Газодинамический стенд для изучения кинематической структуры воздушных потоков, осложненных продольным отрицательным градиентом давления и гидродинамической нестационарностью Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 532

С. В. Юшко

ГАЗОДИНАМИЧЕСКИЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВОЗДУШНЫХ ПОТОКОВ, ОСЛОЖНЕННЫХ ПРОДОЛЬНЫМ ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ ГРАДИЕНТОМ ДАВЛЕНИЯ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕСТАЦИОНАРНОСТЬЮ

Ключевые слова: газодинамический стенд, воздушный поток, отрицательный градиент, гидродинамическая

нестационарность.

В работе приведено описание газодинамического стенда для изучения кинематической структуры воздушных потоков, осложненных продольным отрицательным градиентом давления и гидродинамической нестационарностью.

Keywords: gas-dynamic stand, turbulent airflows, negative gradient, hydrodynamic nonstationarity.

In this paper proposed a description of the gas-dynamic stand for studying the kinematic patterns of air flow, complicated negative longitudinal pressure gradient and hydrodynamic unsteady.

Экспериментальные исследования

стационарного потока и потока, осложненного периодическими колебаниями расхода, проводились на газодинамическом стенде разомкнутого типа, схема и внешний вид которого представлены на рис.1 и рис. 2 соответственно.

Воздух центробежным насосом (8) через сопло Витошинского (1) засасывался из комнаты, проходил участок начальной стабилизации потока (2) (цилиндрическая труба, внутренний диаметр 50 мм, длина 80 калибров), коническое сопло (3), пульсатор с профилированной заслонкой (5), байпас (7) и выбрасывался наружу. При проведении исследований в сопле Витошинского участок начальной стабилизации потока отсутствовал.

Стенд был оснащен Автоматизированной Системой Сбора и Переработки Информации. В состав АССПИ также входила система синхронизации записи показаний первичных преобразователей (датчиков).

Расход воздуха через установку контролировался по соплу Витошинского. Скорость потока на оси сопла рассчитывалась по измеренному перепаду между атмосферным давлением и статическим давлением потока в соответствии с методикой, приведенной в работе [1]. Перепад давления измерялся датчиком «Сапфир» (9).

При проведении исследований в сопле Витошинского и в коническом сопле измерение скорости потока осуществлялось

термоанемометрическим способом в соответствии с методикой, изложенной в работах [1] и [2]. При этом использовался термоанемометр постоянной температуры в комплекте с однониточным датчиком [2].

В связи с тем, что диаметр выходного сечения конического сопла составлял 30 мм (рис.4), в целях снижения помех от загромождения сечения датчик термоанемометра вводился в поток параллельно оси канала. При этом нить датчика была всегда

перпендикулярна его оси. Рис. 2 - Внешний вид экспериментальной

установки

Рис. 1 - Схема экспериментальной установки: 1 -сопло Витошинского, 2 - участок начальной стабилизации потока, 3 - коническое сопло, 4 -координатный стол, 5 - профилированная заслонка, 6 - привод пульсатора, 7 - байпас, 8 -центробежный насос, 9 - датчик дифференциального давления «Сапфир», 10 -термоанемометр, 11 - осциллограф, 12 -персональный компьютер, 13 -нормирующие усилители, 14 - УСО, 15 - цифровой вольтметр, 16 - источник постоянного тока для маркера

Рис. 3 - Внешний вид рабочего участка

) 9

-|........

■ ■ li

TV .

Рис. 4 - Эскиз конического сопла

Осевое расположение датчика

обеспечивалось специальной конструкцией его крепления. Исследуемые сопла соединялись с рабочим участком резьбовым соединением (рис.4). Перед использованием точность поперечного перемещения датчика, а также его расположение относительно потока проверялись с помощью катетометра и микроскопа. Поперечные перемещения датчика термоанемометра

координировались от его нулевого положения, то есть от стенки исследуемого канала. Начальное положение датчика определялось касанием стенки по реакции омметра, смонтированного на рабочем участке. Сопло Витошинского и коническое сопло были выполнены из токопроводящих материалов: медь и алюминий соответственно. Основные энергетические характеристики стенда приведены в работе [1].

Методика проведения исследований

В соответствии с поставленными задачами исследования проводились в горле сопла Витошинского и в трех сечениях конического сопла, выполненных на расстояниях 5.04, 36 и 51.12 мм от начала геометрического сужения канала (рис.4).

При проведении исследований был реализован поэтапный подход. Так, первоначально исследования выполнялись в стационарном потоке. Это давало возможность проверить адекватность используемых методик определения интегральных

характеристик пограничного слоя, найти зависимости, позволяющие производить их расчет в квазистационарном приближении, а также выявить случайную составляющую погрешности их определения в целях построения метрологической оценки достоверности экспериментальной информации. После этого исследования выполнялись в потоке, осложненном периодическими колебаниями расхода.

Интегральные характеристики пограничного слоя, как в сопле Витошинского, так и в коническом сопле рассчитывались по измеренным термоанемометром профилям осредненной по времени (в случае стационарного потока) или по ансамблям реализаций (в случае потока, осложненного периодическими колебаниями расхода) составляющей скорости потока.

Каждый раз до и после проведения исследований в пределах одного

экспериментального дня вся контрольно-измерительная аппаратура проходила

индивидуальную калибровку. Методика калибровки датчика термоанемометра были рассмотрены в работе [2]. Здесь следует только отметить, что для соблюдения единства условий проведения калибровки и измерений в целях повышения достоверности экспериментальной информации калибровка термоанемометра проводилась непосредственно на рабочем участке, в горле сопла Витошинского, на его оси. При этом за образцовые принимались значения скорости, рассчитанные по измеренному датчиком «Сапфир» перепаду между статическим давлением потока и атмосферным. Трубка отбора статического давления была смонтирована в горле сопла Витошинского.

Поскольку исследования проводились в изотермическом потоке, а температура воздуха, протекающего через стенд, за время проведения эксперимента повышалась относительно начальной на один, два градуса, методика измерения скорости потока термоанемометром не предполагала температурной коррекции. Однако расшифровка сигнала термоанемометра, так же как и датчика «Сапфир» осуществлялась с учетом калибровочных коэффициентов, полученных в результате начальной и конечной калибровок, что позволяло учитывать, в том числе и температурный дрейф контрольно-измерительной аппаратуры.

Литература

1. Юшко С.В. Газодинамический стенд для изучения воздушных потоков в трубах. Вестник Вестник Казан. технол. ун-та-2013.-№ 21.- С. 125-127.

2. Юшко С.В. Особенности подготовки термоанемометра для измерения скорости турбулентного потока. Вестник Казан. технол. ун-та-2013.-№ 21.- С.136-138.

© С. В. Юшко - д-р техн. наук, зав. каф. инженерной компьютерной графики и автоматизированного проектирования КНИТУ, [email protected].

© S. V. Yushko - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of the Department of Engineering and Computer Graphics, KNRTU, [email protected].