Живетин В.Б.. Цветков Л.Г.. Талов А.А.

Живетин В.Б.

Цветков Л.Г.

Талов А.А.

G01P5/14 - путем измерения разности давлений в текучей среде

https://findpatent.ru/patent/218/2187821.html
© , 2012-2019

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текучих сред. Устройство содержит головную и цилиндрическую части. Головная часть выполнена в виде части сфероида, имеющего центральное и периферийные приемные отверстия. Последние расположены непосредственно перед линией сопряжения головной и цилиндрической частей. Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника давлений к углам скоса потока и к величине скоростного потока, а также в повышении точности измерений, особенно при малых скоростях. 4 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М<0.6 [1]. Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное - для измерения полного давления и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения угла скоса потока. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и к углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между центральным и периферийными приемными отверстиями.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности приемников давлений к углам скоса потока и к величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [2] - прототип, предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения углов скоса потока. На цилиндрической части приемника расположены приемные отверстия для измерения статического давления.

Недостатком приемника, как и всех известных приемников давлений пространственного потока, является его низкая чувствительность к углам скоса и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха М<0.3), увеличение погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать у них требуемые метрологические характеристики за счет обеспечения заданной чувствительности.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к углам скоса потока и величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, головная часть приемника имеет форму части сфероида, меньшая полуось которого совмещена с осью симметрии тела вращения, а периферийные приемные отверстия расположены перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

На фиг.1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг.2 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности шестиствольного насадка ЦАГИ (прототип).

На фиг.3 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности заявляемого приемника давлений.

На фиг.4 приведены угловые характеристики прототипа и заявляемого устройства.

На фиг.1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, образующая которого представлена кривой 1, с головной частью 2, имеющей форму части сфероида, на которой попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях перед линией сопряжения 3 головной части с цилиндрической частью приемника размещены приемные отверстия 4-7, предназначенные для измерения углов скоса потока и величины скорости, на головной части приемника находится центральное отверстие 8 для измерения полного давления, на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 9.

На фиг.2 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей V скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей (L - длина приемника давлений). График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности приемника к углу скоса в зависимости от значения безразмерной продольной координаты График 4 показывает распределение коэффициента давления С_р по поверхности приемника.

На фиг.3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости V жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник представляет собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, причем головная часть имеет форму части сфероида. График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности S приемника к углу скоса потока в зависимости от продольной координаты . График 4 соответствует распределению коэффициента давления С_р по поверхности приемника.

На фиг.4 для числа Маха М=0,2 приведены угловые характеристики шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг.1, - график 1. Здесь Р_i, Р_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на головной части приемников симметрично относительно продольной оси, - скоростной напор в невозмущенном потоке; - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг.2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [3]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М=0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

Приемник давлений работает следующим образом. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1], с.123), носящую название скоростной характеристики:

где индексы у давлений Р соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг.1). Здесь вместо отверстия 7 могут быть использованы отверстия 4, 5 или 6.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и приемник, полностью ему идентичный, за исключением того, что головная часть приемника имеет форму части сфероида (сжатой сферы). Тогда, как это следует из фиг.3, при обтекании приемника потоком жидкости или газа в области носовой части там, где находятся периферийные приемные отверстия, происходит дополнительный по сравнению с прототипом (фиг.2) разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости V, которая возрастает и достигает в точках расположения приемных отверстий 4-7 своего максимального значения. Увеличение V в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 4 на фиг.3 и график 4 на фиг.2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений между центральным приемным отверстием 8 и периферийными 4-7. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности (для линейной скоростной характеристики) заявляемого приемника к величине скоростного напора. Нетрудно видеть, что при увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения где Р* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений (P*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P*=P₈-P₇ для него больше, чем для прототипа.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде , а выражение для коэффициента угловой чувствительности -

На фиг.4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М=0,2. При этом отношение большей полуоси сфероида к меньшей равно четырем, что приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности почти в 3 раза (см. график 3 на фиг.3 и график 3 на фиг.2). Дополнительное увеличение отношения большей полуоси сфероида к меньшей будет приводить к дальнейшему увеличению коэффициента угловой чувствительности.

