CC BY
21
чаев гребневые оценки оказываются близкими к оценкам метода наименьших квадратов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений. М.: Наука, 1991.272 с.
2. Валеев С.Г., Клячкин В.Н. Численное исследование эффективности применения робастных методов при обработке аэрокосмических снимков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 1995. №3. С.92-101.
3. Klyachkin V.N. Restoration of Polyomial Dependences in Noisy Samples // Pattern Recognition and Image Analysis. Vol.6. №1. 1996. PP. 41-42.
4. Демиденко Е.З. Линейная и нелинейная регрессия. М.: Финансы и статистика, 1981. 302 с.
5. Петрович М.Л. Регрессионный анализ и его математическое обеспечение на ЕС ЭВМ. М.: Финансы и статистика, 1982. 199 с.
Клячкин Владимир Николаевич, кандидат технических наук, доцент, окончил машиностроительный факультет Ульяновского политехнического института. Доцент кафедры прикладной математики и информатики УлГТУ. Имеет статьи в области надежности и регрессионного анализа.
УДК 532: 533 Н.Н.КОВАЛЬНОГОВ
ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ТУРБУЛЕНТНОСТИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ПОТОКОВ
Проведен анализ подходов к выделению закономерного и турбулентного изменения параметров в процессе измерения характеристик нестационарного турбулентного потока. Дано описание автоматизированного термоанемометрического комплекса и методики измерения турбулентных характеристик нестационарного потока. Приведены некоторые результаты экспериментального исследования структуры нестационарного потока, полученные с использованием разработанных средств измерения.
Турбулентность оказывает определяющее влияние на интенсивность переноса теплоты, вещества и количества движения в потоках жидкости и газа. В то же время отсутствие полной и строгой теории турбулентности вынуждает исследователей закладывать в основу разрабатываемых методов расчета
© Н. Н. Ковальногов, 1998
процессов конвективного теплообмена, массообмена и сопротивления турбулентных потоков эмпирическую информацию по их турбулентной структуре.
К настоящему времени созданы надежные методы и средства измерения турбулентных характеристик стационарных потоков, параметры которых не претерпевают закономерного изменения во времени (см., например, [1]). Исследования же турбулентности нестационарных течений сопряжены со значительными методическими, техническими (в части разработки средств измерения) и математическими трудностями. В настоящее время лишь 5-6 научных коллективов в нашей стране и за рубежом владеют техникой термо-анемометрических измерений турбулентности нестационарных течений. Так, из литературы известны исследования, выполненные в США [2] для потоков с частотой вынужденных аэромеханических пульсаций параметров до 43 Гц, во Франции [3] - с частотой до 62 Гц, в России (под руководством проф. Фа-фурина A.B.) [4] - до 5 Гц, в России (под руководством автора статьи) [5] -до 23 Гц, и исследования [6], выполненные в России под руководством проф. Дрейцера Г.А. для потоков с апериодическим изменением параметров и временем переходного процесса порядка нескольких секунд.
В указанных работах для разделения закономерного и случайного (вследствие турбулентных пульсаций) изменения параметров потока используются разные методические подходы и соответствующие им средства измерений. Это затрудняет сопоставление и интерпретацию результатов, полученных разными авторами, а также их использование при математическом моделировании турбулентного переноса в нестационарных потоках.
Характер изменения параметров нестационарного турбулентного потока во времени показан на рис. 1. Здесь и, й, и' - соответственно мгновенное, осредненное (по ансамблю реализаций) и пульсационнос значение скорости потока в рассматриваемый момент времени; т - время.
Сплошная линия на рис. 1 характеризует результирующее изменение во времени параметров (скорости) потока, включающее закономерную и случайную (турбулентные пульсации) составляющие, а пунктирная - характеризует лишь закономерную составляющую этого изменения.
