Лабораторное занятие №5 экспериментальное определение полного статического и скоростного давлений

Цель работы: – ознакомить с аппаратурой, применяемой при аэродинамическом эксперименте, и основными приемами измерения параметров воздушного потока.

Приборы для измерения отдельных параметров воздушного потока состоят из собственно приемника давления или скорости, измерителя и линии связи между ними.

Микроманометры

Измерителями давления служат жидкостные манометры и микроманометры. В рудничной вентиляции широкое распространение получили U-образные жидкостные манометры и микроманометры типа ММН.

U-образный жидкостный манометр(рис. 5.1)

Рисунок 5.1 – U-образный жидкостный манометр

изготовлен из стеклянной U-образной трубки, которая заполнена до середины жидкостью – водой или спиртом.

К одному и второму коленам трубки подводят даления . Вес столба жидкости манометра, изображенного на (рис. 5.1), уравновесит перепад давления

hγ_ж = ΔР = Р₁ - Р₂ (5.1)

Сделав отсчет по одному и второму коленам, получаем искомую разность давлений.

Жидкостный манометр, у которого диаметры трубок правого и левого колен сильно отличаются друг от друга, представлен на (рис.5.2).

Рисунок 5.2 – Жидкостный манометр с уширенным коленом

В таких приборах, нашедших широкое применение, необходимо сделать только один отсчет при измерении разности давления.

Наибольшее распространение при экспериментальных работах в рудничной аэродинамике получили микроманометры.

Жидкостный микроманометр, изображенный на (рис. 5.3), состоит из двух колен, одно из которых имеет изменяемый в определенных пределах наклон и значительно меньший диаметр. Как видно из (рис. 5.3), к широкому сосуду подведено большее давление, а меньшее – к подвижной измерительной трубке малого диаметра.

Рисунок 5.3 – Схема микроманометра

Обозначим площадь поперечного сечения измерительной трубки через f, а поперечное сечение сосуда – через F. Под действием разности давлений hγ_ж = ΔР = Р₁ - Р₂ ( где Р₁>Р₂ и γ_ж – удельный вес жидкости) уровень жидкости в трубке повысится на величину α от нулевого положения, а в широком сосуде уровень жидкости опустится на величину h₀ от начального (нулевого) положения, при этом объем жидкости, равный h₀F, перетечет в трубку и будет равен объему αf, т. е.

h₀F = αf (5.2)

Разность уровней в коленах будет равна:

h = h₀ + h₁ (5.3)

где h₀ – вертикальная высота опускания жидкости в широком сосуде;

h₁ – вертикальная высота подъема жидкости в измерительной трубке.

Но h₁ = α sinφ, (5.4)

и (5.5)

Подставив вместо h₁ и h₀ их значения в предыдущее уравнение, получим:

(5.6)

Следовательно, искомая разность давлений

(5.7)

Отсюда видно, что увеличение «масштаба» измерения есть отношение отсчитываемой на шкале прибора величины α к вертикальной высоте столба жидкости, уравновешивающей измеряемую разность давлений,

(5.8)

Чувствительность прибора будет тем больше, чем меньше отношение и чем меньше угол наклона φ. Отношение принимают меньше 0,01 при диаметре трубки 1,5—2 мм и более; наклон трубки обычно принимают sinφ = 0,1 и более.

Микроманометр типа ММН

Общий вид прибора показан на (рис. 5.4, а).

а)

б)

Рисунок 5.4 – Микроманометр ММН

На силуминовой плите 1 укреплен стальной штампованный резервуар 2. Сверху резервуар герметически закрыт крышкой на резиновой прокладке. На крышке укреплены трехходовой кран 3, заливочная пробка 4 и регулятор нулевого положения мениска 5, служащий для подгонки мениска спирта в измерительной трубке к нулевой риске шкалы. При помощи небольшой стойки к плите 1 крепится кронштейн с измерительной трубкой 6. Нижняя часть измерительной трубки через штуцер при помощи эластичной резиновой трубки сообщается с резервуаром 2, а верхний ее конец сообщается с трехходовым краном 3. Измерительная трубка 6 установлена так, что нулевая точка ее шкалы совпадает с осью вращения кронштейна.

Шкала измерительной трубки имеет длину 250 мм, и каждое деление ее соответствует 1 мм.

