一种模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的制作方法

本发明属于机械设计领域，更具体的说，是涉及一种模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统。

背景技术：

随着海洋资源与能源的不断深入探测和开采，海洋装备特别是深海装备已经成为世界各国装备制造业关注的焦点。深海环境是一种低温、高压、强腐蚀性的恶劣环境，其对处在其中的装备提出了严格而又苛刻的要求。设备要想稳定、持续、可靠地在深海环境下生存、实验、工作必须满足以下五个条件：一是装备良好的密封性，二是装备有足够的强度和刚度，三是装备良好的耐腐蚀性，四是装备携带足够的能量同时设备在低温下能够生存，五是装备优良的水动力学性能。

在目前深海装备的研发过程是首先根据相关理论进行样机设计，主要是常规设计和仿真，其次是样机的实际实验，最后根据实验结果结合理论分析定型最终的设计方案，完成装备的研发。其中第二阶段样机的实验，要完成以上五个条件下的实验测试需要至少两套仪器设备，深海模拟打压装置(验证装备耐压和密封，主要测试装备外壳的强度刚度和密封方案)和水洞(装备的水动力学性能测试)。而此两种设备存在测试成本高，测试周期长，单独测试装备的某一方面的性能，忽略了不同性能之间的耦合关系，同时也忽略了盐度对试验的影响使得试验不能完全模拟真实的深海环境。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统，旨在集深海装备耐压性、密封性、耐腐蚀性和水动力特性综合测试于一体，尽可能在压力、温度、盐度和海流等方面模拟真实深海环境，能够准确、高效、可靠地完成深海装备的关键性技术指标测试，进而从整体上为深海装备的研发提供一套便利、可行、经济的测试设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统，包括密闭空间，所述密闭空间地基上铺设有导轨，所述密闭空间内设置有高压储水箱和储水舱，所述高压储水箱通过管路连接有高压水泵站；所述高压储水箱出水口和储水舱进水口之间依次连接有弯头管道、稳定管道、收缩管道、试验管道和扩散管道，所述高压储水箱进水口和储水舱出水口之间连接有回流管道，所述回流管道设置有盐度调节子系统；所述试验管道底部设置有沿导轨滑动的移动装置，所述试验管道两端均设置有高压阀门和伸缩装置，试验管道两端外壁均设置有电机，所述高压阀门用于控制试验管道与收缩管道、扩散管道的连通，所述电机的伸缩轴分别与其所在端的高压阀门连接，控制伸缩装置的伸长缩短，所述试验管道内部设置有悬臂导轨，所述悬臂导轨设置有可移动悬臂；所述试验管道和储水舱均设置有卸荷放水装置，所述储水舱出水口连接的回流管道设置有回路水泵。

所述密闭空间内设置有温度调节子系统，所述温度调节子系统包括空调系统和温度传感器，所述空调系统设置于密闭空间内，所述温度传感器设置于试验管道内。

所述密闭空间内设置有计算机控制台，主要是控制水洞试验参数(温度、盐度、压强、流速)以及整个试验过程的控制和相关实验数据的采集。

所述卸荷放水装置采用卸荷溢流阀。

所述盐度调节子系统包括无机盐调和装置和ph测试装置，所述无机盐调和装置根据所试验的海域海水组分和浓度进行调配，将调配好的溶质释放到整个管道回路中，保证释放后的回路水流盐度组分和浓度与所实验海域相同或处于误差范围内；所述ph测试装置实时监测回路酸碱性，为被测物体腐蚀测试和研究提供相关数据。

所述高压储水箱顶部设置有排气孔，所述高压储水箱、储水舱、稳定管道、回流管道的底部均设置有支撑座。

所述稳定管道内设置有蜂孔装置，所述收缩管道为横截面减小的圆台管，所述试验管道为圆柱形透明管道，所述扩散管道为横截面增大的圆台管。

所述试验管道和回流管道之间设置有高速拍照成像系统。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

本发明的模拟真实海洋环境新型水洞实验系统具有如下功能：保证内部可以加压0～60mpa，系统本身足够承受内压且保证优良的密封性，同时测量装备的应变和变形；可以在一定范围内任意调节系统内流体的盐度；可以灵活调节实验系统内部的温度，-10℃～40℃之间调节；可以调节实验系统内部流体的流速，调节被测设备位姿，进而测量其水动力学性能；该系统可以实时显示内部的温度、盐度、密度、压力、ph值、被测模型的水动力。

