喷水池理论范文（精选4篇）
喷水池理论 第1篇
目前应用最广的船只推进器只有两种,一是螺旋桨推进器,二是以负排量泵如轴流泵、混流泵为核心的喷水推进器[1,2]。众所周知,螺旋桨推进器存在实现矢量控制困难、抗气蚀能力低、噪声大、传动机构复杂等缺点,受到空泡等因素的影响,螺旋桨旋转速度较低(200～500r/min)[3]、推力较小,直接影响了船只的机动性、隐蔽性、快速性,降低了船只的有效负荷、有效寿命、航行距离及速度。
虽然负排量泵喷水推进器在机动性能、抗空泡性能、振动、噪声等方面优于螺旋桨推进器[4,5,6,7],但其核心部件推进泵(离心泵、轴流泵、混流泵)是由螺旋桨演变而来的,仍是叶片式结构[2],仍然存在空泡现象(特别是航行器加速瞬间),存在噪声较大、系统较复杂、扬程(输出压力)低、体积大、推重比小等缺点[8,9]。
针对上述问题,文献[10]提出正排量泵喷水推进技术(即以正排量泵作为核心部件实现喷水推进)并对正排量泵喷水推进器的组成、推进机理(如推进效率、机动性等)进行了系统研究,指出正排量泵喷水推进器具有效率高、噪声低、机动性优良、适应变工况能力强、传动系统简单等优点。在文献[11]中,我们对不同喷嘴的喷水推力进行了仿真与试验研究,得出在相同条件下,余弦轮廓的喷嘴内能量损失最小、喷水推力最大的结论。这些研究成果为设计正排量泵喷水推进器提供了一定的依据。
然而,正排量泵喷水推进是一项新技术,负排量泵喷水推进理论不完全适用,因此,有必要对正排量泵喷水推进理论进行研究。本文介绍了正排量泵喷水推进系统的组成及其工作原理,研究了正排量泵喷水推进理论,主要有:①正排量泵喷水推进推力及效率的计算;②吸入口、正排量泵及喷嘴特征对推力及效率的影响。
1 正排量泵喷水推进原理
1.1 组成
如图1所示,正排量泵喷水推进器主要由吸入口、正排量泵、喷嘴三部分组成。
1.1.1 吸入口
吸入口是正排量泵喷水推进器的一个关键部件,其布置、结构形状及尺寸直接影响喷水推进性能(如推进效率、抗气蚀性能)。设计吸入口时应保证正排量泵吸入充分,不至于吸空、产生负压,从而发生气蚀现象,影响其效率。
1.1.2 正排量泵
正排量泵是一个能量转换部件,它将原动机的机械能转换成水的压力能(由工作负载即喷嘴决定),其主要特征参数有排量、工作压力、功率、效率和允许吸入最低压力值。
1.1.3 喷嘴
喷嘴也是一个能量转换部件,它将势能(推进泵输出的压力能)转换成动能,使水以一定的速度喷出,形成反推力,推动航行器前进。因此,喷嘴特征参数决定了推进泵输出的压力能向动能转换的效率、射流速度、喷口的有效面积等,影响推进效率、推力及航行速度等。此外,对于正排量泵来说,喷嘴是负载,决定泵的出口压力。可见,在正排量泵推进器中,喷嘴是一个至关重要的部件。
1.2 推进原理
正排量泵喷水推进器的工作原理是:通过正排量泵从吸入口吸水,经泵和喷嘴共同作用,使水加压后从喷嘴射出。如图2所示,由于泵的吸入作用,使得吸入口内壁A处的压力低于与之对应的A′面的压力,形成吸入推力;由于喷嘴转换作用,使喷嘴内壁B′处的压力低于与之对应的B面的压力,形成喷水推力。在两种推力的共同作用下推动航行器前进。
2 正排量泵喷水推进理论
2.1 喷水推进理论分析
水流经过推进泵增加了能量,喷出的平均速度大于航行器前进的速度。取控制体积如图1中虚线所示范围。图1中,1-1为推进器无穷远处垂直于吸入口中心线的截面,其绝对速度为0;2-2为喷嘴出口截面。由动量定理知,理想净推力应等于单位时间内动量的增量[8,9],即
若定义动量修正系数
则喷水净推力的大小为
式中,ΔΦj为单位时间内水经过喷嘴的动量增量(方向为喷水速度方向,“-”表示方向相反);Ano为喷嘴出口面积;uj为喷水速度;
定义速比μ为
则式(3)可写成
由式(3)可以看出,喷水推进净推力不仅与喷嘴出口速度有关,而且受航行器航行速度影响。
正排量泵喷水推进器总效率ηt应是泵效率ηp与推进效率ηn的乘积。泵的效率与泵的结构、密封形式、吸入是否充分等有关,在此不作讨论。推进效率一般可表示为
式中,Wu为喷水对航行器做的有用功;ΔWj为喷水能量损失;α为动能修正系数。
将式(5)和式(6)代入式(4)可得
