Измерение давления

Измерение параметров потока в аэродинамических трубах.

Исследования, проводимые в аэродинамических трубах, имеют целью изучить течения вблизи движущегося тела и определить силы и моменты на него действующие. Непосредственному измерению проще всего поддается давление и температура, которые с использованием уравнения состояния газа и законов сохранения гидромеханики, позволяют определить все параметры потока. Тем не менее, практика эксплуатации аэродинамических труб привела к разработке и созданию весьма остроумных приборов, позволяющих определять скорость и направление потока, число Маха, плотность газа и т.п.

Таким образом, основными параметрами, измеряемыми при испытаниях в аэродинамических трубах, являются: давление, температура, скорость и число Маха, направление потока, плотность газа, параметры пограничного слоя, силы и моменты, действующие на модель.

Кроме того, для получения наглядной картины течения используются различные методы его визуализации.

Методы и аппараты для измерения отдельных из перечисленных параметров (например, давления, температуры) описывались ранее при рассмотрении внутрибаллистических исследований. Однако измерения в аэродинамических трубах имеют свои особенности, обусловленные, прежде всего, большими скоростями потока и возможным влиянием датчиков на характер обтекания. Поэтому к приборам, применяемым в аэродинамических трубах, предъявляются следующие основные требования:

- стабильность показаний между тарировками и постоянство систематической погрешности;

- возможно меньшее искажение течения в окрестностях прибора и исследуемого тела;

- малые случайные погрешности измерения.

Приборы, используемые в аэродинамических трубах, можно разделить на три основные группы:

1. Приборы, предназначенные для измерения параметров воздушного потока – давления, температуры, плотности, скорости, влажности.

2. Приборы, предназначенные для измерения аэродинамических сил, действующих на тело в потоке.

3. Приборы позволяющие получить картину течения вокруг тела.

Измерение давления имеет большое значение в экспериментальной аэродинамике не только для определения состояния газа, но потому, что, зная распределение давления на теле, можно вычислить аэродинамические силы. Кроме того, измерив полное и статическое давления, легко можно определить скорость потока.

В этой связи все методы измерения давления и соответствующие приемники (датчики) можно разбить на методы и датчики для измерения статического и полного давлений.

Измерение статического давления при помощи прибора, движущегося вместе с потоком практически невозможно. Поэтому статическое давление измеряется с помощью насадков, неподвижных относительно потока, которые бывают двух видов. К первому относятся приемники, имеющие небольшую протяженность в направлении потока (Рис. 7.9). Приемные отверстия таких насадков располагаются там, где давление близко к статическому и где имеется большой градиент давления. Например, для круглого цилиндра такие точки расположены под углом 30º к направлению потока.

Рис. 7.9. Приемники статического давления:

а) – на плоской стенке, б) – на криволинейной стенке.

Недостатком таких приемников является существенная зависимость показаний от числа М и Re, а так же от точности расположения приемных отверстий.

Ко второй группе относятся насадки, у которых имеется участок поверхности, образующая которого параллельна потоку. Приемные отверстия расположены в таких точках, где начальные возмущения малы, линии тока параллельны образующей и давление равно статическому. Некоторые виды таких насадков показаны на рисунке 7.10.

Рис. 7.10. Насадки для измерения статического давления:

а) – распределение давления по поверхности насадка; б) – насадок Прандтля; в)- насадки c конической и оживальной головной частью.

Форма и размеры насадка зависят прежде всего от скорости потока, а также размеров аэродинамической трубы и модели. Для небольших скоростей (М <0,8) достаточную точность обеспечивают насадки с полусферической головной частью, для больших скоростей применяются насадки с конической и оживальной головной частями. Положение приемного отверстия определяется степенью турбулизации и положением скачков уплотнения.

Для измерения полного давления используются насадки, представляющие собой цилиндрическую трубку с отверстием, обращенным против потока с разной формой торцевой поверхности (Рис. 7.11). Принцип их действия основан на том, что торможение частиц газа вдоль линии тока, проходящей через критическую точку, происходит настолько быстро, что теплопередача и потери на трение практически отсутствуют. При умеренном сверхзвуковом обтекании потери в скачках уплотнения также невелики. (Например, при М =1,25 потери полного давления составляют 1%).

Точность измерения давления существенно зависит от угла скоса потока α, то есть от угла между направлением линии тока и осью приемного отверстия (Рис. 7.11).

Рис. 7.11. Величины углов скоса α для различных насадков полного давления при которых погрешность не превышает 1%.

При измерении давления более скошенных потоков применяют экранированные насадки (Рис.7.12).

Рис. 7.12. Экранированные насадки полного давления.

Измерение полных и статических давлений в гиперзвуковых трубах длительного действия производится описанными выше насадками. Для труб кратковременного действия используют пьезокварцевые и титано – бариевые датчики с собственной частотой до 10⁵ Гц.

Так как диапазон измерения давления в аэромеханических опытах изменяется от почти полного вакуума до сотен атмосфер, то для их регистрации используют различные типы манометров. Возможность их применения обусловлена так же тем, что при измерении в обычных аэродинамических трубах течение является установившимся и температура газа невысока.

Чаще всего используются манометры следующих типов:

1. Жидкостные, рабочей средой которых является жидкость – вода, спирт, ртуть. Простейшими манометрами являются U – образные и бочковые манометры (Рис. 7.13). Принцип их работы основан на том, что под действием различных давлений жидкость в сообщающихся сосудах устанавливается на разных уровнях.

Рис. 7.13. Жидкостные манометры.

2. Механические манометры, которые в зависимости от типа упругого элемента делятся на манометры с трубкой Бурдона, сильфоном и мембраной (Рис. 7.14). Принцип действия механических манометров основан на деформации упругого элемента под действием давления.

Рис. 7.14. Механический манометр: а) – виды упругих элементов,

б) – пружинный манометр с контактным приспособлением.

3. Электрические датчики и преобразователи давления были рассмотрены ранее. Датчики давления, применяемые при аэродинамических измерениях, отличаются от датчиков применяемых при внутрибаллистических измерениях конструкцией и меньшей прочностью.

Так как измерения в аэродинамических трубах проводятся, как правило, в нескольких точках, а иногда и в сотнях точек, сигналы, поступающие от датчиков, необходимо коммутировать в режиме реального времени. Ранее для этого использовались батарейные манометры, пневмо коммутаторы, в настоящее время используются электронные и цифровые коммутаторы.

Дата добавления: 2014-01-07