循環水洞

循環水洞是水利科研領域用於研究高速水流特性的密封實驗裝置，由收縮段、試驗段和擴散段構成全循環流動系統。中國水利水電科學研究院水力學研究所於20世紀50年代率先建成該設備，作為"高速水流三大件"之一，支撐了空化、摻氣等關鍵技術研究。1984年建成的大型循環水洞試驗段流速可達40m/s，2023年上海交通大學研製的垂直空泡水洞將最低空化數降至0.22。該裝置廣泛套用於水下推進器流場觀測、工程空化機理研究等領域，具備流速精確控制與多參數同步測量功能。

中文名稱	循環水洞
英文名稱	circulating water tunnel
定　　義	試驗段流速和壓力可以分別控制，水流在管路中循環、用以研究高速水流的密封實驗裝置。
套用學科	水利科技（一級學科），水力學、河流動力學、海岸動力學（二級學科），水力學（水利）（三級學科）

基本介紹

• 研製時間：1958年（首台） 
• 流速範圍：0-40m/s  
• 試驗段材質：亞克力/不鏽鋼 
• 阻塞比：≤25% 
• 核心功能：空化/湍流研究 
• 套用領域：水利工程/船舶技術 

技術發展

中國水利水電科學研究院1958年建成國內首台循環水洞，與減壓箱、活動陡槽組成高速水流研究體系。1984年該院研製的新型大型循環水洞實現40m/s試驗段流速，但因研究方向調整未完全發揮效能。2023年上海交通大學突破傳統水平結構限制，建成垂直空泡水洞，在2-20m/s流速下達到0.3最低空化數。

結構參數

典型循環水洞包含：

• 收縮段：採用特定收縮比設計，加速水流至目標流速
• 試驗段：橫截面形狀有圓形和矩形兩種，亞克力材質便於可視化觀測
• 擴散段：直徑從350mm擴展至648mm的傳統設計，配合2000KW水泵維持循環

2024年改進型一體化工作段通過環形流道設計，在350mm內徑中實現32m/s流速，水泵功率降低75%。傳統設備要求實驗體阻塞比不超過25%，新型設計突破該限制並保持流場品質。

實驗套用

在高速水流研究中：

• 空化機理：通過壓力感測器陣列測得垂直水洞閉合區最大壓力係數0.14，揭示空泡潰滅機理
• 推進器測試：配套高速攝像系統可捕捉燃氣射流與水流相互作用，同步採集40通道壓力數據
• 流場可視化：採用粒子圖像測速技術觀測邊界層分離、湍流擬序結構等流動特徵

工程實踐中，該設備支撐了三峽工程泄洪洞空化防護研究，通過模型試驗確定摻氣坎最優布置方案。2025年新型觀測系統實現了水下推進器射流流場與水流耦合作用的定量分析。

技術創新

上海交通大學2023年研製的GVWT型垂直水洞突破傳統局限：

• 試驗段垂直布置，實現流向重力環境下的軸對稱空泡觀測
• 斯特勞哈爾數降至0.276，比水平水洞降低15%
• 壓力恢復區縱向梯度達0.54，比常規設備高40%

2024年海水燃料電池測試工作段創新採用擾流體結構，在保證流場品質前提下將收縮段直徑從2160mm縮減至350mm，整機尺寸縮小70%。中低速型號（JYZDS-SD型）實現0-16m/s連續調速，配置溫壓複合感測器提升測量精度。