При одном и том же значении угла скоса потока у заявляемого устройства величина разности давлений Р_i-P_j больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой чувствительности приемника к углам скоса потока (см. фиг.4, чувствительность к углу скоса - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и вследствие этого к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.

Повышение чувствительности приемников давлений к углам скоса потока за счет более быстрого увеличения радиуса образующей головной части известно [4]. Но достигаемое за счет этого увеличение коэффициента угловой чувствительности значительно меньше, чем для заявляемого приемника, у которого при увеличении отношения большей полуоси сфероида к меньшей наблюдается увеличение кривизны образующей. В месте наибольшей кривизны образующей и следует размещать приемные отверстия, т.к. именно в данном месте коэффициенты чувствительности приемника максимальны, максимальна и точность измерения давлений. При изменении отношения полуосей сфероида координаты точки с максимальной кривизной образующей будут изменяться, но расположена данная точка будет всегда перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора). М:. Машиностроение. 1972. С.88.

2. Бедржицкий Е.Л., Егоршев А.В. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М:. Машиностроение. 1992. С.159.

3. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ №9270. 1976.

4. Nordstrom J. Wind Tunnel Calibration of a Hemispherical Head Angle of Attack and Angle of Sideslip Indicator // FFA. TN. 1984-11.

Формула изобретения

Приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части находятся центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых для определения направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части находятся приемные отверстия для измерения статического давления, отличающийся тем, что головная часть приемника имеет форму части сфероида, меньшая полуось которого совмещена с осью симметрии тела вращения, а периферийные приемные отверстия расположены перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.

РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

https://findpatent.ru/patent/223/2237876.html
© , 2012-2019

Использование: для измерения параметров течения газообразных сред или для определения параметров движения транспортных средств: самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды. Сущность изобретения: приемник представляет собой тело, ограниченное частью поверхности тела оживальной формы 1, с расположенными на ней центральным 2 и периферийными приемными отверстиями 3, 4, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа и секущей плоскостью параллельной оси оживала, на которой расположено отверстие 5 для определения числа Маха и статического давления. Технический результат - повышение точности измерения статического давления и числа Маха в потоках газообразных сред, движущихся с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, а также снижение возмущений, вносимых приемником в газовый поток. 3 ил.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров плоского течения газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости плоских (двухмерных) газовых потоков, а также числа Маха (см., например, Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. - 1996. - С.166.). Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения направления и величины скорости газового потока. Приемник обладает наибольшей чувствительностью к углу скоса потока (измерение направления скорости).

Недостатком приемника является то, что в случае использования его для измерения статического давления, оно измеряется со значительными погрешностями, что связано с большой угловой чувствительностью приемника и, как следствие этого, со смещением точки на поверхности приемника, в которой давление равно статическому, при изменении направления скорости набегающего потока или при изменении углового положения самого приемника. К недостаткам приемника можно отнести и погрешности измерения числа Маха и величины скорости потока газа на больших дозвуковых и на сверхзвуковых скоростях, что связано с явлением стабилизации местных чисел Маха. При числах Маха М>0,75 потеря чувствительности приемника к величине скорости и числу Маха не восстанавливается.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что на поверхности цилиндрического приемника происходит сильный разгон потока газа, что приводит к появлению на нем уже при числах Маха М≈0,75 местных сверхзвуковых зон, что, в свою очередь, вызывает значительную потерю чувствительности приемника и уменьшение точности измерений величины скорости потока газа и числа Маха, а высокая чувствительность приемника к углу скоса делает его непригодным для измерения статического давления за счет смещения точки, где давление равно статическому, при изменении углового положения приемника относительно потока газа.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушного давления, представляющий собой тело цилиндрической формы (см. патент России №1723879, G 01 L 19/00 от 02.01.90 - прототип). Приемник предназначен для измерения величины и направления скорости плоских потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части цилиндрической поверхности приемника, являющейся частью боковой поверхности круглого цилиндра, расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, служащие для определения направления и величины скорости потока газа. На грани цилиндрической поверхности, находящейся при измерениях с подветренной стороны, расположено приемное отверстие (донное), предназначенное для измерения числа Маха и статического давления.

