本发明涉及流体力学实验技术领域，特别是涉及一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞。
背景技术
众所周知，水洞作为一种用于流动显示和流体测量的实验设备，可以用来研究边界层、层流、湍流、空化、圆柱绕流和水弹性等流体力学现象，以及水下航行器的阻力测量。为了保证水洞在测量过程中的准确性，需要对水洞进行结构优化设计、水动力学设计和动力系统设计。
目前，国内外循环水洞主体的组成部分大致相同，主要包括整流段、收缩段、工作段、扩散段、回流管和动力系统。但是，根据动力方式的不同，主要分为动力式循环水洞和重力式循环水洞。动力式循环水洞是由电机带动螺旋桨驱动水流循环，其优点是动力较强，可以达到较高的流速，但很难避免由于动力装置的振动导致来流均匀性下降的问题，不利于得到平稳的来流。重力式循环水洞又称为恒定水头式循环水洞，它是利用水泵将低位水箱中的水提升到高位水箱，靠高位水箱的重力势能驱动水流流动，重力式循环水洞在水流循环过程中能够通过高位水箱中的溢流板来保持液面恒定，因此，重力循环式水洞可以避免动力装置对来流的扰动，使来流更加平稳。
然而，水下复杂表面的阻力测量对流动的均匀性要求很高，因为一旦受到动力装置振动的干扰，会在很大程度上影响复杂表面阻力测量的结果。同时，受实验空间高度和流量控制系统的限制，现有的重力式循环水洞只能达到较低的流速(小于1.0m/s)，不能满足在较宽的流速范围内(0.01-1.80m/s)复杂表面阻力测试的需求。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞。本发明在有限的实验空间下能够实现宽频变速，可调流速范围为0.01-1.80m/s，同时能够提高流场均匀性，并且对流速可以实现厘米级的精确控制，可以用于水下复杂表面阻力的精准测量。
(二)技术方案
根据本发明的一个方面，提供了一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞，所述重力式循环水洞包括动力系统，所述动力系统包括：
高位水箱，其设置一出水口，作为重力式循环水洞的水源，水由出水口流出；
液位测量装置，用于实时测量高位水箱内的液位，并将测得的液位高度信号输出；
液位控制系统，与液位测量装置连接，根据测得的液位高度信号调整高位水箱内的液位高度，使液位高度保持恒定；
流速调节装置，设置在高位水箱的出水口后面的水流路径上，用于控制流量，使流速达到设定值。
优选地，所述动力系统还包括：
蓄水箱，用于储水，高位水箱上的入水口与蓄水箱的出口连接；
抽水装置，用于将蓄水箱内的水引到高位水箱内；
其中，液位控制系统包括：
控制器，与液位测量装置连接，用于实时接收液位高度信号；
变频器，与控制器连接，控制器根据接收到的液位高度信号调整变频器，抽水装置与变频器连接，变频器及时调控抽水装置的功率，减小或增大抽水装置的流量，使高位水箱的液位高度保持不变。
优选地，流速调节装置为电磁阀，与控制器联动，用于精准地控制流量，进而达到调节流速的目的。
优选地，高位水箱内部设置有溢流板，多余的流体流回蓄水箱，用于协助液位控制系统调节水头的高度。
优选地，所述重力式循环水洞还包括：
整流段，与高位水箱连接，用于调整来流；其中，流速调节装置设置在高位水箱与整流段之间；
收缩段，与整流段连接，用于对上游的来流加速，改善流场的均匀性，降低湍流度；
工作段，与收缩段连接，在此段可以进行流场测量；
扩散段，与工作段连接，用于将水流的动能转换为压能；
回流水箱，其设置一入口，通过所述入口与扩散段连接；
回流管，与回流水箱的出口连接；蓄水箱上设置有入口一，通过入口一与回流管连接。
优选地，高位水箱的出水口由一块u型孔板包围，降低来流的脉动，提高工作段流场的均匀性。
优选地，整流段的内部装有蜂窝器、阻尼网和水平孔板，用于将来流在整流段内进行调整，消除涡结构，提高流场的均匀性。
优选地，收缩段由移轴维氏曲线不锈钢板构成，收缩比为9:1，用于对上游的来流加速，改善流场的均匀性，降低湍流度。
优选地，
工作段的材质为有机玻璃；
扩散段的材质为不锈钢；
回流水箱为开口长方体结构，便于与大气压相通，避免水中气泡在工作段富集。
