一种立式循环水槽的加压补水装置的制作方法

本发明涉及的是一种立式循环水槽，具体地说是一种立式循环水槽的加压补水装置。

背景技术：

立式循环水槽是一种通过内部的螺旋桨驱动水流，能够在工作段内形成不同流速稳定水流的装置，广泛用于船模阻力分析、水动力性能测试等方面，近年来也已开展利用循环水槽校准海流计的工作。当螺旋桨在旋转、推动水的过程中，会对水产生一定的压力，从而压缩循环水槽内的水，造成循环水槽内所充水的体积减少，易在循环水槽的拐角段处(第一拐角段、第四拐角段)形成空腔，从而在循环的水中产生气泡(空泡)，这些气泡会随着水流运行至螺旋桨处，在溃灭过程中，产生的激波能够严重破坏桨叶表面，使得螺旋桨旋转过程偏心，产生巨大的背景噪声；同时，气泡还造成循环水槽工作段处的流场不再均匀，使得计量校准海流计的工作失效。

目前，国内的立式循环水槽多采用水泵进行补水、加压，利用循环水槽的最高点进行放气，以消除不同拐角段处形成的空泡。由于水的压缩系数特别小，而水泵进水加压过程是一个持续的加压过程，只适合对大型的循环水槽进行加压补水，并不适合对小型循环水槽进行加压补水；同时，水泵加压补水的过程自适应能力较差，很难使循环水槽内的水保持恒定的压强，特别是循环水槽内完成高流速测试、降低流速过程中，会造成循环水槽内的压力陡然增高，对循环水槽的局部密封结构是一种极大的挑战，经常造成循环水槽新增漏水点，这也是原因之一。因此，要开展利用小型立式循环水槽精细计量校准海流计的工作，首先要解决的问题就是如何对立式循环水槽进行加压和补水，其次，要解决如何使循环水槽内的压强保持恒定。

公开号为cn205002951u的专利文件中公开的一种小型沉积水槽泥沙循环及流量定量控制系统，能够实现同时进行的水循环和泥沙循环，并可以采用价格低廉的大流量水泵来实现对水流的定量控制，降低成本，但其中并未涉及循环水槽的加压设计方法。

立式循环水槽模型性能的实验研究(夏君培，镇江船舶学院学报，1989)中，采用真空除气系统，消除循环水槽中流道中的气泡，使得流场性能得到改善，该方法采用的是减压除气方法，必须有气、水分离设备，没有涉及循环水槽的加压、补水和压强恒定问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有良好的压强自适应调节功能的立式循环水槽的加压补水装置。

本发明的目的是这样实现的：包括涡流抑制杠、消涡齿、碎波锥、第一立管、第一斜管、储水箱、第二立管、活塞、压载、放气阀、注水阀、第三立管、第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管、第一导流槽、第二导流槽、第五立管和横管，涡流抑制杠位于立式循环水槽的第四拐角段内部的顶部，消涡齿设置在涡流抑制杠上，碎波锥位于第一立管的管口，第一立管位于立式循环水槽第四拐角段的顶部，第一斜管连接于第一立管和储水箱之间，第二立管位于储水箱的顶端，活塞位于第二立管中，压载放置置于活塞的上表面，放气阀位于储水箱的顶部，注水阀位于储水箱的顶部，第三立管位于储水箱的底部，第四立管连接于第三立管与第二导流槽之间，第二斜管、第三斜管、第四斜管和第五斜管分别连接于第四立管与第二导流槽之间，第一导流槽位于立式循环水槽第一拐角段的顶部，第二导流槽位于立式循环水槽第一拐角段的顶部、且第二导流槽位于第一导流槽之后，第五立管位于储水箱的底部，横管位于第五立管与立式循环水槽第二拐角段的侧壁之间。

本发明还可以包括：

1、涡流抑制杠为两段构造，两段之间的夹角为120度，涡流抑制杠的剖面形状为半圆形。

2、消涡齿为锯齿型构造，位于涡流抑制杠夹角的前端。

3、碎波锥为倒圆锥结构，圆锥底面的直径为第一立管内径的1/2，圆锥的顶点位于第一立管管口截面的中心。

4、第一立管为圆形管，第一立管的管口平面与消涡齿的齿尖平面平齐。

5、第一斜管为圆形管，管径与第一立管相同。

6、储水箱的两端为半球壳、中间略凸的圆柱段构造。

7、第二立管为圆形管，安装在储水箱的顶端。

8、活塞为圆盘构造，在圆盘的上表面有一小杆，圆盘的两侧开槽，放置密封环。

9、压载为中间通孔的圆柱构造，通孔的内径稍大于活塞上表面小杆的外径，压载的外径略小于第二立管的内径。

10、第三立管为圆形管，安装在储水箱的底部。

11、第四立管为圆形管；第二斜管为圆形管；第三斜管为圆形管；第四斜管为圆形管；第五斜管为圆形管；第一导流槽的截面为半圆形；第二导流槽的截面为半圆形，第二导流槽的内径为第四立管内径的2倍；第五立管为圆形管；横管为方形管。