Для установки кронштейна с измерительной трубкой на требуемый угол наклона к плите 1 прикреплена дуга 7, имеющая пять отверстий с цифрами: 0,8; 0,6; 0,4; 0,3 и 0,2, обозначающими постоянный множитель прибора К.

Для установки микроманометра в строго горизонтальное положение на плите 1 установлены два уровня 8 с цилиндрическими ампулами. Заполнение прибора спиртом производится через отверстие в крышке, закрываемое пробкой 4, а опорожнение – полное или частичное – через сливной кран, который укреплен на отводе в нижней части резервуара.

Каналы в трехходовом кране расположены таким образом, что при повороте его против часовой стрелки до упора резервуар и измерительная трубка сообщаются с атмосферой, а отверстия к штуцерам 1 и 3 перекрываются (рис. 5.4, б); при этом положении крана проверяется нуль прибора. При повороте крана по часовой стрелке до упора штуцер 3 сообщается с резервуаром, а штуцер 2 сообщается со штуцером 1 и через него с измерительной трубкой, при этом ведущее в атмосферу отверстие перекрывается.

При измерении прибором разряжений резиновая трубка, идущая от места замера, надевается на штуцер 2, а при измерении давлений – на штуцер 3.

При измерении прибором перепада плюсовая трубка надевается на штуцер 3, а минусовая – на штуцер 2.

При работе с микроманометром необходимо произвести следующее:

1. установить прибор при помощи регулировочных винтов в строго горизонтальном положении;

2. установить кронштейн с измерительной трубкой в крайнее верхнее положение под наклоном 0,8;

3. повернуть пробку трехходового крана против часовой стрелки до упора и через заливочную пробку залить микроманометр этиловым спиртом (с плотностью 0,8095 г/см³) так, чтобы уровень его в измерительной трубке установился приблизительно против нулевого деления, затем завернуть пробку до отказа. Для четкой видимости мениска этиловый спирт должен быть окрашен метиловым красным красителем «метилрот», консистенция красителя в спирте 0,05 г/л;

4. надеть на штуцер трехходового крана отрезок резиновой трубки и, поставив кран (путем поворота его по часовой стрелке до упора) в рабочее положение, поднять путем подсоса уровень спирта в измерительной трубке примерно до конца шкалы и убедиться в отсутствии воздушных пробок в столбике спирта. В случае обнаружения воздушных пробок таковые необходимо удалить, выдув их вместе со спиртом в резервуар;

5. повернуть кран против часовой стрелки до упора, переставить кронштейн с измерительной трубкой на требуемый угол наклона и при помощи регулировочного барабана окончательно скорректировать нуль;

6. соединить прибор с объектом измерения и проверить уровень; повернуть кран по часовой стрелке до упора и сделать отсчеты. Во время работы необходимо периодически проверять нуль прибора, а также следить за положением прибора по уровням.

Включение прибора для измерений должно производиться таким образом, чтобы абсолютное давление над спиртом в резервуаре было больше, чем в измерительной трубке. При этом условии уровень спирта в измерительной трубке будет подниматься, а в резервуаре опускаться.

Для прибора установлены следующие значения «постоянной прибора» К: 0,2; 0,3; 0,4; 0,6 и 0,8. Эти значения К, как указано выше, нанесены на дуге прибора 7. Так как длина шкалы измерительной трубки равна 250 мм, то пределы измерения при указанных наклонах составляют соответственно 50, 75, 100, 150 и 200 мм вод. ст.

Погрешность показаний микроманометра обычно не превышает ±0,5 – 1,0% от соответствующих верхних пределов измерений.

Погрешность прибора от изменения плотности спирта под влиянием температуры и крепости спирта учитывается поправочным коэффициентом П, который дается в таблице, прилагаемой к прибору.

Истинные показания прибора определяются по формуле:

h_и = К·П·h, мм вод. ст. (5.9)

где h – отсчет по шкале прибора, мм.

Приемники давления

Измерение давления или скорости потока требует наличия двух приборов: микроманометра и насадки (приемника воздушного давления), которая помещается в поток.