优选地，
抽水装置为水泵；
液位测量装置为超声波液位计。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本发明通过采用液位控制系统以及流速调节装置，能够在有限的实验空间下实现宽频变速，精确控制流速，高位水箱的液位高度能够一直保持一个恒定高度；
(2)本发明通过高位水箱内设置u型孔板、整流段内设置蜂窝器、阻尼网和水平孔板、以及收缩段采用合适的收缩比和收缩曲线，能够提高工作段流场的均匀性，在工作段出口核心区截面面积85％以内，能够保证流场的不均匀性小于1.8％；
(3)本发明部署灵活、占地面积相对较小，可满足对实验速度的不同需求。
附图说明
图1是本发明的用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞总体结构正视图。
图2是本发明的用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞总体结构俯视图。
图3是图1中整流段结构示意图。
图4是图1中高位水箱结构示意图。
【主要元件】
1、高位水箱2、整流段
3、收缩段4、工作段
5、扩散段6、回流水箱
7、回流管8、蓄水箱
9、抽水装置10、液位测量装置
11、液位控制系统12、控制器
13、变频器14、流速调节装置
15、u型孔板16、溢流板
17、入水口18、出水口
19、溢流口20、蜂窝器
21、阻尼网22、水平孔板
23、支架
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的示例性实施例中，提供了一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞。图1是本发明的用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞总体结构正视图。图2是本发明的用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞总体结构俯视图。图3是图1中整流段结构示意图。图4是图1中高位水箱结构示意图。如图1-图4所示，本发明提供的用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞包括：
高位水箱1，其设置一出水口18，作为重力式循环水洞的水源，水由出水口18流出；
液位测量装置10，安装于高位水箱1之上，用于实时测量高位水箱内的液位，并将测得的液位高度信号输出；
液位控制系统11，与液位测量装置10连接，根据接收自液位测量装置10测得的液位高度信号调整高位水箱内的液位高度，使其保持恒定；
流速调节装置14，设置在高位水箱1的出水口后面的水流路径上，用于控制流量，使流速达到设定值。
本发明的重力式循环水洞还包括：
整流段2，与高位水箱连接，用于调整来流；其中，流速调节装置14设置在高位水箱1与整流段2之间；
收缩段3，与整流段2连接，用于对上游的来流加速，改善流场的均匀性，降低湍流度；
工作段4，与收缩段3连接，在此段进行流场测量；
扩散段5，与工作段4连接，用于将水流的动能转换为压能；
回流水箱6，其设置一入口，通过所述入口与扩散段5连接；
回流管7，与回流水箱6的出口连接；
蓄水箱8，其设置入口一，通过所述入口一与回流管7连接，用于储水；
其中，高位水箱1还设置一入水口17，通过水管与蓄水箱8的出口连接，将蓄水箱8内的水引到高位水箱1内；
抽水装置9，用于将蓄水箱8内的水引到高位水箱1内；
支架23，用于支撑整个重力式循环水洞。
在本发明中，由于重力作用，水从高位水箱1流出，依次流经流速调节装置14、整流段2、收缩段3、工作段4、扩散段5、回流水箱6、回流管7、蓄水箱8，再由蓄水箱8中的抽水装置9将水抽吸到高位水箱1，实现水的循环流动。
以下分别对本发明重力式循环水洞的各个组成部分进行详细描述。
高位水箱1内部设置有溢流板16，用于协助液位控制系统11调节水头的高度。溢流板16将高位水箱分为两部分，未包含入水口的一侧为溢流区，溢流区底部设置溢流口19，溢流口19由一段圆形水管与蓄水箱8的入口二连接。出水口18由一块u型孔板15包围，可以降低来流的脉动，提高工作段流场的均匀性。另外，高位水箱1的入水口与蓄水箱8的出口之间的连接水管优选为圆形水管。在高位水箱1内设置有溢流板16，多余的流体就流回蓄水箱8，可以协助液位控制系统来粗略地调节水头的高度。
