книги из ГПНТБ / Петунин А.Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

А. Н. П Е Т У Н И И

ИЗМЕРЕНИЕ

ПАРАМЕТРОВ

ГАЗОВОГО

ПОТОКА

(Приборы для измерения давления, температуры и скорости)

М о ск в а

„м:а ш и н о с т р о е н и е »

1 9 7 4

IЧИТАЛЬНОГО ЗА

%V 0 J' £>

Петунии А. Н. Измерение параметров газового потока. (Приборы для из­ мерения давления, температуры и скорости). М., «Машиностроение», 1974, 260 с.

В книге описаны жидкостные и механические манометры, используемые при экспериментальных исследованиях газового потока. Рассмотрены схемы автоматических устройств сбора и преобразования экспериментальной инфор­ мации с выходом на кодирующие устройства, печатающие устройства или чепосредственно на цифровые вычислительные машины. Рассмотрены специаль­ ные аналоговые вычислительные устройства для определения безразмерных параметров потока. Описаны приемники температуры торможения газовых потоков больших скоростей.

Изложен метод лазерной допплеровской анемометрии и описаны основан­ ные на этом методе оптические и электронно-оптические схемы для измерения скорости газовых потоков.

Книга предназначена для инженерно-технических и научных работников КБ, НИИ и заводов. Она может быть полезна студентам вузов.

Табл. 16. Ил. 164. Список лит. 145 назв.

Рецензент заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д-р техн. наук, проф. А. К. Мартынов

(§)Издательство «Машиностроение», 1974г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие экспериментальных исследований в различных об­ ластях прикладных наук и растущие потребности народного хо­ зяйства требуют непрерывного совершенствования существую­ щих и создания новых измерительных средств, предназначенных для определения и контроля самых различных физических ве­ личин. В связи с созданием летательных аппаратов для исследо­ вания околоземного и космического пространства были значи­ тельно усовершенствованы методы и техника аэромеханических измерений и, в частности, методы и техника измерения парамет­ ров газовых потоков: давления, температуры, скоростного на­ пора.

Одна из характерных особенностей современных измеритель­ ных средств, предназначенных для научных исследований, со­ стоит в том, что они включают автоматические многоточечные измерительные устройства и измерительно-вычислительные си­ стемы с универсальными или специализированными электронновычислительными машинами. Результаты измерений преобразу­ ются, обрабатываются и выдаются для анализа непосредственно в процессе исследований. В результате этого научные исследова­ ния получили возможность непосредственно воздействовать на развитие техники и стали фактором, ускоряющим технический прогресс в самых различных отраслях народного хозяйства.

Методам и технике измерения параметров газового потока (давления и температуры) посвящен ряд работ. Приборы для измерения давления (манометры), используемые при научных исследованиях, описаны в книгах С. М. Горлина и И. И. Слезингера «Аэромеханические измерения» («Наука», 1964) и Р. Пеикхерста и Д. Холдера «Техника эксперимента в аэродинамиче­ ских трубах» (ИЛ, 1955). Проблема измерения температуры газовых потоков рассмотрена в книге А. Н. Гордова «Измере­ ние температуры газовых потоков» (Машгиз, 1962), а примени­ тельно к компрессорам газотурбинных двигателей — в книге Н. Ф. Пешехонова «Приборы для измерения давления, темпе­ ратуры и направления потока в компрессорах» (Оборонгиз, 1962). Эти книги стали библиографической редкостью.

3

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

А — коэффициент поглощения.

а— скорость звука в м/с.

а* — критическая скорость потока в м/с.

ат— коэффициент температуропроводности в м2/с.

с— удельная теплоемкость в Дж/(кг • град).

ср — теплоемкость при постоянном давлении в Дж/(кг. град) (для воз­ духа Ср да 1004,8).

L, I — длина в м.

w

М — число М потока; М = — .

а

N — коэффициент качества приемника;

ad

N u — число Нуссельта; Nil = ——.

Ат

п — коэффициент преломления (гл. IV); число делений прибора.

Рг — число Прандтля; р г — ——= ^ р

р — давление статическое в Па. Ра — давление полное в Па.

Ра — давление за прямым скачком уплотнения в Па. да — давление атмосферное в мм рт. ст.

Q — количество тепла в Дж.

q — скоростной напор; динамическое давление в Па.

5

Г л а в а I

ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ

1.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Пневмометрические приемники, восприняв давление, сами по себе не в состоянии выдать его величину в каких-либо единицах измерения. В соответствии со структурной схемой любого при­ бора для измерения давления пневмометрический приемник при помощи манометрической трассы соединяется с указывающим или регистрирующим прибором, преобразующим поступившее в не­ го давление в перемещение отсчетного устройства, в прямую или закодированную запись. В настоящей главе будут рассмот­ рены приборы и аппаратура для измерения давлений, входной величиной которых является непреобразованное давление, а вы­ ходной — показания отсчетного устройства в виде уровня жид­ кости, положения стрелки или измерительного барабана, а так­ же в виде закодированных цифровых обозначений, подготовлен­ ных для ввода в вычислительную машину.