К приемникам давления или скорости, устанавливаемым в поток, при аэродинамических исследованиях предъявляются определенные требования:

а) измеряемый параметр (давление или скорость) должен определяться с минимальными погрешностями;

б) приемник должен быть малочувствителен к скосу потока,если он не предназначен для измерения направления скорости;

в) приемник должен правильно осреднять (во времени) значение параметра, иметь малые габариты и не изменять характерпотока;

г) незначительные отклонения от рекомендуемой формы приемника не должны оказывать заметного влияния на точность измерения;

д) числовое значение коэффициента приемника должно бытьпостоянным в широком диапазоне скоростей потока.

При определении скорости потока и давления микроманометром и резиновой трубкой, конец которой помещают в поток срезом шланга против потока или по потоку или, наконец, срезом параллельно к линиям тока, будут получены значения завышенные или заниженные. Это происходит потому, что шланг, помещенный в поток, искажает поле потока и вносит погрешности при измерении давлений и скорости.

Рассмотрим приемники статического давления. Статическим давлением называется давление, которое воспринимает тело, помещенное в поток и перемещающееся со скоростью потока параллельно ему.

Приемник статического давления называется статической трубкой, статическим насадком или зондом. Статическая трубка состоит из пустотелой цилиндрической трубки диаметром d, снабженной обтекаемым закрытым носком (рис. 5.5).

Рисунок 5.5 – Статический зонд

Эта трубка присоединена ко второй трубке-державке под прямым углом. Приемная трубка на расстоянии 1₁ ≥ 3d имеет ряд отверстий, через которые давление передается к микроманометру. Расстояние от приемных отверстий до державки 1₂ ≥ 8d. Отклонение зонда от направления потока ± 8⁰ не влияет на его показания.

Приемники полного и динамического напора называются воздухомерными трубками или пневмометрами.

Воздухомерная трубка, пневмометр, или приемник воздушного давления изображен на (рис. 5.6).

Рисунок 5.6 – Воздухомерная трубка

Трубка помещается в поток приемным элементом параллельно линиям тока. Вид воздухомерной трубки такой же, как и статического насадка, только в приемнике давления имеется в носке осевое отверстие 2, а державка трубки снабжена двумя патрубками, один из которых воспринимает полное давление ( + ), а второй – статическое давление ( - ).

Приемником статического давления служат кольцевая щель или боковые отверстия 1, а приемником полного напора – осевое отверстие 2. Точка 2 представляет собой точку полного торможения потока, так как микроманометр, присоединенный к воздухомерной трубке, запирает поток.

Через осевое отверстие 2, которое называется отверстием полного напора на поверхность жидкости, в широком резервуаре будет восприниматься полный напор потока, определяемый уравнением:

(5.10)

где Р_ст – статическое давление;

Р_ск – скоростное (динамическое) давление.

Высота подъема уровня жидкости в измерительной трубке микроманометра связана со скоростным напором потока выражением:

(5.11)

где ξ – коэффициент прибора, близкий к единице;

h – вертикальная высота жидкости;

γ_ж – удельный вес жидкости.

Так как (5.12)

где ρ – массовая плотность воздуха;

v – скорость потока;

то скорость потока будет равна:

(5.13)

Статическое давление можно измерять через отверстия в стенке тела. Ось отверстия должна быть перпендикулярна поверхности тела, отклонение ее на ± 5⁰ не вызывает заметной погрешности.В месте выхода отверстия наружу поверхность должна быть гладкой, без заусениц. Диаметр отверстия не меньше 0,2 мм.

Точность замеров скорости движения воздуха воздухомерной трубкой зависит от места установки трубки.

Экспериментальное определение разности полных давлений

Работа выполняется в аэродинамической трубе незамкнутого типа с закрытой рабочей частью. Схема соединений и расстановки приборов представлена на (рис. 5.7).

В аэродинамической трубе на участке между сечениями I-I и II-II необходимо определить разность полных давлений. Для этого в сечениях I-I и II-II устанавливаем воздухомерные трубки. Каждая трубка помещается в поток приемным элементом параллельно линиям тока в центральной части поперечного сечения трубы, причем осевое отверстие должно быть расположено навстречу потоку.

Патрубки державок воздухомерных трубок со знаком плюс соединяют резиновыми шлангами с микроманометром. К резервуару микроманометра присоединяют конец шланга большого давления, т. е. от трубки, установленной в сечении I-I.

