實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)-第三章流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)介

1、第一部分 實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)備,2,第三章 實(shí)驗(yàn) 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(shí)驗(yàn) 裝置,4,自由降落式水洞,5,回流式水洞,6,柏林-米特爾區(qū)水洞,拖曳式水槽,8,拖曳水池常規(guī)實(shí)驗(yàn)類(lèi)型,船模阻力試驗(yàn) 螺旋槳敞水試驗(yàn) 船模自航試驗(yàn) 流速儀檢定試驗(yàn) 沉管拖曳沉放,配備了造波機(jī)的拖曳水池,船舶耐波性實(shí)驗(yàn) 波浪發(fā)電 海洋平臺(tái)設(shè)計(jì) 防波堤消波消浪,旋臂水池示意圖,11,波浪水池,12,主要功能,試驗(yàn)測(cè)定模型作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力特性（與拖曳水池只能走直線對(duì)比） 廣泛用于水面船舶和各種潛水體（如

2、潛艇、魚(yú)雷、水下發(fā)射的導(dǎo)彈等）的水動(dòng)力研究,上海交大風(fēng)浪流水槽,主要性能指標(biāo)： 尺度：50(L)0.8(W)1.2m (H) 造波能力：最大波高為40cm 造流能力：最大流速（在45cm水深時(shí)）為20cm/s 造風(fēng)能力：最大風(fēng)速（在最大水深時(shí)）為20m/s,14,上海交大海洋工程實(shí)驗(yàn)水池,上海交通大學(xué)于1992年建成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(dá)10m/s。,水壩設(shè)計(jì),低水

3、頭的水流溢流現(xiàn)象十分復(fù)雜，如果壩面設(shè)計(jì)的不好，會(huì)導(dǎo)致水面漂浮的污物無(wú)法排走,16,河床侵蝕試驗(yàn),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 flows are often very difficult to analyze theoretically.,U.S. Army Engineer Waterways Experiment Stati

4、on.,17,適航性水池,主要性能指標(biāo)：水池主尺度：長(zhǎng)69m，寬46m； 水深：4m；拖車(chē)：最大速度4m/s。 常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：艦船波浪中水動(dòng)力測(cè)量。 船舶以及海洋結(jié)構(gòu)物波浪中運(yùn)動(dòng)特性測(cè)試系泊、靠泊系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)、受力（包括纜繩拉力、護(hù)舷碰撞力）測(cè)試,702所,18,適航性水池,主要測(cè)試設(shè)備：6自由度非接觸運(yùn)動(dòng)測(cè)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長(zhǎng)78米鋼質(zhì)大橋，可繞水池中心旋轉(zhuǎn)45造波機(jī)：規(guī)則波最大波高可達(dá)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(dá)1.0米；波向角0180 主要應(yīng)用方向： 適航性水池實(shí)驗(yàn)室主要從事艦船、海洋工程裝備等波浪

5、中運(yùn)動(dòng)性能理論研究、實(shí)驗(yàn)測(cè)試及優(yōu)化。,深水拖曳水池,主要性能指標(biāo)：水池主尺度：474(L) ,14(W)，7m(H)拖車(chē)車(chē)速范圍：0.0120m/s造波機(jī)：頻率0.31.2Hz， 波高250mm 主要應(yīng)用方向： 深水拖曳水池實(shí)驗(yàn)室主要從事艦船等各類(lèi)水中運(yùn)動(dòng)體水動(dòng)力特性理論研究及實(shí)驗(yàn)測(cè)試，廣泛開(kāi)展流場(chǎng)分析、船舶性能預(yù)測(cè)、水中運(yùn)動(dòng)體型線優(yōu)化等工作。,702所,20,深水拖曳水池,常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：阻力試驗(yàn)(含高速滑行艇、氣墊船、水翼艇、水上飛機(jī)、地效翼船、水下模型); 自航試驗(yàn)（單槳及多槳船）;敞水試驗(yàn)（常規(guī)及導(dǎo)管組合槳）;流場(chǎng)測(cè)量;三維流場(chǎng)測(cè)試;船體波形阻力測(cè)量;頂浪狀態(tài)的波浪試驗(yàn)和外載荷實(shí)驗(yàn);海洋