Отечественная приборостроительная промышленность вы­ пускает большое количество стандартных типоразмеров прибо­ ров для измерения давления, удовлетворяющих практическим потребностям народного хозяйства. Однако стандартные при­ боры по ряду характеристик не удовлетворяют требованиям из­ мерений в газовых потоках. Это особенно касается измерений при экспериментальных и научных исследованиях течений и обтекания тел потоком. В этом случае значительно более жест­ кие требования, чем те, которым могут удовлетворить стандарт­ ные приборы, предъявляются к диапазонам и точности измере­ ний, к дистанционности и способности одновременно и синхрон­ но осуществлять измерения во многих точках при обязательной объективной системе регистрации, к быстродействию и, наконец, к способности выдавать информацию в виде, удобном для ввода в электронные вычислительные машины. Последнее требование становится все более и более очевидным, так как все возрастаю­ щий объем и темпы экспериментальных исследований и огром­

7

ный поток информации делают методы и средства измерений, прогрессивные еще 8—10 лет назад, устаревшими и неприемле­ мыми. Темпы развития народного хозяйства требуют, чтобы ре­ зультаты научных исследований быстрее обретали форму кон­ кретных рекомендаций и ответов на вопросы, поставленные пов­ седневной практикой.

Разнообразие научных задач, которые решаются при иссле­ дованиях газовых потоков и обтекании тел, настолько велико, что при их решении не удается ограничиться известными схема­ ми и конструкциями приборов. Часто возникает необходимость в специальном приборе, наилучшим образом удовлетворяющем требованиям решаемой задачи.

Давлением принято называть [22] напряженное состояние жидких и газообразных тел, вызванное воздействием различных внешних факторов. Давление жидкостей и газов определяется силой, действующей нормально к единице поверхности. В зави­ симости от выбранного начала отсчета давление имеет различ­ ную величину и наименование.

Если отсчет осуществляется от абсолютного нуля (полного вакуума), то полученное давление называют абсолютным. Дав­ ление в абсолютном выражении входит во все основные аэроди­ намические и газодинамические выражения: уравнение состоя­ ния, уравнение Бернулли, уравнение расходов и полученные из этих уравнений выражения для скорости потока, чисел М и %, скоростного напора [32].

Большое количество единиц, применяемых для измерения давления, объясняется не только множественностью исходных систем единиц, существовавших до введения системы СИ, но и значительным диапазоном давлений, подлежащих измерению з различных случаях практики.

В аэродинамических расчетах пользуются единицами измере­ ния давления из системы МКХСС — кгс/м2 и кгс/см2. Первая еди­ ница очень наглядна и соответствует высоте водяного столба, рав­ ной 1 мм, вторая нашла очень широкое применение в технике под названием технической атмосферы или просто атмосферы. В ме­ теорологии распространена дольная единица — миллибар. Из­ вестна также единица давления—физическая атмосфера,равная давлению столба ртути высотой 760 мм при плотности ртути 13595,1 кг/м3 при (Г С и ускорении силы тяжести 9,80665 м/с2.

Впрактике измерения воздушных и газовых потоков в связи

сприменением жидкостных манометров, в которых высота стол­ ба манометрической жидкости является мерой измеряемого давления, его выражают в метрах и миллиметрах водяного стол­ ба или миллиметрах ртутного столба. При использовании этих

единиц должны строго оговариваться ускорение силы тяжести и температура, при которых эти единицы используются. Принято считать, что водяной столб отнесен к температуре +4° С, ртут­

8

ный к 0° С, а ускорение силы тяжести равно 9,80665 м/с2. Нагляд­ ность этих единиц и соответствие их размера определенным диа­ пазонам измеряемых давлений обеспечили им широкое распро­ странение.

Если отсчет осуществляется от абсолютного давления окру­ жающей среды (от атмосферного или барометрического давле­ ния), то полученное давление называют избыточным

Ризб = Р — Ра-

Избыточное давление может быть положительным и отрицатель­ ным. В первом случае его принято называть давлением, во вто­ ром случае — разрежением.

В технических приложениях и экспериментальных исследо­ ваниях газовых потоков часто рассматривается разность двух абсолютных давлений, ни одно из которых не является давле­ нием окружающей среды. Эта разность называется перепадом давлений:

Ap = pi—p2-

Ваэродинамике динамическим давлением, или скоростным напором, называют разность, или перепад, между полным и ста­ тическим давлениями в потоке.

Вподавляющем большинстве случаев и технике приходится иметь дело с избыточным давлением. Для измерения давлений используются приборы, называемые манометрами. Согласно ГОСТ 15115—69 манометром называется измерительный прибор

или измерительная установка, предназначенная для измерения давления или разности давлений.

Прибор, измеряющий положительное избыточное давление, т. е. разность между абсолютным и атмосферным давлениями, получил название манометра избыточного давления. Почти все стандартные приборы для измерения давлений относятся к при­ борам этого типа.

Прибор, измеряющий отрицательное избыточное давление, т. е. разность между атмосферным и абсолютным давлениями, называется вакуумметром.

Прибор, являющийся одновременно манометром избыточного давления и вакуумметром, называется мановакуумметром.

Прибор, измеряющий давление, отсчитываемое от абсолют­ ного нуля, получил название манометра абсолютного давле­ ния.

Манометр абсолютного давления, предназначенный для из­ мерения давления атмосферы, называют барометром.

9