12、活塞的侧面安装密封环。

13、横管的末端设置整流网。

14、第一立管底端的侧壁上设置压力表。

本发明的有益之处在于：首先，涡流抑制杠能够聚集立式循环水槽第四拐角段中气泡，消涡齿将大气泡破碎成小气泡，经第一立管、第一斜管到达储水箱，沿着储水箱中间略凸的构造进行运动，进而到达第二立管内；其次，涡流抑制杠紧贴在立式循环水槽第四拐角段内部的顶部，起到涡流发生器的作用，对其后的流场进行能量补充，抑制立式循环水槽第四拐角段所发生的流动分离，减少气泡(或空泡)的发生；再次，碎波锥能够抑制水流经过管口形成的自旋涡流，加上消涡齿的流动调节作用，使得第一立管的接入没有影响到循环水槽内的流场；最后，第一导流槽会抛出小的漩涡，能够将外部的高能流体的动能引入至边界层的低能流体中，对立式循环水槽第一拐角段顶部的边界层进行能量注入，抑制流动分离；第二导流槽会收集立式循环水槽运行过程中产生的气泡、以及第一拐角段顶部流动分离产生的气泡，这些气泡经第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管和第三立管后到达储水箱，沿着储水箱中间略凸的构造，到达第二立管；第二导流槽抛出的漩涡也会对立式循环水槽第一拐角段处的边界层进行能量注入，从而抑制流动分离，使得第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管接入所引起的流动破坏作用减至最小，尽最大可能保持循环水槽内部流场的稳定。

本发明的有益之处还在于：首先，利用压载的重力作用施加至活塞，对第二立管内的空气产生恒定的压强，该压强会传递至储水箱内部的水，经第一斜管、第一立管、第三立管、第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管、第五立管、横管分别加载至循环水槽的第四拐角段、第一拐角段、第二拐角段，实现对立式循环水槽的加压；其次，储水箱内部的水能够吸收气体在压缩过程中产生的热效应，降低第二立管中活塞的摩擦生热效应，使得活塞和密封环可多次重复使用；再次，当第一立管和第三立管中有大量的气泡上浮至储水箱后，会缓缓地沿着储水箱的顶面上升至第二立管的管口处，由于活塞能够在第二立管中上下运动，气泡体积的膨胀作用会推动活塞和压载上移，继续保持储水箱内部的压强恒定，因此，当压载(即所需压强)设定之后，循环水槽内部的压强不会因为气泡的大量溢出而发生变化，该立式循环水槽的加压补水装置具有很好的自适应功能，从而保持循环水槽内部的压强恒定；最后，横管放置在立式循环水槽的第二拐角段处，能够补充当螺旋桨由低转速向高转速运行过程中快速吸走的水流，进而抑制螺旋桨瞬间提速在第二拐角段处发生的流动分离；除此之外，当螺旋桨由高转速向低转速运行时，对水的压力减小，使得循环水槽内水的体积膨胀，此时水膨胀的部分会经第一立管、第一斜管、第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管、第三立管、横管、第五立管输运至储水箱内，使得储水箱内压强增加，进而推动第二立管内的活塞上移，消耗掉转速降低时产生的水体积膨胀部分，保持循环水槽内的压强恒定；值得一提的是，该立式循环水槽的加压补水装置，在实现循环水槽加压的同时，还能够实现水流的快速补充，使得立式循环水槽工作段内流场均匀，是对小型循环水槽工作过程中的一个极佳的压力与流量的补偿装置。

附图说明

图1为立式循环水槽的加压补水装置的整体框图；

图2为涡流抑制杠和消涡齿的安装示意图；

图3为第一立管、碎波锥的示意图；

图4为第四立管、第二斜管、第三斜管、第四斜管、第五斜管的示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