显然,①速比越大,效率越低,这是因为速比越大时,其喷射能量损失越大,故效率越低;②β=α=1,即不考虑喷嘴出口速度分布影响时,正排量泵和负排量泵喷水推进效率表达式是一样的[8,9]。虽然式(3)和式(8)能表示喷水推力及效率与喷水速度、航速之间的关系,但正排量泵喷水推进存在泵吸作用对推力的影响及喷嘴能量损失对效率的影响,因此,正排量泵喷水推进理论有待进一步研究。
2.2 正排量泵喷水推进理论
实际中,影响正排量泵喷水推进的推力及效率的因素很多,如推进泵及吸入口对推力的影响,吸入口及喷嘴的损失对效率的影响,这些都是正排量泵喷水推进理论研究的内容。虽然科研工作者对影响负排量泵喷水推进效率的因素及推进器和船体相互作用的研究已有很大的进展,但正排量泵与负排量泵在工作原理及结构上有很大的不同,导致正排量泵喷水推进和负排量泵喷水推进在吸入口位置、水流加速方法、喷水速度、主要能量损失部件以及航行阻力等方面存在很大的差别。
2.2.1 推力计算
正排量泵喷水净推力Fn由吸入推力(由于泵吸作用及吸入口边界层影而产生的推力份额)Fs和喷水推力Fj组成,如图3所示。
2.2.1.1 吸入推力Fs
航行器航行时,外界的水是静止的,进入喷水推进器后,水须加速到航行器的速度,对航行器来说,存在一个动量阻力。同时,①由于吸入口边界层的影响,使得其来流的速度小于航行速度,动量阻力减小;②由于正排量泵的吸入作用,抵消了部分或全部的来流动量;或者来流不能满足泵的吸入量,而使得泵的吸入口处的压力低于对应的航行器末端压力,形成推力。由此可见,吸入推力是来流、吸入口以及推进泵共同作用的结果。
定义吸入口边界层对来流动量的影响系数为
则来流动量阻力可表示为
式中,ui为实际来流速度。
定义正排量泵吸收的来流动量系数为
式中,upi为吸收的来流速度。
则正排量泵吸收的来流动量可表示为
由式(11)和式(13),吸入推力可表示为
γ是正排量泵喷水推进特有的,与泵性能参数、吸入口特征参数等有关。科研工作者针对边界层对来流动量的影响已进行了深入的分析,发现它与航行器航行速度、吸入口特征参数及吸入口速度有关。在负排量泵喷水推进中,边界层对来流动量的影响系数w可高达10%[12]。γ和w与航行阻力及推进泵性能相互制约,在设计正排量泵喷水推进器吸入口时,若使得γ和w偏大,则推进泵可能会吸空,产生气蚀,影响推进泵的性能,使推进泵的效率降低,此外还可能导致航行阻力增大。因此,设计吸入口时,应充分考虑其对航行阻力及推进泵性能的影响,一方面要充分利用来流,增大吸入推力,另一方面要保证推进泵吸入充分,提高推进泵的效率,同时减小航行阻力。
2.2.1.2 喷水推力Fj
喷水推力Fj可采用动量定理来计算:
2.2.1.3 净推力Fn
传统负排量喷水推进的推力表达式为[4,5]
比较式(5)、式(17)和式(18)可以看出:式(18)的计算结果要大于式(5)的计算结果,这是因为式(18)考虑了喷水推进器与航行器间的相互作用。在过去很长一段时间内,由于对喷水推进认识不足,采用式(5)来计算推力,导致喷水推进效率不如螺旋桨推进的错误结论[4,5]。式(17)比式(18)多出了正排量泵吸入作用项γ ρ qus,这说明,在相同情况下,合理设计吸入口就可保证正排量泵喷水推力大于负排量泵喷水推力。
2.2.2 效率分析
2.2.2.1 能量转换
正排量泵喷水推进能量转换过程如图4所示。原动机输出的动能经过正排量泵吸入/泵出,主要转化为两部分:①部分能量用于加速外界静止的水,使之达到一定速度而被吸入到泵内,根据动量定理和牛顿第三定理,存在一个推力作用在航行器;另一方面,在吸入过程中,由于边界层及吸入口结构的影响,存在一定的能量损失。②水的压力能。水经泵泵出后增加了其压力能,再经过喷嘴收缩加速喷出航行器体外,一方面,由于喷嘴前后结构不对称,造成压力不平衡,形成推力,对航行器做有用功;另一方面,水在收缩的过程中存在局部能量损失和气蚀等能量损失;喷出航行器后,水动能完全消耗在静止的水中,即存在射流损失[4,5]。
2.2.2.2 效率
(1)有用功Wu为
(2)喷嘴内能量损失。喷嘴内能量损失ΔWno用喷嘴内动能增量ΔEno的百分数来表示[12]:
式中,ξno为喷嘴内能量损失系数,ξno=ΔWno/ΔEno。
(3)射流损失。射流损失表达式见式(8)。
(4)推进效率ηn为