应用模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统可以以一种最为接近真实深海环境的条件对深海装备进行综合测试。由于该系统集耐压密封性和水动力性能测试于一体，采用了集成思想和先进的测试技术，所以该系统可以高效、精准、可靠、经济地完成深海装备研发过程中最后测试任务，达到较低的时间、经济成本实现最优测试和设计的目的。

附图说明

图1是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的立体图；

图2是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的主视图；

图3是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的俯视图；

图4、图5是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的局部示意图；

图6至图8是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统的局部放大图；

图9是本发明模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统中稳定管道示意图；

图10是本发明中试验管道与收缩管道、扩散管道的连接示意图；

图11是本发明中试验管道与收缩管道、扩散管道的连接主视图；

图12是本发明中试验管道两端结构示意图；

图13是本发明中试验管道内部悬臂导轨的布置图。

附图标记:1密闭空间，2计算机控制台，3温度调节子系统，4导轨，5高压储水箱，6弯头管道，7稳定管道，8收缩管道，9试验管道，10扩散管道，11储水舱，12回流管道，13高压水泵站，14蜂孔装置，15移动装置，16卸荷放水装置，17高压阀门，18伸缩装置，19电机，20悬臂导轨，21回路水泵，22盐度调节子系统；23支撑座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图13所示，本发明的模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统，能够模拟最接近真实海洋环境，稳定、快速、准确地通过各系统之间的配合完成被测物体的水动力学性能测试。主要包括密闭空间1，所述密闭空间1内的温度可控，保证了整个试验系统与外界无热量交换，为整个试验提供一个保温的实验空间。所述密闭空间1地基上铺设有导轨4，所述密闭空间1内设置有高压储水箱5和储水舱11，所述高压储水箱5通过管路连接有高压水泵站13。所述高压储水箱5出水口和储水舱11进水口之间依次连接有弯头管道6、稳定管道7、收缩管道8、试验管道9和扩散管道10。所述试验管道9底部设置有移动装置15，通过电机传动系统控制试验管道9沿着导轨4移动，从而控制试验管道9是否接入水洞环路中。所述试验管道9两端均设置有高压阀门17和伸缩装置18，试验管道9两端外壁均设置有电机19，所述高压阀门17用于控制试验管道9与收缩管道8、扩散管道10的连通，所述电机19的伸缩轴分别与其所在端的高压阀门17连接，控制伸缩装置18的伸长缩短，进而控制试验管道9的伸长缩短，所述试验管道9内部设置有悬臂导轨20，所述悬臂导轨20设置有用于固定被测物的可移动悬臂。

所述高压储水箱5进水口和储水舱11出水口之间连接有回流管道12，所述回流管道12设置有盐度调节子系统22，主要是配比真实海试环境盐分的组分和浓度，同时计算回路密度和测量回路ph值。所述盐度调节子系统22其核心就是一个无机盐调和装置，根据所试验的海域海水组分和浓度进行调配，将调配好的溶质释放到整个管道回路中，保证释放后的回路水流盐度组分和浓度与所实验海域相同或处于误差范围内。盐度调节子系统22根据目前管道回路中的压力、盐度等信息计算出管道回路中的液体密度，反馈至计算机控制台2，同时盐度调节子系统22还配有ph测试装置，实时监测回路酸碱性，为被测物体腐蚀测试和研究提供相关数据。

所述高压储水箱5顶部设置有排气孔，所述高压储水箱5、储水舱11、稳定管道7、回流管道12的底部均设置有支撑座23。所述试验管道9和回流管道12之间设置有高速拍照成像系统。所述试验管道9和储水舱11均设置有卸荷放水装置16，所述卸荷放水装置16采用卸荷溢流阀，用于高压回路卸荷和回路放水，保证整个系统的安全性和同时调节系统压力。所述储水舱11出水口连接的回流管道设置有回路水泵21，用来将试验管道9流出的水重新泵到高压储水箱5，同时控制水流速度。

所述密闭空间1内设置有温度调节子系统3，所述温度调节子系统3包括空调系统和温度传感器，所述空调系统设置于密闭空间内，所述温度传感器设置于试验管道9内。空调系统通过制冷和加热调节密闭空间1的温度，通过试验管道9内部温度传感器实时反馈给计算机控制台2，采集试验管道9温度数据，同时调配空调系统，始终保持整个试验系统特别是试验管道9内部温度保持在设定温度。

所述密闭空间1内设置有计算机控制台2，是整个发明的控制中心，主要是控制水洞试验参数(温度、盐度、压强、流速)以及整个试验过程的控制和相关实验数据的采集。计算机控制台2分别通过各种数据线连接试验系统的每一个终端，如高压水泵站13、回路水泵21、温度调节子系统3、盐度调节子系统22、电机19、移动装置15等