6、工程、水下機(jī)器人潛水訓(xùn)練以及基礎(chǔ)水動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)研究; 精密測(cè)速儀及測(cè)壓傳感器的標(biāo)定.,702所,21,循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)室,主要性能指標(biāo)： 試驗(yàn)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10kpa),702所,22,循環(huán)水槽實(shí)驗(yàn)室,常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目： 水動(dòng)力和脈動(dòng)壓力測(cè)量（均勻流場(chǎng)和非均勻流場(chǎng)）噪聲測(cè)量空化起始測(cè)試速度分布測(cè)量流態(tài)顯示 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(dòng)力、噪聲和振動(dòng)等方面的試驗(yàn)研究。,702所,23,旋臂水池實(shí)驗(yàn)室,設(shè)施主要性能

7、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(yàn)項(xiàng)目：艦船操縱性水動(dòng)力性能測(cè)試 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(yàn)測(cè)試，廣泛開(kāi)展針對(duì)各型水中運(yùn)動(dòng)體的操縱性性能預(yù)報(bào)。,702所,24,空泡水筒實(shí)驗(yàn)室,設(shè)施主要性能指標(biāo)：試驗(yàn)段： 直徑0.8m，長(zhǎng)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(jìn)器、水中兵器等水中運(yùn)動(dòng)體水動(dòng)力特性研究與試驗(yàn)。同時(shí)廣泛開(kāi)展各類(lèi)船槳設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化工作。,702所,25,空泡水洞,Cavitating propeller in a water tunnel

8、 experiment at the David Taylor Model Basin,26,潮汐流寬水槽,主要應(yīng)用方向： 模擬不同的地形與潮汐流流動(dòng),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)： 升潮能力：（水深16cm時(shí)）最大水位升速為0.22mm/s。 造流能力：（在16cm水深時(shí)）最大流速為45cm/s。,27,船舶結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,設(shè)施主要性能指標(biāo)：最大試驗(yàn)靜負(fù)荷 15000kN最大試驗(yàn)動(dòng)負(fù)荷 2500kN（1套） 常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度靜拉伸試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件剛度試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件極限載荷測(cè)試 主要應(yīng)用方向： 船舶結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室主要從事建/構(gòu)造物結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、

9、疲勞等方面的理論研究、結(jié)構(gòu)模型和實(shí)體試驗(yàn)測(cè)試及優(yōu)化工作。,702所,28,空泡水筒實(shí)驗(yàn)室,常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：推進(jìn)器空泡試驗(yàn); 船體誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力測(cè)量;調(diào)距槳的葉片轉(zhuǎn)葉力矩測(cè)量;對(duì)轉(zhuǎn)槳、導(dǎo)管槳及節(jié)能推進(jìn)器的性能和空泡試驗(yàn);螺旋槳、軸支架與舵組合體的空泡試驗(yàn);用LDV測(cè)量螺旋槳周?chē)乃俣葓?chǎng);用LDV測(cè)量葉剖面的環(huán)量; 軸流泵試驗(yàn);水翼試驗(yàn);噪聲測(cè)量 ;,702所,29,水下工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,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： 主要從事潛艇、潛器等各類(lèi)水下 建/構(gòu)造物水下結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shí)體試驗(yàn)測(cè)試及優(yōu)化工作。

10、,702所,30,水下工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室,常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：結(jié)構(gòu)件耐壓靜壓力試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件極限載荷測(cè)試結(jié)構(gòu)件剛度試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件動(dòng)載荷試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件密封性試驗(yàn)結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn),702所,31,蛟龍?zhí)?深水水下機(jī)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(shí)驗(yàn) 裝置,注意問(wèn)題：風(fēng)扇作用，擴(kuò)散段作用，能量比。,34,單回流式低速風(fēng)洞,35,直流式低速風(fēng)洞,36,風(fēng)洞能量比,拐角,37,問(wèn)題： 1. 試驗(yàn)段氣流的動(dòng)能來(lái)自何方？,2. 風(fēng)扇的作用是什么？,（1）消耗了電能獲得了動(dòng)能； （2）由壓力能轉(zhuǎn)化為動(dòng)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

