книги из ГПНТБ / Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении

Коэффициент С зависит только от отношения ~~ , как это по­

казано на рис. 6.12.

Таким образом, по известным величинам I, d и Re с помощью кривой, изображенной на рис. 6.12, и формулы (6.8) можно найти поправку к измеренной величине давления.

33. Измерение вектора скорости в плоском потоке

Для определения направления вектора скорости двухмерного потока, помимо визуальных методов, последнее время получили

Трубки рожковых насадков должны быть достаточно длинными, чтобы исключить влияние державки. Но удлинение рожков ведет к увеличению расстояния между приемными отверстиями, и, следовательно, с помощью такого насадка будет измеряться не скос потока в данной точке, а давления в двух отдаленных друг от друга точках. Этот существенный недостаток рожковых на­ садков является причиной их малого применения.

В хоботковом насадке две или три трубки расположены так, что их приемные отверстия находятся близко друг к другу.

Общим недостатком рожковых и хоботковых насадков является значительное перемещение их приемных отверстий при повороте

178

насадка вокруг оси державки. Для устранения этого недостатка державку насадка изгибают так, чтобы при вращении приемные отверстия находились на оси вращения.

Цилиндрические зонды по сравнению с другими насадками обладают тем преимуществом, что взаимное расположение отвер­ стий строго фиксировано (и, следовательно, тарировка зонда обладает большим постоянством). Кроме того, благодаря большой разности давлений в центральном и боковом отверстиях повы­ шается точность измерений.

Все три типа насадков позволяют измерить направление ско­ рости, полный напор, величину скорости и давление. Для таких же измерений может служить и ско­ ростная трубка, имеющая в полу­ сфере дополнительно два боковых отверстия, лежащих в плоскости, перпендикулярной к оси держав­ ки и проходящей через отверстие полного напора, а также могут слу­ жить насадки, имеющие форму профиля крыла.

Для измерения только направ­ ления потока необходимо пользо­ ваться зондами с двумя боковыми

отверстиями и различными флю-

Рис. 6.14. Типы угломеров

герками. На рис. 6.14 показаны некоторые типы насадков — угло­

меров. Конструкция угломеров зависит от условий эксперимента, но во всех случаях (хоботковых и рожковых угломеров) следует для стабильности работы отдельные трубки соединять тонкой металлической перемычкой.

Направление скорости определяют либо поворотом насадки вокруг оси державки до положения, при котором давления в бо­ ковых отверстиях 1, 2 будут одинаковы (тогда направление ско­ рости, очевидно, совпадает с осью центрального отверстия), либо измерением разности давлений в тех же отверстиях на неподвиж­ ном насадке. В первом случае угол фиксируется по лимбу, при­ крепленному к насадку. Во втором случае необходимо иметь тарировочную кривую зависимости отношения давлений в боко­ вом отверстии (/гб) к полному напору (/гц) от угла набегания потока.

На рис. 6.15 показаны точки, полученные при тарировке цилиндрического зонда для двух скоростей. Аналогичные кривые можно получить и для других насадков. Очевидно, что этот способ измерения нельзя признать удовлетворительным, так как величина /іб//іц зависит не только от угла ср, но и от числа Re. Поэтому при определении направления разных по величине векторов скорости следует пользоваться только первым так называемым нулевым способом.

Чувствительность угломера характеризуется величиной п, равной

двух типов (рис. 6.14) показана на рис. 6.16. Видно, что чувстви­

микроманометр с небольшим наклоном присоединяется к двум боковым отверстиям, а другой — к центральному и боковому отверстиям зонда. Если зонд вращением вокруг оси державки

180

установить так, чтобы первый микроманометр давал первоначаль­ ное показание, то критическая точка совпадает с центральным отверстием. Следовательно, давление в центральном отверстии будет равно полному напору

ного к центральному и боковому отверстиям, пропорциональны

Величину давления можно определить, включив в схему третий микроманометр, к одному из штуцеров которого при­ соединить центральное отверстие зонда. Тогда показания (Аг — а) этого микроманометра дадут разность между полным напором и атмосферным давлением, т. е.

181

Подставив в формулу (6.11) значение скорости ѴД, измеренное вторым микроманометром, получим окончательную формулу для определения давления

Коэффициенты /гц и /ец —■k6, необходимые для вычисления вели­ чины скорости и давления, определяются в результате тарировки.

Вышеизложенным способом можно определить направление, величину скорости и давление в потоке любым из трех указанных насадков.