所述密闭空间1、导轨4、移动装置15、计算机控制台2作为本发明的实验辅助子系统。所述高压水泵站13、回路水泵21、高压阀门17、卸荷放水装置16作为本发明的压力调节子系统。高压水泵站13向高压储水箱5中提供工作介质水和持续的高压水，为系统提供增压，负责为整个回路注水，一般注水和高压增压注水。高压阀门17是用于将试验管道9从回路中隔开，锁定试验管道9的水流和水压，作为耐压可密封性测试子系统。卸荷放水装置16用于整个回路卸压和压力调节。

所述试验管道9作为本发明的水动力学测试子系统，其主要实现水槽、水池拖拽和水洞试验功能，将高压阀门17关闭，在试验管道9的可移动悬臂上安装被测试物体，在传动系统带动下可移动悬臂移动，可以做小规模的水池或水槽拖拽试验。当打开高压阀门整个回路连通将被测物体固定在水洞试验管道中，调节试验管道9内的温度参数、压力参数，调节水流速度，从而进行模拟真实海洋环境下的水洞试验。试验管道9配有常规水洞的所有仪器设备(包括水动力学测试仪器等)。

所述高压储水箱5、弯头管道6、稳定管道7、收缩管道8、试验管道9、扩散管道10、储水舱11、回流管道12作为本发明的水洞循环子系统，是整个试验系统的主体，其包含常规水洞必备的部分以外新增了部分结构，同时也改进了一些重要部分。高压储水箱5配合高压水泵站13为水流回路提供流动的动力，同时高压储水箱5也是向系统注水的装置。稳定管道7内设置有蜂孔装置14使得从高压储水箱5中流来的水流稳定下来，稳定流进收缩管道8。收缩管道8为横截面减小的圆台管，使得稳定下来的水流进一步加速稳定流入试验管道9。试验管道9为圆柱形透明管道，扩散管道为横截面增大的圆台管，让从试验管道9流出的水流缓和下来流入储水舱11。回流管道12主要是将试验完的水流导回到高压储水箱5，途中经过盐度调节子系统22。

本发明中试验管道9两端的高压阀门17与收缩管道8、扩散管道10之间的密封以及其余部件之间的密封均采用符合国家相关标准的密封形式和规格，保证试验设备的良好密封，耐压设计复合国家标准，其他机械结构设计复合国家相关标准。

该种模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统有如下功能：模拟真实温盐、压力条件深海环境下(1)对深海装备进行耐压及密封性测试，包括装备的结构应变；(2)对深海装备进行水动力学性能测试；(3)仿真实海洋环境条件下ph值监控，检测设备腐蚀情况，并为防腐蚀方案设计提供数据支撑。

本发明的模拟真实海洋环境的新型水洞实验系统可实现模拟真实海洋环境下的水动力学试验。首先通过试验管道两端的伸缩装置18将试验管道9缩短，在移动装置15作用下将试验管道9移出回路，将高压阀门22打开，把试验管道9中的安装在悬臂导轨20上的可移动悬臂移出来，将被测物体安装固定好，将其放回试验管道9内，如果进行水洞试验则将可移动悬臂固定在悬臂导轨20上，否则可以把两端高压阀门17关闭以后做水池或是水槽拖拽试验。将试验管道9移动到回路原来位置，在伸缩装置18作用下，将试验管道9连接到回路中，锁紧，打开高压阀门17。其次调节好两个卸荷放水装置16的压力初值，打开高压储水箱5的排气孔，开启高压水泵站13快速挡位，快速往回路中注水，待水注满以后，关闭排气孔，调节高压水泵站13注水挡位，实现增压注水，知道回路压力达到预设压力。目前可以实现试验管道9的被测物体耐压性测试，通过观察试验管道9压力变化判断被测物体是否发生泄漏，通过精密相机拍摄判断其结构是否发生变形，如果需要保压较长时间，可以将试验管道9以外的水压卸掉。如果压力测试没问题，即可进行模拟真实海洋环境下的水动力学试验。设定环境温度，同时设定试验环境中盐的组分及浓度，打开高压阀门17，开启回路水泵21，缓慢释放配好的溶质。等到计算机控制台2显示温度、盐度、压力正好是设定值时，关闭高压水泵站13，开始试验并采集水动力学试验数据。然后试验完成以后，关闭回路水泵21，卸荷，排水。最后取出被测物体。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。