При измерении структуры нестационарного турбулентного потока требуется выделить закономерную - й и пульсационную - и' составляющие скорости (или другого параметра). Существуют два основных подхода к такому
и
Рис. 1. Изменение параметров в нестационарном турбулентном потоке
выделению. Первый подход, реализованный в работах [3,6], предполагает регистрацию мгновенных значений сигнала измерительной информации в течение некоторого периода времени с последующим его осреднением за этот период и выделением среднеквадратичных пульсаций. Техника термоанемо-метрических измерений сохраняется при этом той же, что и при измерениях в стационарном потоке, усложняется лишь их математическая обработка. Однако полученные в этом случае результаты характеризуют не мгновенные (соответствующие определенным фазам закономерного изменения параметров в нестационарном турбулентном потоке), а усредненные за тот или иной период значения турбулентных характеристик нестационарного потока. В результате в значительной мере утрачивается важнейшая информация о влиянии нестационарности на турбулентность в различных фазах закономерного изменения параметров.
Другой подход заключается в выполнении многократных измерений параметров нестационарного турбулентного потока в одних и тех же фазах его закономерного изменения с последующим осреднением сигнала измерительной информации (соответствующего одной и той же фазе) по ансамблю реализаций и выделением среднеквадратичных пульсаций в интересующих фазах. Этот подход, позволяющий получать несравненно более полную и ценную информацию о турбулентной структуре нестационарных потоков, использовался в работах [4,5].
Для успешного применения этого подхода требуется разработка специальных автоматизированных средств измерения. Известные из литературы технические средства обладают весьма скромными характеристиками. Так. применявшийся в работе [4] термоанемометрический комплекс позволяет проводить измерения в потоках с частотой вынужденных пульсаций параметров не более 10 Гц, при которой обычно не проявляется особенностей турбулентного обмена, характерных для нестационарных потоков. Предлагаемый автоматизированный термоанемометрический комплекс обеспечивает выполнение измерений в нестационарных потоках с частотой вынужденных пульсаций параметров до 2 кГц.
Схема термоанемометрического комплекса приведена на рис. 2.
Комплекс включает в себя термоанемометр оригинальной конструкции [7], 1ВМ-совместимую ПЭВМ, устройство сопряжения (интерфейс) термоанемометра с ПЭВМ.
Термоанемометр, содержащий усилитель обратной связи и чувствительный элемент из вольфрамовой нити длиной 1,0.. 1,5 мм и диаметром 8.. 10 мкм, позволяет производить настройку измерительного тракта по командам ПЭВМ, контролировать в процессе эксперимента динамические характеристики системы, осуществлять измерение в режимах как постоянной температуры чувствительного элемента, так и постоянной силы тока.
Устройство сопряжения состоит из аналого-цифрового преобразователя, таймера, коммутатора цифровых сигналов, синхронизатора, буферного запоминающего устройства и контроллера.
• /
Рис. 2. Блок-схема автоматизированного гермоанемометрического комплекса
Характерной особенностью разработанного измерительно-вычислительного комплекса является возможность осуществления быстрого многократного съема измерительной информации с датчика термоанемометра с последующей сравнительно медленной передачей ее в оперативное запоминающее устройство ПЭВМ. При этом циклы быстрой записи с последующей медленной передачей данных в ЭВМ могут быть повторены произвольное число раз.
Момент выполнения каждого из серии «быстрых» измерений соответствует определенной фазе изменения параметров нестационарного течения. Этот момент измеряется с помощью таймера и также записывается в буферную память. Привязка момента выполнения очередного измерения к определенной фазе изменения параметров потока осуществляется с помощью синхронизатора. Командный элемент синхронизатора в виде диска с сигнальными отверстиями, управляющими подачей световых сигналов на фотодатчики, жестко связан с вращающейся заслонкой пульсатора установки и задает момент выполнения каждого из серии «быстрых» измерений. Частота измерений при этом зависит от скорости изменения параметров нестационарного потока, определяемой частотой вращения заслонки пульсатора, от количества сигнальных отверстий в диске и от размеров сектора опроса, в котором эти отверстия расположены. Максимальная частота измерений составляет 2 кГц.
Количество рабочих отверстий в диске синхронизатора, задающих моменты выполнения каждого из серии «быстрых» измерений, может изменяться от I до 25. Верхний предел определяется емкостью буферного запоминающего устройства. Таким образом, серия может содержать от 1 до 25
43
«быстрых» измерений, соответствующих разным фазам изменения параметров нестационарного потока.