Рисунок 5.7 – Схема соединений и расстановки приборов для замера разности полных давлений

Описанный способ замера дает правильные результаты только для случаев, когда в первом и втором сечениях имеют место одинаковые профили скоростей.

Если профили скоростей разные, то для получения правильных значений полных давлений необходимо определить среднюю величину полного давления в каждом сечении и потом находить их разность. Чем больше отличаются профили скоростей в сечениях, тем больше число замерных точек следует брать в поперечном сечении трубы.

Экспериментальное определение разности статических давлений

Измерение разности статических давлений производится при помощи микроманометра и двух воздухомерных трубок (рис. 5.8).

Рисунок 5.8 – Схема соединений и расстановки приборов для замера разности статических давлений

Трубки закрепляются на треногах или к крепи в конечных пунктах участка выработки; приемные элементы их устанавливают параллельно потоку. Патрубок резервуара микроманометра соединяют резиновым шлангом с патрубком державки воздухомерной трубки, установленной в пункте с большим давлением, помеченным знаком минус.

Резиновые трубки в выработке желательно прокладывать за несколько часов до начала работ, чтобы температура внутри трубок и в выработке была одинаковой; это имеет важное значение при работе в наклонных и вертикальных выработках.

Отсчет по микроманометру дает разность статических давлений.

При S₁ = S₂ величина разности статических давлений:

h = P₁ – P₂ , (5.14)

где P₁ и P₂ – статические давления в начальном и конечном сечениях; при S₁ ≠ S₂ эта величина определяется по формуле:

(5.15)

где v₁ и v₂ – скорость потока в сечениях;

γ₁ и γ₂ – удельный вес воздуха в сечениях;

К₁ иК₂ – энергетические коэффициенты.

Если S₁ > S₂ и v₁ < v₂, поправка на скорость берется со знаком плюс; если S₁ < S₂ и v₁ > v₂,поправка берется со знаком минус.

Экспериментальное определение динамического давления

Динамическим давлением называется давление, оказываемое движущимся потоком на неподвижную пластинку, установленную перпендикулярно потоку.

Схема установки и соединения приборов (микроманометра и воздухомерной трубки) при измерении динамического давления показана на (рис. 5.9).

Приемный элемент воздухомерной трубки устанавливается в той точке поперечного сечения канала, где мы желаем определить скоростное давление. Оно, как правило, по сечению трубопроводов и каналов неодинаково. И лишь в аэродинамических трубах (в рабочей части) благодаря специально принимаемым мерам скоростное давление одинаково в разных точках поперечного сечения трубы.

Рисунок 5.9 – Схема соединений и расстановки приборов для замера динамического давления.

При измерении динамического давления оба патрубка державки воздухомерной трубки соединяются резиновым шлангом с микроманометром, причем плюс соединяют с широким резервуаром микроманометра.

На лабораторном занятии необходимо на модели аэродинамической трубы выполнить измерение статического, скоростного, полного давлений и депрессии.

Результаты наблюдений и вычислений занести в журнал (табл. 5.1).

Таблица 5.1 – Журнал наблюдений и вычислений

Наименование параметра	Отсчеты по микроманометру		Разность отсчетов	Постоянная прибора, К	Поправочный коэффициент прибора, П	Депрессия, h, мм.вод.ст
	Начальный	Конечный
Статическое давление
Динамическое давление (скоростное)
Полное давление
Депрессия участка

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Приборы для измерения давления:

а) U – образный манометр, взятие отсчета, точность измерения и рабочая жидкость;

б) микроманометр ММН, его устройство;

в) подготовка прибора к работе;

г) расположение каналов в трехходовом кране;

д) способ измерения прибором разряжений;

е) измерение прибором давлений;

ж) способ подключения прибора при измерениях;

з) пределы измерений, «постоянная прибора»;

и) формула для определения истинных показателей прибора.

2. Приемники давления:

а) наиболее распространенные приемники давления;

б) устройство статического зонда;

в) устройство воздухомерной трубки;

г) назначение приемников давления;

д) схема соединений и расстановки приборов для замера разности полных давлений;

е) схема соединений и расстановки приборов для замера разности статических давлений;

ж) схема соединений и расстановки приборов для замера разности динамических давлений.