有先进的激光测速（ LDV）系统。可 以承担各类推进器均流 /模拟伴流场（网格或假尾 +网格模拟）中水动力、空泡观察、脉动压力和噪声等测量试验以及 LDV 测量流场、高速航行体空泡试验和一些特种推进器的性能试验等。 工作段直径 0.8 米 ,长度 3

19、.2 米 ;水速范围 3-20 米 /秒 ;压力调整范围 8-400Kpa；最低空泡数（无模型） 0.15:螺旋桨模型最大直径 0.4 米 .能进行空蚀、轴流泵等试验。 图 1.2 中国船舶科学研究中心空泡水筒 武汉理工大学船舶与海洋工程研究所循环水槽图占地面积 480m平方 ,工作段尺寸 6.5 1.8 0.9m,可无级调速 ,最大水速为 2m/s。采用滚筒式水流加速器处理自由液面、边界层 ,使整个流东海科学技术学院本科毕业论文 正文 9 场更加均匀；工作段下游设置的深水开口池 ,可以调整水池水位 ,以消除工作段水流的不利影响。 我国的游泳水槽建造起步较晚。 2005 年 2 月 ,上海市科

20、技局在上海市体育局建成了国内第一个具有国际先进水平的竞技游泳水槽。该水槽长、宽各为 6 米和 4 米 ,水流精度上达到士0.01m/s,湍流度为 1%。波高为 0,流速在 2.0m/s 时的气泡也不影响生物力学的观测。山东体育学院在山东省体育局研制了具有自主知识产权的“游泳水槽”。山东体育学院循 环水槽的各项技术参数和指标的精确定是稍逊于上海水槽的。因为投资额度的限制 ,再加上是首次设计建造 ,缺乏相应的设计和制作经验。水槽长 4.5m,宽 2.5m,水流精度达到士 0.01m/s,波高为 0.01m,最高流速 2m/s 和上海水槽相比 ,山东水槽多了一个低氧功能。在水槽上方建有体积为 6m

21、2m 3m的低氧罩 ,制氮机通过抽掉空气 ,补充一定比例的氮气来控制罩内的氧气含量 ,从而可形成能模拟不同海拔高度的常压低氧环境 ,为提高水槽体能训练难度 ,建成具有综合性极限运动环境的设备进行了有益的尝试和探索。 目前在循环水槽设计建造过 程中需要解决的问题有： 1 不同的设计参数（如扩散段的扩散比、导流片形式、收缩段的曲线形 式等）对水槽流场品质的影响 2 对试验结果定出精确的修正方法。 1.4 循环水槽相关段作用简介 (1) 收缩段 收缩段的功能： 1）可以提高流速； 2）可以使试验段的流场均匀； 3）可以改变紊流度（ 整流格、阻尼网同时考虑） 。 资料指出：“ 纵向流速不均匀性的减低与

22、收缩比的平方成正比；而横向断面流速不均匀性的减低与收缩比的平方根成正比” 。 收缩比： 21eAN A 其中 ,其中 2A 为收缩段进口面积， 1A 为收缩段出口面积，收缩比的加大要引起收缩段的加长，使水槽的费用加大，在加工上也会增加困难 。 一般收缩比取 2到 4。 收缩段曲线公式的选择对试验段水流分布的均匀度有较大的影响 。 收缩段进出口部分的曲线变化应缓慢些，以稳定流场 。 (2) 稳 定段 整流段也叫稳定段，装有蜂窝器和阻尼网，它的功能是将来流进入收缩段前有足够的时间来调整它的均匀性和紊流度，使进入试验段的水流力求平直均匀 。 资料表明，欧洲一些国家整 流段比较长，与试验段比例几乎 1： 1 整流段长，相对流场的均匀性好，英国 NPL国家