流体阻力及噪声实验台设计开题报告..doc

1 实验台设计背景 1.1流体减阻的意义 随着人类科学技术不断的进步，社会经济也在不断发展，从而对资源的消耗也在不断地加大，能源短缺的问题，正逐渐对人类生存构成威胁。因而在载运工具的设计中，节能是人类一直追求的目标,其主要途径之一就是尽量减少阻力。长期以来，研究人员一直在寻找有效减小阻力的方法与技术。主要集中于形体减阻技术与方法的研究。所谓形体减阻就是通过改变物体几何形状来实现减阻的技术与方法。根据物体在气体(如空气等)、流体(如水、油等)及固体(如土壤、煤等)介质系统的不同情形，将形体减阻分为气体减阻、流体减阻、固体滑动减阻3类[1]。对于本课题研究的流体减阻，其的理论与应用研究方面也取得了较大的进展，最早的应用是减小消防系统阻力和增大喷射高度、城市下水道的洪水排污、船舶和水下运动的武器等方面[2-5]。目前，随着对减阻研究的进一步深化以及一些关键工艺的解决，减阻技术的应用已扩展到石油勘探、开采以及原油管道的长距离运输等方面。 降低阻力与节约能源、提高速度、消声减振、提高效率等密切相关。(1)降低阻力是节能的一个重要方面。粘性阻力在运输工具的总阻力中占50%以上[6]，Lynch做过如下估算：按照当时的燃料价值，对于一架像DC-10尺寸大小的飞机，升阻比每提高百分之一，每年可节约燃料费10万美元。减小飞行器阻力还意味着，在相同条件下提高运输工具的载运量或增加航程；(2)降低阻力在军事武器上尤其受到重视。弹体外形的发展是随着科学技术的发展、军事对抗的需要而不断发展的。高速、远射程一直是人们努力追求的目标，而减小阻力是一个较为有效的途径。有效地减小弹体在飞行过程中受到的阻力，可以提高飞行速度，加强对敌方的压制力，携带更多的弹药，提高爆炸力；(3)减阻与环保和竞技体育密切相关。随着人们环保意识的增强，对许多流体机械类产品提出了低噪音 要求，而噪音来源于固体壁面与气流的相互作用。如能有效地控制湍流边界层，减小壁面的阻力，将对降噪产生重要影响。在竞技体育中，如游泳、滑雪、滑冰等高速运动项目，如能降低比赛服装的阻力，将大大提高比赛的成绩。近年来湍流减阻技术与应用研究得到了迅速发展，并已被美国NASA研究中心列为21世纪的航空关键技术之一[7]。 1.2 流体降噪的意义 噪声是普遍存在的，降低噪声对于保护环境，提高军事竞争力等方面都具有重要的意义。(1)降低噪声是环境保护的一个重要方面。目前噪声污染已经成为除了空气污染和水污染之外的第三大污染[8-12]。噪声对人(包括其它生物[11])产生不利的影响，短时间的相当强度的噪声使人情绪烦躁、注意力降低。长期的噪声可以使人产生慢性疾病，如耳聋、心脏病等。超过140dB的噪声甚至可以瞬时永久性的损害人的听力[13-15]。(2)降低噪声对于节约能源具有重要意义。噪声本质上是振动在介质中的传播，产生噪声必然消耗能量。以汽车为例，一辆汽油发动机汽车，发动机产生的能量65%变成热量、15%克服摩擦、5%变成噪声，只有15%变成有用功[16-17]。2006年统计，全球汽车每天消耗原油2000万桶，如果使汽车噪声消耗能量降低2%，每天可节约40万桶原油，价值3200万美元，经济效益和社会效益巨大[18]。(3)降低噪声在军事上还具有特别的意义。潜水艇是重要的军事装备，而潜水艇的战斗力和其本身发出的噪声是密切相关的。声波是在水中传播距离最长的，因此对潜水艇发出的噪声的探测就成为发现敌方潜水艇的重要手段。降低潜水艇发出的噪声，就能尽量晚的被敌方发现，有效的保护自己打击敌人，提高作战能力[19-21]。 流体噪声（主要是水下噪声）既可以作为水下目标探测的对象又可形成水声探测设备的干扰。降低水下目标的反射本领可以使主动声呐对目标的探测作用距离降低；抑制水声设备载体的水下噪声可以降低自噪声，提高水声设备的观测距离。因此，抑制水下结构或航行体产生的水下噪声是提高其声隐蔽性和提高所载水声功能的关键。船舶行业的水下噪声分为：机械结构噪声、推进系统噪声和流体动力噪声。[22] 2 流体实验台国内研究现状 目前已经发展出了多种水动力学实验设备，常见的实验设备有循环水洞、拖曳水池和旋臂水池等。循环水洞功耗大、投资高，拖曳水池占地面积大，旋臂水池（ Rotating arm basin ）相对具有占地面积小、效率高和经济性好的特点。他主要从事舰船、水中兵器及潜水器操纵性理论及实验测试，广泛开展针对各型水面和水下运动体的操纵性性能实验。实验是在室内的旋臂水池中进行的。旋臂水池呈圆形，在水池周围铺设有圆形轨道，其中心设有中央岛，旋臂的旋转中心处于中心岛，沿圆形轨道作圆周运动。被实验模型通过支杆与三自由度姿态转盘机构相连接，从而产生被实验模型在水中的偏航角、纵倾和横倾姿态角度。转盘机构的外框悬挂固连在拖车上，拖车通过行走轮支撑