比较式(10)及式(21),可发现,正排量泵喷水推进效率和速比的关系与传统喷水推进的一样,即速比越大,效率越低;在相同条件下,若不考虑喷嘴内能量损失的话(实际中,喷嘴能量转换效率很高),正排量泵喷水推进效率应大于负排量泵喷水推进效率;边界层影响越大(w越大),泵利用来流动量越多(γ越大),正排量泵喷水推进效率越高。
(5)总效率为
3 结语
正排量泵喷水推进器是一种反作用推进系统,即利用推进泵的泵吸作用及水射流的反推力来驱动航行器。本文介绍了正排量泵喷水推进器和负排量泵喷水推进器的区别及组成,比较了两者的优缺点;分析了正排量喷水推进器的推进原理;在负排量喷水推进理论的基础上,引入动量/动能修正系数,研究了正排量泵喷水能量转换过程及推进理论,如推进推力及效率等,得出正排量泵喷水推进器具有效率高、噪声低、机动性优良、适应变工况能力强、传动系统简单等优点,它是一种理想的航行器推进方式。本文的研究为分析及设计高性能正排量泵喷水推进器提供了理论依据。
参考文献
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喷水池 第2篇
看着春天的泰山春意绵绵，夏天的泰山，我心潮起伏，秋天的泰山五花八门，冬天的泰山，我感叹万千，那连绵的山脉，雾更浓了。整个泰山再次成了雾海。回首着走过的路，雾海之中，泰山的山，欤庙，树，一切的一切都在那明明灭灭，草蛇灰线。
世界知名度很高的山峰，攀登者的圣地，峰顶的形状亦是大自然的鬼斧神工所造的令人敬畏，赞叹，折服。夏天云雾缭绕。云雾像幕布拉开，只是没持续五秒钟又合上了，这座山像披着面纱那样变化无常。泰山有了十八盘之说，自开山至龙门为慢十八，再至升仙坊为"不紧不慢又十八，又至南天门为紧十八。共计1630余阶。
喷水池理论 第3篇
随着技术的发展和人民生活水平的不断提高, 绝大多数的家庭用户已经告别了“烧水洗澡”的时代, 而选用热水器成为消费者的首选。近年来, 热水器市场高速增长, 城镇市场以电热水器和燃气热水器为主, 太阳能热水器则成为了农村地区的首选。当我们使用燃气热水器、电热水器或太阳能热水器等不同类型的热水器洗澡时, 喷头总是先放出冷水, 我们需要等冷水放完后, 才能洗澡。举例来说, 储水式电热水器完成加热需要半个小时左右, 现在在市场上的许多高端电热水器产品标榜速热, 但其实加热时间也尚需要20 min左右。即使是美的电热水器极速系列, 其中的F50J电热水器产品, 10秒内可温升10℃, 速热速度超越了市场上所有型号的储水式电热水器, 也在开始时有冷水流出。通常那些冷水会被我们白白的浪费掉。另外在洗澡的中间过程也会出现类似问题, 热水停止一会再打开混合水开关, 就成了冷水。需要再放掉一部分冷水后, 才能洗澡, 这样就造成了水资源的浪费。据不完全统计, 目前大部分燃气热水器、电热水器或太阳能热水器在使用时, 每次都需要先放出1.0~1.5 L左右的冷水。中国科学院广州分院院长陈勇指出[1], 从20世纪90年代开始, 中国可再生能源利用率不断在提高。以对太阳能的利用为例, 目前中国使用太阳能热水器已覆盖4000多万个家庭, 有1.5亿人使用了太阳能, 从规模来讲属于世界第一。就目前中国热水器的使用量来说, 如果每个家庭平均每天使用一次, 那每天至少就需要浪费40000吨水资源。在未来的一段时间内, 电热水器与燃气热水器必然还是主导, 所以对目前的热水器喷头管道的改进尤为的重要。按理论上计算, 在这方面上的所节约的水资源的量是相当庞大的。
TRIZ理论的40个发明原理是阿奇舒勒经过多年的研究、分析和总结, 提炼出的TRIZ中最重要的、具有普遍用途的理论依据。遇到问题时, 可以通过分析技术矛盾, 确定冲突参数后, 查矛盾矩阵表找出对应的发明原理[2]。
2 利用TRIZ理论设计节水型的淋浴喷水管过程
2.1 问题描述
当前普遍使用的淋浴喷水管的缺陷在于:人们洗澡时想节省时间, 尽快提高水的温度的同时, 因为管内积蓄有一定的冷水, 加上管子温度低, 无保温等原因, 往往造成一定量的水资源的浪费。
2.2 分析工具
首先用TRIZ语言描述为系统存在的两对技术矛盾, 其中一对技术矛盾为:时间损失 (技术矛盾的改善参数) 和物质损失 (技术矛盾的恶化参数) 。然后查矛盾矩阵表得供参考的解决问题的发明原理为下列4个:10, 18, 35, 39;另一对技术矛盾为:水的温度 (技术矛盾的改善参数) 和物质损失 (技术矛盾的恶化参数) 。然后查矛盾矩阵表得供参考的解决问题的发明原理为下列4个:21, 36, 29, 31。
