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水洞是全國科學技術名詞審定委員會公布的一個科技名詞。

漢字作為一種形、音、義三位一體的符號系統[1],源於日月鳥獸之形,作為中華文明之標誌[2],連接中華民族的歷史、現在和未來,方正之間充滿美感。

名詞解釋

水動力學實驗的一種設備,可用來研究邊界層、尾流、湍流、空化、水彈性等現象,以及水流與試驗物體之間的作用力。水洞是一個流速和壓力可以分別控制的水循環系統。水洞的試驗段截面有圓形的,方形的,也有矩形的。水洞的上、下、前、後都有觀察窗。同拖曳水池正好相反,在水洞中移動的不是試驗物體,而是可控水流。水洞的運轉性能類似亞聲速風洞,只是試驗介質不同。最早的水洞是英國C.A.帕森斯於1896年建造的。

結構

水洞的結構如圖所示。在試驗段前有一個提高水流速度和平順水流的收縮段。收縮段的首部裝有整流用的蜂窩器。下部裝有使水流循環的水泵,那裡的壓強大,可以避免泵發生空化;水泵的驅動電機可以調速,以調節洞中水的流速。

水洞有壓力調節系統。水洞上游頂部的密閉箱中有自由水面,水面上有空氣,與真空泵連接。抽出空氣時,可以降低試驗段中的壓強,也可以增加試驗段中的壓強。水河有去氣系統,以減少水中的空氣含量;水通過管路進入去氣塔,去氣後回到水洞。水洞的過濾系統使水保持清潔。水洞的控制系統調控水流速度和壓力,並且調控測試系統和數據處理系統等。

水洞可以是非循環的,即利用有一定水位高度的水庫或水箱,放水流入管道的試驗段做試驗。這類水洞稱為自由落體式,缺點是水速變動幅度受到限制;優點是水洞的背景噪聲很小,湍流度低,適於做噪聲試驗和流態顯示試驗。

水洞還可做成帶有自由液面的,其試驗段的截面為矩形。這種水洞可以做物體位於自由面附近的模擬試驗。有的國家把這種水洞做得相當大,可用來做船體和螺旋槳組合體的試驗。目前世界上最大的水洞在聯邦德國柏林水工和造船研究所。它有自由液面;試驗段截面5米×3米,長1米;洞中心高10.5米;最大水速12米/秒。

製造高速水流(例如進行空蝕和空化機理研究時水速要大於40米/秒)需要很大的功率,所以高速水洞的試驗段截面都很小,直徑為30~40毫米。這種循環水洞有人稱為文丘里環。

試驗水工壩、閘門等建築物的減壓箱也是一種循環管道,其試驗段為箱形。

試驗水泵、水輪機等水力機械用的水洞,其試驗段大多為直立式,以適於裝設翼輪模型。這類水洞,通常稱為空化試驗台。

試驗

在進行空化試驗時,試驗段中會產生成群的氣泡。為了防止這些氣泡經過循環再流入試驗段,水洞必須有一定的高度,以使氣泡流過較長的迴路和較高的壓力區而消除掉;也可以安裝專門的溶器,把氣泡重溶於水中。

有的物體處於其他物體的尾流中,例如螺旋槳處於船後的尾流中,可以在收縮段前部裝設專用的網格,模擬尾流。近年來還在試驗段中安置船尾模型,產生尾流。

進行螺旋槳試驗,要在試驗段的上游或下游裝一根與洞體外部電動機相聯的軸,在試驗段內的軸端上安裝螺旋槳模型。可以在洞體外部的軸上安裝力矩儀、推力儀和轉速儀,也可以在試驗段內安裝壓力傳感器、天平以及空化的聲學觀測儀器,測量定常壓力、脈動壓力、各種力和力矩並確定空化起始條件和各種發展形態等。

參考文獻