34« Измерение вектора скорости в пространственном потоке« Шаровой зонд

Для измерения направления и величины скорости, а также давления в пространственном потоке, можно пользоваться при­ борами, аналогичными тем, которые описаны в предыдущем пара­ графе, но имеющими не три, а пять приемных отверстий.

Рис. 6.18. Шаровые зонды

На рис. 6.18 показаны типы шаровых зондов, применяемые в лаборатории ЛПИ им. Калинина.

Одним из первых приборов, использованных в лаборатории для измерения вектора скорости в рабочей части аэродинамиче­ ской трубы, была обычная скоростная трубка, на полусфериче­ ском носике которой имелось пять отверстий, а хоботок можно было устанавливать по направлению скорости. Такая скоростная трубка пригодна для измерения в очень широких каналах и отно­ сительно однородных полях скоростей.

Сравнительные достоинства и недостатки различных типов трехмерных насадков такие же, как и у соответствующих типов двухмерных насадков.

Так как методика измерений и обработка полученных данных совершенно одинакова для всех типов пространственных

182

насадков, то рассмотрим способ тарировки только одного -ша­ рового зонда.

Шаровой зонд представляет собой шарик с пятью отверстиями, просверленными в двух перпендикулярных друг к другу диа­ метральных плоскостях. Шарик помещен на цилиндрической дер­ жавке так, как это показано на рис. 6.18. Угол между осями центрального и каждого из боковых отверстий составляет 40°. Каждое отверстие шарика соединяется тонкими трубками, про­ ходящими внутри державки. Обычно применяемые зонды имеют шарик диаметром 5— 10 мм.

Для измерений в щелях и зазорах в лаборатории аэродина­ мики ЛПИ изготовлялись зонды с диаметром шарика 3 мм. Основные размеры зонда при диаметре шарика 10 мм показаны на рис. 6.18.

Принцип работы зонда основан на том, что в зависимости от направления потока, обтекающего шарик, в точках, где про­ сверлены отверстия, устанавливаются некоторые давления. Эти давления могут быть измерены микроманометрами, присоединен­ ными к штуцерам.

Определение направления скорости можно осуществить посред­ ством поочередного вращения прибора в двух взаимно перпен­ дикулярных плоскостях вокруг центра шарика. Вращение произ­ водится до тех пор, пока в каждой паре боковых отверстий (7, 3) и (4, 5) не установятся одинаковые давления. Тогда, очевидно, направление вектора скорости совпадет с осью центрального от­ верстия; точнее положение вектора скорости можно находить с помощью поправок, полученных тарировкой. Отсчет углов, определяющих положение вектора скорости в пространстве, про­ изводится по лимбам координатника. Расчет величин скорости и давления производится по формулам, аналогичным соответ­ ствующим формулам для двухмерных приборов. Изложенный способ измерения называется нулевым и является наиболее точ­ ным. Кроме того, он наиболее прост при обработке эксперимен­ тальных данных. Большим недостатком этого способа является почти полная неприменимость в условиях внутренней задачи. В этом случае необходимо делать вырезы в стенках канала для перемещения державки прибора и координатника.

В другом методе определения углов, дающих положение век­ тора скорости в пространстве, они находятся по показаниям мано­ метров, присоединенных к боковым отверстиям неподвижного прибора. В этом случае необходима предварительная тарировка, т. е. установление связи между углами, величиной скорости и показаниями манометров. Тарировка приборов при такой методике измерений получается весьма громоздкой, а пользование тарировочными кривыми — очень сложным вследствие многозначности тарировочных кривых. Поэтому измерения скорости в трех­ мерном потоке неподвижными зондами практически не произво­ дятся.

183

Наиболее удобным и широко распространенным способом является смешанный способ, при котором один из углов ср опре­ деляется вращением, а второй б — по показаниям манометров.

Вращая шарик вокруг оси державки при любом направлении потока в пространстве, можно получить такое положение шарика, при котором давления в точках 4 и 5 будут равны. При этом век­ тор скорости потока будет лежать в плоскости, проходящей через отверстия 1, 2 и 3, и задача будет сведена к определению его вели­ чины и направления в этой плоскости. Положение вектора скоро­ сти в плоскости 4, 2 и 5 определяется по лимбу.

