循環水槽

隨著現代科學的發展，目前不僅在船舶工程的阻力、推進、操縱性和適航性等有關研究課題方面，而且在海洋工程、漁業生產、水文、水力機械及運動科學等方面，都有越來越多的流體力學問題需要研究和解決。只要滿足相似理論的要求，這些問題可以在風洞、拖曳水池、水洞或循環水槽中進行。其中拖曳水池與循環水槽相比，尺度效應比較小，受邊界層影響較小，其實驗數據優於循環水槽中的實驗數據，是世界主要海洋大國的首選建設項目和擁有的大型實驗設備。但由於拖曳水池受到軌道的限制，所以試驗的時間受到限制。而循壞水槽是使水流動，把模型置於流動的水中測量的一種水動力試驗設備。在循環水槽中，水藉助於動力系統以一定的速度作循環流動，在工作段可作長時間的測試，這樣不僅便於進行速度和壓力的測量，同時可通過槽體側面和底部的觀察窗進行觀察或攝像。此外，循環水槽具有投資小、佔地少、見效快等優點，所以循環水槽已被廣泛的應用於進行船舶、海洋工程、運動科學等領域的水動力試驗。

在循環水槽中可進行的主要試驗項目如下：

A．基礎流體力學：

(1) 圓柱、圓球的壓力分佈和阻力測試；

(2)平板的阻力測試；

(3) 翼型及翼柵的壓力分佈，升力和阻力測試；

(4)邊界層和邊界層控制的試驗；

(5)聚合物溶液的減阻試驗；

(6)流動顯示試驗；

(7)有關測試儀器的試驗。

B．船舶流體力學：

(1)船模阻力試驗；

(2)船模自航試驗；

(3)船模伴流試驗；

(4)船模壓力分佈的測量；

(5)船模周圍流速分仰的測量；

(6)船模周圍流場的顯示試驗；

(7)船模表面摩擦應力的測試；

(8)螺旋槳敝水試驗；

(9)舵、減搖鰭和水翼的三分力測試；

(10)船模多分力試驗；

(11)船體附加物性能試驗；

(12)船體操縱性試驗；

(13)自動操縱試驗；

(14)船模在風、波浪和斜流中的響應試驗；

(15)螺旋槳的激振力試驗；

(16)有關測試儀器的試驗。

海洋工程有關的建築物、結構體、水面作業船、深潛器、浮體等在水中的運動及流體動力測試，流場的觀察以及有關測試儀器的試驗。

漁網，漁具和養殖設備等有關物體在水中的運動及流體動力測試，流場的現察以及有關測試儀器的試驗。

循環水槽重要特點之一是適宜於進行流場的觀察。記錄所觀察流體的運動是研究流體力學問題的重要方法。許多較複雜的問題無法從分析方面來進行研究，而用觀察的方法卻可以得到一些重要的結果。例如1883年英國科學家雷諾(Reynolds)採用紅墨水在管道流動中所顯示出水流的性能，定義了層流，湍流的基本概念，從而上升到理論的高度，創建了著名的流體相似定理，命名為雷諾數；又如1904年Prenatal提出重要的邊界層概念，是根據小型水槽流動顯示觀察的結果而得出的；而60年代發現湍流內近壁區的“猝發現象”這一突破也是根據簡易的流動顯示技術而觀察得到的。上世紀80年代，在水槽中觀察到肥大船型尾部的交叉流，產生分離形成旋渦。此外還觀察到各種球鼻首在船底所引起的複雜流動等等。因而有關肥大船型的離體現象，船舶邊界層內的三元流動等等都需要從觀察流動現象入手來建立正確的簡化的物理模型。可見對流動顯示的觀察和攝影，是在設計和使用循環水槽時所應考慮的重要任務之一。

從結構形式方面來區分，循環水槽可分為水平循環水槽和立式循環水槽。所謂水平循壞水槽是指將循環水槽的工作段與循環水槽的動力系統基本置於同一水平地面高度，而立式循環水槽的工作段明顯高於循環水槽的動力系統所在的水平地面高度。由於立式循環水槽需要將動力系統中的部分能量轉化為流體的勢能，所以立式循環水槽所需的動力系統要求往往高於水平循環水槽。因此，雖然立式循環水槽相對於水平循環水槽佔地面積小，但是目前國內外建成的循環水槽以水平循環水槽為主。

現有循環水槽大體可以分成三類：一為常規型，二為減壓型，三為風浪流水型。其中常規型又可細分為兩種：有蓄水池型與無蓄水池型。前者又可以稱之為流動中斷型，後者又可稱之為循環流水型。他們的能量比分別為12和1.5（能量比≈泵馬力÷工作段流體的動能流量）。設有蓄水池的目的是避免水泵的擾動影響了工作段流速的穩定性，但這樣一來使水流的循環被切斷，從而損失了全部的動能，因為所需的功率比循環流水型大8～10倍。英國國家物理實驗室(NPL)在實際使用中將蓄水池充滿水后形成水流的連續循環，結果證明水泵的擾動的影響幾乎可以忽略，因此在試驗水流速度不太高時一般都採用循環流水型。