Недостатком приемника является то, что донное приемное отверстие находится в зоне срыва потока - зоне интенсивного перемешивания газа, образования возвратно-циркуляционного течения и пульсаций давлений, носящих случайный характер, что приводит к повышенным погрешностям измерения статического давления и числа Маха. Недостатком приемника является и то, что он создает значительные возмущения в потоке газа, т.к. имеет плохообтекаемую форму - верхнее плоское основание, обращенное к потоку, пересекает цилиндрическую поверхность с образованием острой кромки, что является одним из условий функционирования прототипа, тогда как хорошо обтекаемые тела (тела аэродинамической формы) - мало возмущающие поток, должны иметь плавные обводы (см., например, чертежи аналога - Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. 1996. С.167).

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что соотношения, с помощью которых находятся градуировочные зависимости приемника, предназначенные для получения взаимосвязи давлений, воспринимаемых приемными отверстиями, с параметрами воздушного потока, содержат давления, воспринимаемые донным приемным отверстием, которое находится в зоне срыва потока, характеризующейся случайными пульсациями давлений, вследствие чего при осреднении давлений на разных временных интервалах вид градуировочных зависимостей будет зависеть от периода осреднения пульсаций. Нестабильность градуировочных зависимостей связана и с сильными возмущениями потока, носящими случайный характер, создаваемыми верхним основанием прототипа, обращенным к потоку. Наличие верхнего плоского основания приводит к образованию дополнительных пространственных вихревых структур, которые разрушают устойчивые (неслучайные) двухмерные структуры. Перечисленные выше причины и приводят в конечном итоге к повышенным погрешностям измерения статического давления и числа Маха.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа, а также на снижение возмущений, создаваемых приемником давлений в газовом потоке.

Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа, а также в снижении возмущений, создаваемых приемником, за счет придания ему аэродинамической - хорошо обтекаемой формы.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике воздушных давлений, представляющем собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью параллельной оси поверхности вращения, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части поверхности тела оживальной формы.

Описание тела, имеющего форму оживала, можно найти, например, в книге: Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. - Машиностроение. - 1996. - С.151.

На фиг.1 изображен общий вид приемника воздушных давлений.

На фиг.2 приведено поле плотности для воздушного потока, обтекающего заявляемый приемник давлений. Сечение приемника в плоскости расположения приемных отверстий представлено позицией 1. Позицией 2 обозначены вихри, образующиеся за донной поверхностью приемника, входящие в дорожку Кармана.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({}); На фиг.3 приведено поле плотности (изолинии плотности) для потока воздуха, обтекающего прототип, сечение которого в вертикальной плоскости симметрии цилиндра, представлено позицией 1. Позицией 2 обозначен центр пространственной вихревой структуры, образующейся на уровне верхнего основания цилиндра.

Заявляемый приемник воздушных давлений (см. фиг.1) представляет собой тело, ограниченное частью поверхности тела оживальной формы 1, на которой расположено центральное 2 и периферийные 3 и 4 приемные отверстия, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа, а также плоскостью 6, на которой расположено приемное отверстие 5 (донное), предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, приемник имеет основание 7, которым он крепится к державке или к объекту, а с целью уменьшения возмущений, вносимых в воздушный поток, вершина приемника 8 может выполняться округлой формы.

Приемник давлений работает следующим образом.

Сначала для заявляемого устройства с целью установления взаимосвязи давлений, воспринимаемых приемными отверстиями, с параметрами плоского воздушного (или газового) потока: углами скоса, числом Маха, статическим давлением проводят продувки приемника в аэродинамической трубе, по результатам которых находят градуировочные зависимости. В общем случае для заявляемого приемника воздушных давлений и прототипа градуировочные зависимости могут определяться на основании одних и тех же формул. Так, например, для искомых параметров потока могут устанавливаться следующие зависимости:

для угла скоса

для числа Маха

для статического давления

где P_i - давление; i - номер приемного отверстия (см. фиг.1); ε - угол скоса; М - число Маха; Р_cm - статическое давление.

Затем, при определении параметров воздушного потока или при определении параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды, используя найденные по приведенным выше (или по каким-либо другим) формулам градуировочные зависимости, решают обратную задачу - по измеренным давлениям находят углы скоса, число Маха, статическое давление, а уже по найденным значениям числа Маха и статического давления - скорость потока.

Рассмотрим особенности обтекания прототипа и заявляемого приемника воздушных давлений и покажем, почему именно выполнение приемника согласно фиг.1 позволяет обеспечить достижение заявляемого технического результата. Рассмотрим случай, когда приемник давлений крепится не к державке, а к плоскому основанию, например к лопатке турбины или к фюзеляжу летательного аппарата.

