空化水洞總體設(shè)計以及相關(guān)的幾個問題--碩士論文

1、摘要空化是在液體中產(chǎn)生的～種現(xiàn)象，是液體從液相交成汽相的相變過程。對水來說，當(dāng)液體中產(chǎn)生空化后使得流動介質(zhì)的連續(xù)性遭到破壞，此時在液體中的某些部位出現(xiàn)充滿蒸汽的空穴腔即蒸汽空穴。當(dāng)蒸汽空穴隨著液流進(jìn)入高壓區(qū)，空穴內(nèi)的蒸汽頓時凝結(jié)，空泡潰滅，隨之產(chǎn)生高壓、高溫、放電及發(fā)光現(xiàn)象。由此而帶來很多的危害性，這其中包括在固體邊界上發(fā)生空蝕、減小水電站的出力和降低水輪機(jī)及螺旋槳的效率、產(chǎn)生空化噪聲和超聲波以及引起空化振動。當(dāng)然，空化也有一定的有益作

2、用。對空化問題的研究在船舶、水力機(jī)械及水利工程中一直占有重要地位?，F(xiàn)在空化的研究領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到原子能、水下武器、采掘、潤滑、生物及醫(yī)學(xué)等部門。雖然如此，但空化現(xiàn)象～直都被認(rèn)為是一個不易解決的問題。其原因在于，到目前為止對空化機(jī)理尚未研究得很清楚。隨著我國國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，各有關(guān)的科技部門均迫切要求對這一問題深入研究解決?？栈词茄芯靠栈F(xiàn)象的實驗設(shè)備之一。它可以用于艦船及水工模型，空化和空蝕，流體彈性，湍流和邊界層的實驗。由于水洞中

3、產(chǎn)生的空化類型與模擬對象中產(chǎn)生的空化類型相似，并且水洞中的流速、壓力、溫度和含氣量，可以精確的測量和調(diào)整。因此，到目前為止，它仍然是研究空化特性和材料抗蝕能力的重要設(shè)備?？栈匆话惆üぷ鞫?、水流循環(huán)系統(tǒng)、溶解氣體控制系統(tǒng)和水洞工作段控制系統(tǒng)等幾個部分。本論文主要是討論和研究空化水洞總體設(shè)計問題。以及設(shè)計過程中相關(guān)的一些問題，這其中包括空化水洞總體設(shè)計、產(chǎn)生空化的方法、空化水洞中溶解氣體的控制技術(shù)、水洞水頭損失、驅(qū)動水泵和驅(qū)動電機(jī)的選

4、擇、水洞管道部件結(jié)構(gòu)計算、水洞固有頻率計算等幾個方面。本論文的選題是基于實際工程項目背景，在理論和實際應(yīng)用領(lǐng)域都有一定的學(xué)術(shù)價值。在本論文中也一并提出三個設(shè)計實例方案，供工程應(yīng)用和滿足科研需要。關(guān)鍵詞：空化；水洞；總體設(shè)計；水頭損失：結(jié)構(gòu)計算；固有頻率。O前言空化(Cavitation)和空蝕(CavitationDamage)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)已有較久的歷史。早在1754年歐拉(Euler)研究水輪機(jī)理論時，曾意識到在低壓區(qū)水流產(chǎn)生空化的可能

5、性。19世紀(jì)后半葉，隨著蒸汽機(jī)船的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)螺旋槳轉(zhuǎn)數(shù)提高到一定程度反而會使航行速度下降，1873年雷諾(OReynolds)曾解釋這種現(xiàn)象是因為當(dāng)螺旋槳上壓強(qiáng)降低到真空時吸入空氣所致。1897年巴納比(SwBarnaby)和帕森斯(CAParsons)在英國“果敢號”魚雷艇和幾艘蒸汽機(jī)船相繼發(fā)生螺旋槳效率嚴(yán)重下降事件以后，提出了“空化”的概念，并指出在液體和物體間存在高速相對運動的場合可能出現(xiàn)空化。1896年C。A帕森斯(Charle

6、sParsons)建立了世界上第一個研究空化的小型水洞，該水漏為鍋制，全長約lm，工作段為15cm2，用頻閃觀測器觀察空化現(xiàn)象。20世紀(jì)初期，在水泵和水輪機(jī)中也相繼出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象；20世紀(jì)30年代，高壩的泄水建筑物上也發(fā)生了空蝕破壞，因此美國托馬斯(HAThomas)于40年代設(shè)計并制造了減壓箱，在減壓條件下研究泄水建筑物的空化問題。空化問題的研究在船舶、水力機(jī)械及水利工程中一直占有重要地位。現(xiàn)在空化研究的領(lǐng)域已經(jīng)擴(kuò)展到原子能、水下武

7、器、采掘、潤滑、生物及醫(yī)學(xué)等部門。50年代以來，隨著我國高水頭水工建筑物的大量興建，水力機(jī)械及船舶工業(yè)的發(fā)展，國內(nèi)水利水電、水力機(jī)械及船舶等有關(guān)部門對這一課題也進(jìn)行了許多探討，積累了不少有價值的成果。研究空化初生現(xiàn)象以及空化的各個發(fā)展階段，目前主要是通過理論分析和實驗研究兩種手段。實驗研究包括原體觀測及模型試驗。原體觀測非常重要，因為研究的對象是原體實物。故不存在尺度效應(yīng)問題。另外，由于試驗在真實運轉(zhuǎn)工況下進(jìn)行，故所得資料必然準(zhǔn)確地反映

8、真實情況，具有很重要的價值。但是常常由于時間和財力限制，有些工況不易出現(xiàn)，量測精度也不易保證，在某些條件下，對空化區(qū)的范圍和型態(tài)無法進(jìn)行直接觀測，因此，除非進(jìn)行特別的準(zhǔn)備和安排，一般不易得到滿意的結(jié)果。模型試驗研究與原體觀測相比，時間和費用都節(jié)省得多，工況可以多種多樣，可以進(jìn)行原體中發(fā)生機(jī)率很小的極限工況的試驗，可將空化的位置、特性及其隨時間的變化詳細(xì)地拍攝下來，對其做各種分析。由于影響因素很多，尺度效應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，目前還無法用模型試驗的