15VI Международная научно-практическая конференция УДК 620.165.29; 620.179.1; 620.1.08
Макаров Валерий Анатольевич Makarov Valeriy Anatolievich
Д.т.н., профессор кафедры промышленной информатики Doctor of Science (Eng.), Professor, Department of Industrial Informatics
Королев Филипп Андреевич Korolev Filipp Andreevich Аспирант кафедры промышленной информатики Post-graduate student, Department of Industrial Informatics МИРЭА - Российский технологический университет MIREA - Russian Technological University
ЭФФЕКТ СИЛОВОГО ДЕЙСТВИЯ СТРУИ НА ПЛАСТИНУ ОГРАНИЧЕННЫХ РАЗМЕРОВ
THE JET FORCE ACTION EFFECT ON THE LIMITED DIMENSIONS PLATE
Аннотация: Датчики давления, применяемые в промышленности, вносят в результаты контрольных измерений погрешности, обусловленные упругими свойствами материалов чувствительных элементов. Предлагается применять датчики давления, принцип действия которых основан на эффекте силового действия струи на пластину ограниченных размеров, соизмеримых с размерами струи. Рассмотрен принцип силового действия струи на пластину, размеры которой соизмеримы с площадью контакта струи. Выведен эмпирический коэффициент, учитывающий силовое воздействие на пластину спутной струи воздуха и вихревых потоков, образующихся при обтекании пластины. На основе полученных данных могут быть разработаны различные приборы контрольной аппаратуры.
Abstract: Pressure sensors used in industry introduce errors in control measurements results due to the elastic properties of sensitive element materials. It is proposed to use pressure sensors, the operation principle of which is based on the jet force action effect on the limited dimensions plate, commensurate with the jet dimensions. The principle of the jet force action effect on the plate, the dimensions of which are commensurate with the jet contact area, are considered. An empirical coefficient has been derived that takes into account the force effect on the plate of the concurrent air stream and vortex flows that form under the plate. Based on the data obtained, various control instrumentation devices can be developed.
Ключевые слова: контрольная аппаратура, силовое действие струи, датчики контроля, датчики давления, чувствительные элементы.
Научные междисциплинарные исследования
Key words: control equipment, jet force action, control sensors, pressure sensors, sensitive elements.
Пневматические цифровые системы получают все большее распространение в машиностроении и других отраслях промышленности. С помощью современной аппаратуры для контроля подобных цифровых систем можно определять характеристики системы. Применяемые в промышленности чувствительные элементы датчиков давления (мембраны, сильфоны, пьезоэлектрические датчики, мембранные датчики и т.п.) вносят в результаты контрольных измерений погрешности, обусловленные упругими свойствами материалов чувствительных элементов [1, 2, 3]. Для уменьшения этих погрешностей используют компенсационные измерительные схемы, не пригодные для контроля быстроизменяющихся давлений, поскольку они влияют на динамические свойства датчиков. Для увеличения быстродействия предлагается применять датчики давления, принцип действия которых основан на эффекте силового действия струи на пластину ограниченных размеров, соизмеримых с размерами струи [4, 5, 6]. Эти датчики обладают высокой чувствительностью показаний, линейностью статической характеристики и повышенным быстродействием, что позволяет эффективно использовать их при автоматизации контроля быстроизменяющихся давлений.
Цель данной работы - рассмотреть принцип действия струи на пластины ограниченных размеров и его возможность для использования при разработке контрольной аппаратуры для автоматизированных систем управления.
Анализ публикаций, посвященных вопросам силового действия струи на пластину конечных размеров [7, 8], позволяет определить два основных фактора этого воздействия. Первый фактор связан с силовым давлением струи воздуха на поверхность пластины, а второй - с силовым воздействием образующихся под пластиной вихревых потоков. Расчет суммарного воздействия упомянутых факторов представляет собой сложную задачу, поэтому было предложено
VI Международная научно-практическая конференция провести экспериментальное определение параметров силового действия струи воздуха на пластину.
Для проведения экспериментов использовалась установка, представленная на рис. 1 и состоящая из редуктора 1, манометра 2, переменного дросселя 3, микроманометра 4, сопла 5 и пластины 6, закрепленной на основании весов 7. Сопло 5 и пластина 6 являются сменными элементами установки для измерения показаний при различных конструктивных параметрах.
Во время проведения эксперимента из выходного отверстия диаметром йс сопла 5 струя воздуха воздействовала на пластину 6 силой F, величина которой измерялась по показаниям весов 7. Многочисленные опыты проводились при различных параметрах сопла 5 и пластины 6, в ходе которых была определена зависимость между шириной пластины п, диаметром сопла йс и расстоянием к от сопла до пластины, равная:
п = ас( 1 + 0.35к/йс). (1)
Различные параметры ширины пластины, диаметра сопла и расстояния от сопла до пластины определяют между собой связь, влияющую на то, какое силовое действие струи можно зафиксировать и, следовательно, какую точность измерения амплитудно-частотных характеристик можно получить в приборах контроля физико-технических параметров газов.
Ширина пластины лимитирует массу пластины (увеличение ширины пластины позволяет более равномерно распределить массу пластины), а также позволяет подстроиться под нужную площадь контакта струи с пластиной, зависящую от диаметра сопла и расстояния от сопла до пластины. При ширине пластины п, равной диаметру площади контакта струи и пластины (назовем область контакта «следом») 5С, сила воздействия равна:
Г = РМБ,, (2)
где Рм - усредненное давление на площадь «следа» струи 5С.