2.3 解决方案
发明原理10预先作用原理预先作用原理描述:是指在真正某种作用之前, 预先执行该作用的全部或一部分。预先作用原理体现在两个方面, 即预先对物体 (全部或部分) 施加必要的改变, 以及在最方便的位置预先安置物体, 使其在第一时间发挥作用, 避免时间的浪费。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:为排放尽管内残留水, 可预先对装置进行改造增加一根放空管或者增加一容器, 以利于管内水流入并容纳备用等等。
发明原理18机械振动原理描述:是指对于一个方法使用震动或周期性震荡, 使它变成规则与周期性的变化。具体体现在五个方面:
(1) 使物体振动。 (2) 如果已在振动, 则提高它的振动频率 (达到超声波频率) 。 (3) 利用共振频率。 (4) 用压电振动器替代机械振动器。 (5) 利用超声波振动同电磁场配合。
据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:可设计一种由具有吸水功能的有弹性的纤维或塑料泡沫、海绵等材料做成的滚刷通过不断周期振动的方式, 在洗浴结束时把管内残留水挤压带出。
发明原理35改变物体聚合态原则描述:是指改变物体或系统中的性质, 以产生系统好处。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:利用可改变形状的软管并适当装一些放空阀门, 使管内残留水放出。
发明原理39采用惰性介质原则描述:是指产生一种中性 (钝性) 的氛围或环境, 以支持所想要达成的机能。具体体现为: (1) 用惰性介质代替普通介质。 (2) 在真空中进行某过程。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:可布置真空放空管用抽真空的方式保持管内无过多残留水。
发明原理21采用快速通过原则描述:是指假如某件事情在一定的速度会出差错, 那就加快速度。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:管内残留水能短时间内升到较高温度变成热水。
发明原理29采用气体或液压结构原则描述:是指使用气体或液压取代系统的组件或功能。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:可用液压系统将管内残留水压出。
发明原理31采用多孔材料原则描述:是指改变气体、液体、固体的状态, 使其变得有孔隙。据此我们可以产生想法, 提出相应的解决方案如下:可用管壁为多孔性管子, 使管内残留水吸附, 热水通过时, 变成温水供洗浴用。
发明原理3 6采用相变原则描述:是指利用材料或状况的相变化, 以产生作用或改变系统。据此我们可以想办法使管内残留水, 变成蒸汽, 在冷水通过时变成温水。
3 结论
我们可以挑选上述较好的方案通过做实验不断改进设计出新型的淋浴喷水管, 目前根据第一种方案已经做出一种效果较好的喷水管, 并申请获得一项实用新型专利。
参考文献
[1]深圳商报, 2007.
喷水池 第4篇
刚坐下不一会，只见天空中乌云翻滚，显示出了要下大雨的前兆。紧接着，天空中一道电光闪过，一阵大风刮了过来，把滨江广场中央喷水池里冲起的水柱吹得东倒西歪，摇来摇去，好像刚刚从水中窜起的飞龙，在空中张牙舞爪。那细细的水珠被狂风吹得漫天飞舞，就像瀑布里飞散出无数的珍珠!在灯光照耀下的夜空中一闪一闪的。
这时，又一阵狂风从对面吹来，那正往上冲的水柱被吹散了，水花又向四周撒出来，像天女散花一样!就在我目不转睛地盯着喷水池时，一下子风小了，水柱突然变高了，直冲云霄。随着一道闪电，大风又刮得更加猛烈了，像珍珠一般的水花闪着金光伴着一阵大风飞快地向我们洒了过来。水珠子一下子洒在了大家的身上，啊，真凉快!像是老天给我们洗了一个冷水澡。我情不自禁想起了我刚刚学会古人的一句诗：“黑云翻墨未遮山，白雨跳珠乱入船”。
风慢慢小了些，我们继续喝着茶，可是空气中还很湿润，细细的水花还不断洒向我们，凉爽极了。