作为一种具体实施方式，整流段2内部装有蜂窝器20、阻尼网21和水平孔板22，可以将来流在整流段2内进行调整，消除涡结构，提高工作段流场的均匀性，大涡通过蜂窝器20切割成小涡，又将横向流动的水流导直，阻尼网21可以降低水流的湍流度。优选地，水平孔板为2道、蜂窝器为1道，阻尼网为3道。
在一实施例中，收缩段3由移轴维氏曲线不锈钢板构成，其长度为250mm，收缩比为9:1。收缩段3可以对上游的来流加速，改善工作段流场的均匀性，降低湍流度。
工作段4为方形截面，由三段组成，每段的长度均为0.5m，工作段的截面尺寸为50mmx50mm，材质为有机玻璃，便于采用粒子图像测速系统(piv)进行实验测量。
对于扩散段5，材质为不锈钢，可以将水流的动能转换为压能，既能降低能量损失，又利于水流的稳定。
回流水箱6，为开口长方体结构，便于与大气压相通，避免水中气泡在工作段4富集。
回流管7，优选为圆形水管，连接回流水箱6和蓄水箱8，实现水的循环流动。
作为一种具体实施方式，抽水装置9优选为水泵，位于蓄水箱8内，是重力式循环水洞的动力装置，可以将蓄水箱8的水抽吸到高位水箱1，型号根据流速的范围确定。
对于液位测量装置10，能够实时测量高位水箱1的液位高度，并将测得的液位高度信号输出，液位测量装置10优选为超声波液位计，本领域技术人员应当明白，液位测量装置10并不局限于此，只要能够实现液位高度测量即可。
在某一实施例中，液位控制系统11主要包括控制器12和变频器13，控制器12与液位测量装置10连接，用于实时接收液位高度信号，变频器13与控制器12连接，控制器12根据接收到的液位高度信号调整变频器13，抽水装置9与变频器13连接，变频器13及时调控抽水装置9的功率，减小或增大抽水装置9的流量，使高位水箱1的液位高度保持不变。具体地，控制器12实时接收液位测量装置10测得的液位高度信号，并将其与设定的液位高度信号进行分析比较，当测得的液位高度值大于设定的液位高度时，控制器12根据接收到的液位高度信号调整变频器13，变频器13及时调控抽水装置9的功率，从而减小抽水装置9的流量；当测得的液位高度值小于设定的液位高度时，控制器12根据接收到的液位高度信号调整变频器13，变频器13及时调控抽水装置9的功率，从而增大抽水装置9的流量。因此，高位水箱1的液位高度能够一直保持一个恒定值。
作为一种具体实施方式，流速调节装置14优选为电磁阀，与控制器12联动，用于精准地控制流量，进而达到精准调节流速的目的。在通过电磁阀14调节流速的过程中，结合粒子图像测速系统(piv)测量重力式循环水洞工作段的流速，不断地调节电磁阀14，直到达到设定的流速为止。
至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明一种用于水下复杂表面减阻测量的重力式循环水洞有了清楚的认识。本发明能够在有限的实验空间高度(小于2m)下，实现速度范围为0.01-1.80m/s的宽频变速。本发明的重力式循环水洞部署灵活、占地面积相对较小的特点，可满足对实验速度的不同需求。重力式循环水洞在流动显示、流体测量等多个方面也有广泛的应用。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单的更改或替换。
还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。
应注意，贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在以下描述中，一些具体实施例仅用于描述目的，而不应该理解为对本发明有任何限制，而只是本发明实施例的示例。在可能导致对本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。应注意，图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。