图中附图标记分别代表：1为涡流抑制杠、101为第一涡流抑制杠、102为第二涡流抑制杠、2为消涡齿、3为碎波锥、301为剑、302为剑、4为第一立管、41为第一立管安装法兰、5为第一斜管、51为第一斜管安装法兰、6为储水箱、61为观察窗、7为第二立管、8为活塞、81为活塞杆、91为o型圈+聚四氟乙烯滑环、92为o型圈+聚四氟乙烯滑环、10为压载、11为放气阀、12为注水阀、13为压力表、14为第三立管、141为法兰、15为第四立管、150为法兰、151为第二斜管、152为第三斜管、153为第四斜管、154为第五斜管、161为第一导流槽、162为第二导流槽、17为第五立管、171为法兰、18为横管、181为法兰、182为法兰、183为横管18的弯头、19为整流网、30为立式循环水槽、31为第一拐角段、311为上盖板、32为第二拐角段、321为法兰、33为第四拐角段、331为上盖板、401为球阀、402为球阀、403为球阀。

本发明的立式循环水槽的加压补水装置包括涡流抑制杠1、消涡齿2、碎波锥3、第一立管4、第一斜管5、储水箱6、第二立管7、活塞8、密封环、压载10、放气阀11、注水阀12、压力表13、第三立管14、第四立管15、第二斜管151、第三斜管152、第四斜管153、第五斜管154、第一导流槽161、第二导流槽162、第五立管17、横管18、整流网19，立式循环水槽30的外形尺寸：长为4.9m、宽为0.4m、高为2.3m，流速范围为0.1m/s-3m/s。

经测试可知：当流速为3m/s时，第四拐角段33的壁面边界层厚度约为0.008m，故此，涡流抑制杠1的外径设计为0.016m；涡流抑制杠1是由第一涡流抑制杠101和第二涡流抑制杠102组成，第一涡流抑制杠101和第二涡流抑制杠102的剖面均为半圆形，第一涡流抑制杠101和第二涡流抑制杠102之间的夹角为120度，第一涡流抑制杠101的一端与立式循环水槽30第四拐角段33处上盖板331的侧壁相接，第一涡流抑制杠101的另一端位于立式循环水槽30第四拐角段33处上盖板331顶部的中心，第二涡流抑制杠102的一端与立式循环水槽30第四拐角段33处上盖板331的侧壁相接，第二涡流抑制杠102的另一端位于立式循环水槽30第四拐角段33处上盖板331顶部的中心，涡流抑制杠1的材质为不锈钢，焊接在上盖板331处。

消涡齿2为波浪形锯齿结构，锯齿长度为0.0015m，周期为0.0015m，消涡齿2的材质为不锈钢，焊接在第一涡流抑制杠101和第二涡流抑制杠102的夹角处。

碎波锥3为一倒圆锥结构，底面外径为0.04m，高度为0.08m，碎波锥3的材质为不锈钢，与剑301和剑302焊接在第一立管4的管口，碎波锥3的轴线与第一立管4的轴线重合，碎波锥3的顶点处于第一立管4的管口截面中心。

第一立管4为圆形管，圆形管的内径为0.08m，长度为0.30m，第一立管4的材质为不锈钢，第一立管4焊接在上盖板331处，第一立管4的边缘刚好与第一涡流抑制杠101和第二涡流抑制杠102交角的下缘重合，第一立管4的另一端焊接法兰41。

第一斜管5为圆形管，圆形管的内径为0.08m，长度为0.30m，第一斜管5的材质为不锈钢，第一斜管5的一端焊接法兰51，第一斜管5的另一端焊接在储水箱6的底部。

储水箱6的两端为半球壳构造，中间为略凸的圆柱构造，由不锈钢材料焊接制成，储水箱6的半球壳内径为0.2m，圆柱段长2m，圆柱段中心处的内径为0.22m，在储水箱6的上表面安装观察窗61，观察窗61由有机玻璃制成，圆形、直径为0.01m，用于观察储水箱6内的水位。

第二立管7为圆形管，内径为0.05m，长度为1.5m，第二立管7焊接在储水箱6的中段的上部，第二立管7的材质为不锈钢，内壁抛光、涂以润滑脂。

活塞8为一圆柱形构造，外径为0.048m，高度为0.05m，活塞8的材质为铝合金，在活塞8的两侧开槽，放置密封环，在活塞8的顶部焊接铝合金制成的圆柱杆81，圆柱杆81的外径为0.005m,长度为1.5m，用于放置压载10。

密封环由o型圈+聚四氟乙烯滑环91和o型圈+聚四氟乙烯滑环92组成，用于完成活塞8在第二立管7中的上下往复运动时的动密封。

压载10为带通孔的圆柱形铅饼，通孔的内径稍大于圆柱杆81的外径，铅饼的外径略小于第二立管7的内径，可灵活放置在活塞8的上表面。

放气阀11安装在储水箱6的上表面。

注水阀12安装在储水箱6的上表面。

压力表13为0.25级的精密压力表，安装在第一立管4的侧面。

第三立管14为圆形管，内径为0.04m，长度为0.21m，第三立管14的材质为不锈钢，焊接在储水箱6的下表面，第三立管14的另一端焊接法兰141。

第四立管15为圆形管，内径为0.04m，长度为0.30m，第四立管15的材质为不锈钢，第四立管15的一端焊接法兰150，第四立管15的另一端焊接在第二导流槽162的上部。