11、驗(yàn)段內(nèi)的動(dòng)能來(lái)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,單位體積流體的總機(jī)械能 壓力能 + 動(dòng)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),單位時(shí)間內(nèi)第 i 段能量損失（功率損失）：,風(fēng)洞能量比,40,-各段壓力損失系數(shù)之和,-單位時(shí)間通過(guò)實(shí)驗(yàn)段氣流動(dòng)能,整個(gè)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(dòng)時(shí)必然有能量損失。這種損失來(lái)自幾個(gè)方面： 一是氣流與固壁、拐角導(dǎo)流片、蜂窩器以及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g

12、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(kuò)散段排入大氣，其動(dòng)能損失引起的； 在開(kāi)口實(shí)驗(yàn)段中，射流也會(huì)引起能量損失。,風(fēng)洞能量比,損失的能量全部由動(dòng)力系統(tǒng)通過(guò)風(fēng)扇提供。當(dāng)然，動(dòng)力系統(tǒng)本身和風(fēng)扇也存在一個(gè)效率問(wèn)題。,42,風(fēng)洞能量的估計(jì),中大風(fēng)洞功率估計(jì),44,NASA風(fēng)洞群,動(dòng)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）儒科夫斯基 0.76X0.76 9 m/s 1907年 （德）普朗特 1.83 9 m/s 1914年 （

13、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/s,48,風(fēng)洞類(lèi)型,低速風(fēng)洞承擔(dān)的研究?jī)?nèi)容十分豐富，對(duì)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用途的低速風(fēng)洞。 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：,49,環(huán)境風(fēng)洞是用來(lái)研究建筑物風(fēng)載，污染大氣擴(kuò)散等現(xiàn)象的大型設(shè)備。這種風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段一般都比較長(zhǎng)。在實(shí)驗(yàn)段入口采用各種人工加厚邊界層的

14、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,其它型式的低速風(fēng)洞,50,低速風(fēng)洞,主要性能指標(biāo)：試驗(yàn)段：截面為3.0m3.0m去八角形，長(zhǎng)8.5 m風(fēng)速范圍：393m/s連續(xù)可調(diào) 常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目：水動(dòng)力/氣動(dòng)力測(cè)力試驗(yàn)舵鉸鏈力矩試驗(yàn)三維流場(chǎng)特性測(cè)試表面流態(tài)顯示試驗(yàn)表面壓力/動(dòng)態(tài)壓力試驗(yàn)風(fēng)/流載荷測(cè)試試驗(yàn)風(fēng)/流致振動(dòng)測(cè)試,702所,51,低速風(fēng)洞,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(dòng)力/氣動(dòng)力特性研究與試驗(yàn)，同時(shí)廣泛開(kāi)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(dòng)等研究與試驗(yàn)。,702所,52,低速風(fēng)洞,主要性能指標(biāo)： 單回路閉口

15、低速風(fēng)洞, 試驗(yàn)段橫截面為3m3m的四角圓化正方形，長(zhǎng)12m。 氣流速度可從10-100m/s進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)，流場(chǎng)品質(zhì)極佳。,701所,53,汽車(chē)風(fēng)洞,汽車(chē)風(fēng)洞式專(zhuān)門(mén)為了研究汽車(chē)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(chē)風(fēng)洞能模擬雨、雪、雹和太陽(yáng)輻射，并安裝有天平測(cè)量升力、阻力等。 風(fēng)洞底板是可運(yùn)動(dòng)的，能模擬汽車(chē)和地面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。,其它型式的低速風(fēng)洞,54,低速風(fēng)洞,常規(guī)試驗(yàn)項(xiàng)目: 單行器模型測(cè)壓、測(cè)力試驗(yàn)；操縱舵鉸鏈力矩試驗(yàn)； 飛行器動(dòng)態(tài)與大攻角試驗(yàn)；飛行員彈座艙試驗(yàn)； 外掛物投放與多體分離試驗(yàn)；折疊翼展開(kāi)過(guò)程試驗(yàn)； 噴流干擾與直接力模擬試驗(yàn)；顫振試驗(yàn)； 旋轉(zhuǎn)模型試驗(yàn)；飛行器、建筑物等地面風(fēng)載和地效試驗(yàn)；降落傘等阻力器性能試驗(yàn)； 高速車(chē)船模擬試驗(yàn)；體育運(yùn)動(dòng)器械和徑賽運(yùn)動(dòng)員氣動(dòng)特性研究； 流動(dòng)顯