Вид А
I I
Рис. 1. Схема взаимодействия струи и преграды
Распределение скоростей по нормальному сечению струи описывается зависимостью, согласно которой, давление на пластину меняется от максимального на оси струи до нуля при приближении к ее границам. Соответственно, усредненное давление Рм равно [9]:
Рм = кР0, (3)
где к - эмпирический коэффициент; Р0 - давление в точке пересечения осей симметрии струи и пластины.
Отношение давлений Р0/Р определяется по уравнению [10]:
Р0/Р = [1/(0.3 + 0.14^с)]2, (4) где Р - давление потока перед соплом 5. Площадь «следа» струи 5С будет равна:
- 11
/77
VI Международная научно-практическая конференция пп2 пйс2 „
5г= — = —^(1 + 0.35 к/ас)2 =БС(1 + 0.35 к/ас)2, (5)
где Бс = —-— площадь сопла 5.
Выражение (2) для расчета силы действия струи F преобразуется с учетом формул (1) и (3)-(5):
F = кР5с[(1 + 0.35к/ас)/(0.3 + 0.14к/ас)]2. (6)
Отсюда
к = (Р/РБС)[(0.3 + 0.14к/йс)/(1 + 0.35к/йс)]2. (7)
Эмпирический коэффициент к учитывает не только усредненное давление Рм в формуле (3), но и влияние турбулентных вихревых потоков под пластиной.
Эксперименты проводились на установке со следующими параметрами:
- число Рейнольдса ^е) от 2000 до 10000;
- диаметры сопел йс от 0.2 до 1.2 • 10-3 м;
- давление воздуха перед соплом Р от 1 до 5 кПа;
- расстояние между соплом и поверхностью пластины к от 6.25йс до 125йс.
На основании экспериментов было определено значение эмпирического
коэффициента к, равное 1,15±0.05. Полученное значение позволит рассчитать силу действия струи по формуле (6) для чувствительных элементов датчиков давления при параметрах струи воздуха, упомянутых выше.
Использование эффекта силового действия струи позволяет разрабатывать высокоточную контрольной аппаратуры для пневматических цифровых систем и пожаровзрывоопасных производств, при этом обеспечивая эффективную автоматизацию контроля быстропротекающих давлений газов - от низких до высоких. Эффект силового действия струи на пластину ограниченных размеров предлагает повышенную чувствительность к амплитудно-частотным характеристикам измеряемых величин в быстропротекающих воздушных процессах, что повышает точность измерений.
Конкретным примером разработанного авторами прибора, принцип работы которого основан на силовом действии струи на пластину ограниченных размеров, можно указать датчик регистрации пневмоимпульсов низкого
Научные междисциплинарные исследования давления [11], содержащий чувствительный элемент в виде пластины, реагирующей на изменение давления, и измерительную схему, которая состоит из магнитоэлектрического гальванометра, включающего рамку с током, помещенную в зазоре постоянного магнита, зеркало, источник света, конденсор, диафрагму, и электрической мостовой схемы, включающей дифференциальный фоторезистор, опорное и наладочное сопротивления, источник напряжения, и в обратной связи которой расположены нагрузочное сопротивление и регистрирующий прибор. Технический результат, достигнутый в настоящем изобретении, заключался в повышении быстродействия и снижения погрешности при измерениях амплитудно-частотных характеристик физико-технических параметров газов в цифровых системах.
На основе разработанного прибора авторами сделан вывод о возможности разработки дополнительных устройств для контроля давлений и других физико-технических параметров газов на базе эффекта силового действия струи на пластину ограниченных размеров.
Библиографический список:
1. Farmer T. Structural Studies of Liquids and Glasses Using Aerodynamic Levitation. // Springer International Publishing, 2015. XIV. 113 p.
2. Becher T., Neubert M., Rothne L., Shao D. Y. Effective field theory for jet processes. // Phys. Rev. Lett. 2016. Vol. 116. № 19.
3. Pritchard P.J. Fox and McDonald's Introduction to Fluid Mechanics. 8th Edition. John Wiley & Sons Inc, New York, 2011. 899 p.
4. Мордасов М.М., Савенков А.П., Чечетов K.E. Исследование силового действия турбулентной газовой струи. // Инженерная физика. 2014. № 6. С. 2229.
5. Чечетов K. Е. О взаимодействии турбулентной струи газа с поверхностью жидкости. // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: Материалы 7 Международной научно-инновационной молодежной конференции, 28-30 окт., 2015. С. 274-276.
VI Международная научно-практическая конференция
6. §tefan-Mugur S., Corneliu B. CFD study on convective heat exchange between impinging gas jets and solid surfaces. // Energy Procedia, Vol. 85, 2016. P. 481-488.
7. Hwang H.Y., Irons G.A. A Water Model Study of Impinging Gas Jets on Liquid Surfaces. // Metallurgical and Materials Transactions. 2012. Vol. 43. P. 302315.
7. Iulia R. D., Ioana L. O., DianaB., Corneliu B. Impact of Newtonian Liquid Jets on Smooth and Patterned Solid Walls. // Energy Procedia, Vol. 112, 2017. P. 186193.
9. Мордасов М.М., Савенков А.П., Чечетов К.Е. Определение коэффициента расхода при истечении газа из отверстий малого диаметра. // Инженерная физика. 2014. № 1. С. 13-18.
10. Мордасов М.М., Савенков А.П., Чечетов К.Е. Об уточнении расчетных зависимостей силового действия турбулентной газовой струи. // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. Вып. 10. С. 141-144.
11. Патент РФ №2019123387, 25.07.2019. Датчик регистрации пневмоимпульсов низкого давления // Патент России №2713087, 03.02.2020. Бюл. № 4. / Макаров В.А., Королев Ф.А., Тютяев Р.Е., Макаров А.В.