Как следует из приведенных выше формул, общих для прототипа и заявляемого приемника, все они содержат давление Р₅, воспринимаемое донным приемным отверстием, в связи с чем точность измерений параметров воздушного потока приемниками, содержащими приемное отверстие в зоне срыва потока, в значительной степени определяется точностью измерения давления Р₅.

Только стабильность и неслучайность получаемых градуировочных зависимостей позволяет обеспечить высокую точность определения параметров воздушного (газового) потока при измерении давлений в донной области - зоне срыва потока. Для прототипа - укороченного цилиндрического тела не удается получить в донной области течение со стабильными - не изменяющимися случайным образом во времени параметрами (скоростью, плотностью, давлением). Течение с параметрами, изменяющимися неслучайным образом, может быть получено для цилиндрического тела большого удлинения со значением отношения высоты приемника к диаметру, например, более 10. При таком отношении высоты к диаметру возможно получение в донной области течения, близкого к плоскому (двухмерному), имеющему вид неслучайной вихревой структуры - дорожки Кармана. Но подобное выполнение приемников давлений для плоских потоков недопустимо, т.к. большая высота приемников будет приводить к загромождению потока, вследствие чего сам приемник будет вносить значительные возмущения в поток, обладая большим аэродинамическим сопротивлением. Одно из основных требований, предъявляемых к приемникам воздушных давлений, - минимальные поперечные (относительно потока) размеры и минимальное аэродинамическое сопротивление, поэтому при таком выполнении (при небольшом значении отношения высоты к диаметру) структура течения газа в донной области прототипа будет совершенно иной - пространственной. Связано это с тем, что при относительно небольшой высоте прототипа на характер течения в донной области оказывает существенное (определяющее) влияние верхнее, обращенное к потоку, основание приемника, наличие которого в этом случае приводит к формированию дополнительных вихревых жгутов.

Таким образом, за счет верхнего плоского основания осуществляется переход от двухмерного течения к трехмерному (пространственному), т.к. устойчивые двухмерные структуры в этом случае разрушаются из-за коротковолновой неустойчивости (см. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. - М.: Наука. - 1984. - С.93). На фиг.3 показано поле плотности (изолинии плотности) для воздушного потока, обтекающего прототип. Прототип установлен на плоское основание-пластину, поток набегает слева, число Маха М=0,9. Сечение прототипа в вертикальной плоскости симметрии представлено позицией 1. Как следует из фиг.3, за приемником, имеющим отношение высоты к диаметру, равное трем, отсутствует дорожка Кармана, а на высоте примерно верхней плоской грани образуется вихревая структура, центр которой обозначен позицией 2. Ниже располагается зона возвратно-циркуляционного течения. При построении градуировочных зависимостей при такой структуре течения их вид будет зависеть от начальной турбулентности потока (степени турбулентности, масштаба турбулентности), от времени формирования вихревой структуры и турбулентного течения за самим приемником. Аэродинамические трубы имеют различную степень турбулентности, которая, в свою очередь, на порядок выше, чем в свободной атмосфере при нормальных условиях. В связи с чем градуировочные зависимости, построенные по формулам, включающим давление, измеренное в донной области, будут нестабильны и будут отличаться для разных аэродинамических труб и свободной атмосферы. Отличие в измеренных давлениях в донной области из-за пульсаций давлений будет обеспечиваться еще и периодом (интервалом времени) Т, в течение которого измеряется давление, т.е. временем t₂-t₁, в течение которого определяется среднее пульсационное значение давления в области турбулентного течения:

Для прототипа характер сформировавшегося турбулентного течения (а значит и период осреднения давлений) зависит от начальной турбулентности потока и не может быть установлен однозначно при градуировках.

Прототип своим основанием, обращенным к потоку, создает сильные возмущения в потоке воздуха (газа) по высоте, в том числе, и за счет формирования дополнительной вихревой структуры, центр которой расположен на уровне основания. Представленные на фиг.3 изолинии плотности воздуха показывают, что возмущения, создаваемые прототипом, уходят круто вверх.