Диск синхронизатора содержит также 2 служебных отверстия. Первое отверстие размещается в начале сектора опроса и управляет работой фотодатчика, который при попадании на него светового импульса обнуляет таймер и запрещает передачу данных из буферной памяти в ПЭВМ.
Таймер, служащий для временной привязки каждого из серии «быстрых» измерений, содержит четырехразрядный счетчик времени с ценой младшего разряда 0,0001 с. Момент очередного измерения, отсчитываемый таймером, вместе с сигналом измерительной информации поступает на вход коммутатора цифровых сигналов. Коммутатор последовательно засылает в буферное запоминающее устройство числовые коды, соответствующие моменту очередного измерения и его результату. Буферное запоминающее устройство обеспечивает запись до 25 пар чисел, характеризующих момент измерения и соответствующий сигнал измерительной информации.
Контроллер управляет работой всех элементов устройства сопряжения. Соответствие сигналов, записываемых в буферное запоминающее устройство, значениям измеряемой величины устанавливается на основе предварительной тарировки измерительного тракта.
Следует отметить, что при каждом обороте диска синхронизатора, если нет обращения к буферной памяти интерфейса, происходит обновление ее содержимого. После обращения ПЭВМ буферная память оказывается недоступной для записи новых данных до тех пор, пока не будет считана и записана в ПЭВМ вся имеющаяся в ней информация.
Разработанный термоанемометрический комплекс использовался для исследования турбулентной структуры пульсирующих потоков в каналах различной формы. Некоторые результаты исследования приведены на рис. 3.
Рис. 3. Схема экспериментального участка (а) и изменение во времени осредненных значений статического давления (б), коэффициента трения (в), осредненной скорости (г), интенсивности продольных турбулентных пульсаций скорости (д)
Исследование погрешности измерения турбулентных характеристик нестационарного потока показало, что для величины б, относительная погрешность лежит в пределах 6... 13% при доверительной вероятности 0,95.
Таким образом, разработана и апробирована совершенная техника и методика автоматизированных термоанемометрических измерений турбулентной структуры нестационарных потоков, которую можно рекомендовать к широкому использованию в научных исследованиях и при постановке инженерного эксперимента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ярин П.И., Генкин А.Л., Кукес В.И. Термоанемометрия газовых потоков. Л.: Машиностроение, 1983. 198 с.
2. Кусто Ж., Депозер А., Худевиль Р. Структура и развитие турбулентного пограничного слоя в осциллирующем внешнем потоке // Турбулентные сдвиговые течения. Т. 1. М.: Машиностроение, 1982. С. 159-177.
3. Кутекс Ж., Кодевиль Р. Моделирование нестационарных пограничных слоев // Отчет советской делегации об участии в международном семинаре Международного центра по тепло- и массообмену «Пристенная турбулентность». М.: АН СССР, 1988. С. 51.
4. Межуев В.М. Нестационарное турбулентное течение в осесимметрич-ных каналах при наличии неизотермичности и вдува. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Казань: КХТИ им. С.М. Кирова, 1990. 16 с.
5. Романовский В.Л., Филин И.В., Зубрилов А.Ф., Ковальногов H.H. Структура турбулентного пульсирующего потока и сопротивление трения в осесимметричных каналах // Изв. вузов. Авиационная техника. 1994. №4. С. 16-21.
в. Бухаркин В.Б., Дрейцер Г.А., Краев В.М., Неверов A.C. Исследование структуры турбулентного газового потока в условиях гидродинамической нестационарности // Труды III Минского Международного форума по тепломассообмену. Т. 1. Ч. 2. Минск, 1996. С. 73-76.
7. Зубрилов А.Ф., Романовский В.Л., Кузнецов Д.Л., Ковальногов H.H. Термоанемометр. А. с. №1659866 от 1.03.91. Бюл. № 24. 1991.
•««•«••«»•»•••»••••в
Ковальногов Николай Николаевич, доктор технических наук, профессор, окончил факультет двигателей летательных аппаратов Казанского авиационного института. Зав. кафедрой ТГВиГ УлГТУ. Имеет статьи, изобретены, монографии и учебные пособия в области теории и техники теплофизического эксперимента, автоматизации экспериментальных исследований.