В зависимости от угла б, образованного вектором скорости с осью отверстия 2 в плоскости /, 2, 3, в каждом из указанных отверстий возникает давление, которое может быть формально представлено в виде суммы, составленной из давления в потоке и части скоростного напора

рѴ\

Рп — Pi + kn -g —,

где hn — высота вертикального столба жидкости в трубке микро­ манометра.

Из этих двух уравнений можно определить скорость и давле­ ние. Вычитая уравнение (6.13) из формулы (6.12), получим

Коэффициенты kt и kn в этих формулах являются неизвестными функциями от неопределенного еще угла б.

Для определения угла б нужно найти связь между показаниями манометров и этим углом. Функция, выражающая эту связь,

184

должна быть ограниченной, однозначной и не должна зависеть от величины скорости и давления. Этим условиям удовлетворяет функция

Второе равенство в формуле (6.15) следует из формулы (6.14). Таким образом, если тарировкой заранее установить зависи­

ht имели бы наибольшие значе­ ния. Таким условиям удовлетво­

При наличии расхождений, не превышающих 2—3%, скорость может быть вычислена по средней величине

/tg h\

ß 3 — kl

Для расхождения более 3% следует произвести повторные измерения и расчет. Эти же результаты контроля могут быть ис­

185

дуемого сечения, а х — перпендикулярно плоскости yz, то для определения проекции вектора скорости на эти оси получим следующие формулы:

Ѵх V cos б sin :р; Ѵу — V sin б;

Ѵг = V cos б cos cp.

Тарировочные кривые для зонда имеют вид, показанный на рис. 6.19, а установка для тарирования зондов и схема подклю­ чения отверстий зонда к микроманометрам показаны на рис. 6.20. Тарировочная установка должна обеспечить поворот шарика в заданном потоке вокруг двух осей у, z с фиксацией углов.

Рис. 6.20. Схема тарировочной установки и соединения отверстий зонда с микроманометрами:

ЛК — лимб координатника, по которому производится отсчет угла 6

Тарировка зонда производится в однородном потоке с извест­ ным и постоянным по всему сечению направлением скорости. В такой поток с известной величиной скорости и давления поме­ щается зонд с помощью специального координатника, который позволяет устанавливать зонд под любым углом к потоку. Поль­ зуясь схемой присоединения микроманометров и вычислив соот­ ветствующие коэффициенты для каждого значения угла б, легко

Таким образом, для определения направления и величины скорости, а также давления в данной точке пространства доста­ точно измерить /і3— /іь h 2— Л4 и Л2, затем рассчитать kö по

186

Во многих практических задачах необходимо знать распреде­ ление скоростей в пограничном слое. Для этого нужно произ­ водить измерения скорости на небольших расстояниях от стенок, иногда порядка сотых долей миллиметра. Для таких измерений можно применять микротрубки полного напора, нагретые нити термоанемометра, а в непосредственной близости от тела — так называемые поверхностные трубки.

Основными требованиями, предъявляемыми к приборам, ко­ торые предназначены для измерения вблизи стенки, являются: малые возмущения, вносимые приемным устройством прибора в исследуемую область потока, возможность наиболее близкого подхода к поверхности и малая инерционность.

Полное удовлетворение указанных требований возможно только при применении оптических методов измерения. В этом случае в поток ничего не вносится, следовательно, возмущения отсутствуют, передача всех измерений скоростей мгновенна и можно приближаться к стенке на сколь угодно близкое расстоя­ ние. К сожалению, трудности таких измерений столь велики, что до настоящего времени еще практически пригодных приборов не существует.

В экспериментальной аэродинамике более часто применяются микротрубки и поверхностные трубки. Микротрубки полного напора по своему устройству не отличаются от обычных трубок. Но приемное отверстие у них значительно меньше, чем у обычных.

Приемные отверстия имеют размеры порядка десятых долей мил­ лиметра. Одна из таких трубок, применяемая в ЛПИ им. Кали­ нина [27], показана на рис. 6.21. Как видно, торцовая часть ути­ нообразного носика трубки имеет почти прямоугольную форму. В ЛПИ им. Калинина используются трубки с размерами:

h - 0,07ч-0,01 мм и Я = 0,84-1,0 мм.

Для того чтобы микротрубка вносила в поток небольшие воз­ мущения, необходимо, чтобы носик хоботка трубки имел мини­ мальные размеры и был удален на значительное расстояние от державки. Расстояние носика от державки, равное 20—30 мм, оказалось достаточным, чтобы исключить влияние ножки на работу трубки.

І87