В случае же выполнения заявляемого приемника давлений в виде части тела оживальной формы (фиг.1), у которого отсутствует верхнее плоское основание (как у цилиндра), обращенное к потоку, но за счет кривизны образующей оживала боковая поверхность приемника может приближаться по размерам к цилиндрической, удается сохранить течение в донной области, близкое к плоскому - типа дорожки Кармана. На фиг.2 приведено вычисленное с помощью метода крупных частиц (см. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. - М.: Наука, 1982. - 392 с.) поле плотности для воздушного потока, обтекающего заявляемый приемник давлений. Число Маха, набегающего на приемник слева воздушного потока, М=0,9. Сечение приемника в плоскости расположения приемных отверстий представлено позицией 1. Приемник давлений установлен на плоское основание и имеет отношение высоты к диаметру основания равное 2,8. Позицией 2 обозначены вихри, образующиеся за донной поверхностью приемника, входящие в дорожку Кармана. Всего на фиг.2 представлены 10 вихрей, интенсивность которых ослабевает по мере удаления от приемника. Дорожка Кармана - это устойчивое образование, ее параметры мало зависят от начальной турбулентности потока: степени турбулентности, масштаба турбулентности. Для различных аэродинамических труб и для свободной атмосферы при нормальных условиях период образования вихрей определяется в основном скоростью набегающего воздушного потока (числом Маха). В связи с этим градуировочные зависимости, построенные по формулам, включающим давление, измеренное в донной области, будут для заявляемого приемника воздушных давлений стабильны и не будут отличаться для разных аэродинамических труб и свободной атмосферы. Период (интервал времени) Т, в течение которого должно измеряться давление, т.е. производиться осреднение давлений, для заявляемого приемника может быть легко установлен на основании определения периода образования отдельных вихрей.

Снижение возмущений, вносимых в воздушный поток заявляемым приемником воздушных давлений, обеспечивается выполнением его в виде части тела оживальной формы. В этом случае возмущения, распространяющиеся в направлении высоты приемника малы, что объясняется общеизвестным свойством тонких тел, имеющих плавные обводы, - вносить минимальные возмущения в поток. Снижение возмущений, вносимых в воздушный поток заявляемым приемником, в направлении, перпендикулярном плоскости, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, объясняется значительным уменьшением площади поперечного сечения тела оживальной формы по сравнению с цилиндрическим при одних и тех же значениях высот и площадей оснований.

Как показали выполненные расчеты, тела оживальной формы обеспечивают устойчивое образование дорожки Кармана как для всего диапазона дозвуковых скоростей, так и для диапазонов трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей (например, до значения числа Маха М=2).

Таким образом, выполнение заявляемого приемника воздушных давлений в форме тела оживальной формы, установленного поперек потока, позволит повысить точность измерения статического давления и числа Маха, а также уменьшить возмущения, вносимые приемником в воздушный (или газовый) поток, по сравнению с приемником в форме цилиндрического тела.

Приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью, параллельной оси поверхности вращения, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, отличающийся тем, что часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части поверхности тела оживальной формы.

Измерительное устройство для измерения скоростных и статических давлений на летательном аппарате // 2139545

Статическое давление может быть измерено и на стенке канала. При этом если канал прямолинейный, то статическое давление поперек канала постоянно и измерения на стенке соответствуют измерениям в любой точке поперечного сечения. Однако следует помнить, что результат зависит от качества исполнения дренажного отверстия в стенке воздуховода. Прямое отверстие с острыми кромками (рис. а) позволяет проводить точные (+0,1 %) измерения. Прямое отверстие со скругленными кромками (рис. 6, радиус округления меньше четверти диаметра отверстия) не влияет существенно на результаты. Наклон отверстия в пределах ±45° (рис. в, г) несущественно сказывается на результатах. Однако выступы вблизи отверстия или выступающий штуцер (рис. д) приводят к значительным ошибкам при измерениях. Об этом следует помнить, т. к. в обычной практике, например для замеров в воздуховодах, отверстии сверлятся обычным сверлом с образованием рваной кромки внутри канала или же, что хуже, пробиваются гвоздем.

Формы отверстий в стенке воздуховода для измерения статического давления р.

а – прямое отверстие с острыми кромками

б – прямое отверстие со скругленными кромками

в, г – отверстия с наклоном относительно стенки

д – кромки штуцера выступают из

⇐ Предыдущая 1 2 34