第二斜管151为圆形管，内径为0.04m，长度为0.32m，第二斜管151的材质为不锈钢，第二斜管151的一端焊接在第四立管15的侧壁，第二斜管151的另一端焊接在第二导流槽162的上部。

第三斜管152为圆形管，内径为0.04m，长度为0.36m，第三斜管152的材质为不锈钢，第三斜管152的一端焊接在第四立管15的侧壁，第三斜管152的另一端焊接在第二导流槽162的上部。

第四斜管153为圆形管，内径为0.04m，长度为0.32m，第四斜管153的材质为不锈钢，第四斜管153的一端焊接在第四立管15的侧壁，第四斜管153的另一端焊接在第二导流槽162的上部。

第五斜管154为圆形管，内径为0.04m，长度为0.36m，第五斜管154的材质为不锈钢，第五斜管154的一端焊接在第四立管15的侧壁，第五斜管154的另一端焊接在第二导流槽162的上部。

导流槽161的截面呈半圆形，内径为0.016m，长度为0.4m，导流槽161的材质为不锈钢，长度与立式循环水槽30的第一拐角段31的上盖板311的宽度相等，导流槽161嵌入至上盖板311的顶部。

导流槽162为半圆形构造，内径为0.08m，长度为0.4m，导流槽162的材质为不锈钢，长度与立式循环水槽30的第一拐角段31的上盖板311的宽度相等，导流槽162嵌入至上盖板311的顶部，导流槽162的顶部分别焊接第四立管15、第二斜管151、第三斜管152、第四斜管153、第五斜管154。

第五立管17为圆形管，内径为0.04m，长度2.6m，第五立管17的材质为不锈钢，焊接在储水箱6的底部，第五立管17的另一端焊接法兰171。

横管18为方形管，管口截面尺寸0.035×0.035m²，长度0.4m，横管18的材质为不锈钢，横管18一端焊接法兰182，横管18的另一端焊接弯头183，弯头183的一端焊接法兰181。

整流网19为不锈钢材质的筛网，目数为5，孔径为0.004m，用于对横管18的进水进行整流。

球阀401安装在第一立管4的下端；球阀402安装在第三立管14的下端；球阀403安装在第五立管17的下端。

立式循环水槽30在充水、启动后，当流速为0.1m/s时，工作段处未观察到有气泡产生，但是，当流速增大至3m/s时，在工作段处观察到有明显的气泡，这对海流计的校准工作开展尤为不利。

将立式循环水槽30的第一拐角段31的上盖板311拆除，安装带导流槽161、导流槽162、第四立管15、第二斜管151、第三斜管152、第四斜管153、第五斜管154的上盖板311，利用硅胶垫、螺栓和螺母(m8)将第三立管14下端的法兰141和第四立管15上端的法兰150固定在一起；将立式循环水槽30的第四拐角段33的上盖板331拆除，安装带涡流抑制杠1、消涡齿2和第一立管4的上盖板331，利用硅胶垫、螺栓和螺母(m8)将第一立管4上端的法兰41和第一斜管5下端的法兰51固定在一起，此时储水箱6正好位于立式循环水槽30的上方；在循环水槽30的第二拐角段32侧壁开孔、焊接法兰321，利用硅胶垫、螺栓和螺母(m8)将横管18一端的法兰182与法兰321固定在一起，利用硅胶垫、螺栓和螺母(m8)将横管18弯头183处的法兰181与第五立管17一端的法兰171固定在一起，此时储水箱6就牢固地安装在立式循环水槽30的正上方。

安装完成后，关闭球阀401、关闭球阀402、关闭球阀403；开动循环水槽30，当流速增加至3m/s时，打开球阀401、打开球阀402、打开球阀403、打开放气阀11，由注水阀12开始加水，并由观察窗61观察储水箱6内的水位，当储水箱6内的水位加至最高点处，此时压力表13的示数为8kpa；将密封环放入至活塞8侧面的沟槽内，将活塞8放入第二立管7中，通过活塞杆81，将压载10放置在活塞8的上表面；在本实施例中压载10(铅块)的总质量为63kg，此时压力表示数为300kpa，即对循环水槽30施加了300kpa的压强，循环水槽30工作段处没有气泡产生，即该立式循环水槽的加压补水装置可靠地消除了循环水槽30在高流速运行过程中产生的气泡。