CC BY
26
УДК 623.4; 621.1
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПОГРЕШНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
РАБОЧЕГО ТЕЛА В ПОЛОСТЯХ МНОГОКАМЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО УСТРОЙСТВА
И.В. Дунаева, В.М. Казаков, Д.В. Сладков
Исследован процесс обтекания газовым потоком датчиков температуры со спаренными термопарами в полостях многокамерного экспериментального устройства. Проведены прочностные расчеты термопар и определены рациональные значения углубления датчиков температуры в патрубках, обеспечивающие требуемую точность измерения температуры рабочего тела.
Ключевые слова: многокамерное экспериментальное устройство, термопара, погрешность измерения температуры, скорость потока.
Определение локальных параметров газового потока в рабочих полостях разделяющихся головных частей (РГЧ) является достаточно сложной задачей. Это связано со сложным характером течения продуктов сгорания дымного ружейного пороха (ДРП) в которых содержится большое количество остатков конденсированной фазы и внутренних источников тепла и массы.
Единственным возможным направлением получения достоверных данных по интенсивности тепломассопереноса и тепловых нагрузок в рабочих полостях РГЧ является эксперимент. С этой целью было разработано, изготовлено и апробировано многокамерное экспериментальное устройство (МЭУ) имитирующее течение газопороховой смеси в указанных характерных полостях. Для регистрации давления и температуры в пяти сечениях МЭУ к оболочке приварены патрубки, куда ввинчиваются датчики давления и температуры. Для обеспечения требуемой точности измерений в каждом сечении устанавливается по два датчика температуры (ДТ), имеющих спаренную и одиночную термопару (ТП).
Чувствительные элементы ТП могут располагаться по отношению к внутренней поверхности устройства на разном расстоянии, то есть находиться в потоке продуктов сгорания или быть утопленными (углубленными) в полость патрубка. В случае расположения чувствительных элементов ТП в потоке продуктов сгорания датчик будет регистрировать истинную температуру. Однако в этом случае на чувствительные элементы будет оказывать силовое воздействие гетерогенный поток продуктов сгорания, что может приводить к обрыву термоэлектродов. При установке ДТ с заглублением чувствительные элементы будут в определенной степени защищены от силового воздействия газового потока, но будут регистрировать температуру газа, затекающего в полость патрубка, которая может существенно отличаться от температуры в рабочей полости.
Для исследования влияния заглубления ДТ на результаты измерения температуры были проведены расчеты течения в зоне патрубка (рис. 1) при скоростях в ядре потока V = 200 и 50 м/с, температуре газа Т = 1200 К и давлении р = 1,0 и 3,0 МПа. Высокая скорость характерна для проточного тракта экспериментального устройства, а низкая - для переднего и заднего объемов. Расчеты проводились с использованием программно-вычислительного комплекса Gas2, разработанного на кафедре «Ракетное Вооружение» ТулГУ [1].
Рис. 1. Расположение ТП в полости патрубка
Расчеты проводились при углублении ТП на 2, 5, 10, 15 мм (рис. 2).
утлубле™»« 15 мм
Рис. 2. Расчетная схема расположения спая термопары
Картина течения и график изменения температуры в точках 1 и 2 при V = 200 м/с Тг = 1200 K р = 1,0 МПа приведены на рис. 3. Анализ результатов расчетов показывает, что при небольшом углублении ТП (Н до 5...7 мм) газ затекает в полость без образования ярко выраженного вихревого течения. При больших значениях углубления вначале газ затекает в полость, перемешиваясь с находящимся там воздухом, затем в полости образуется вихрь.
& Двумерная газодинамика < <бах2>> ОЛООООО\ОЛА\_РКООВАММ1Р\С_Ви11О\бА5ЛОА1М\2018\КОгЬОУ\ОА52\ОАМ\ибКиВ1ЕМ\5ММ.Р1У — □ X
ЕЙ И 1-Пю X % Гя ^ р у[т р уьгсдк [в^зд* 3 кк К51 3
Рис. 3. Картина течения в области ТП, график изменения температуры в точках 1 и 2 при углублении термопары на 5 мм
(см. также с. 16)
Т.1К]
1
0 0 0025 0.005 1 [с|
Рис. 3. Окончание
Особый интерес с точки зрения измерения температуры представляют графики изменения температуры продуктов сгорания Тг и температуры, измеренной ТП Ттп, при различном ее заглублении. Вначале процесса Ттп меньше Тг, что связано с вытеснением горячими газами холодного воздуха из патрубка и их перемешиванием. При этом погрешность измерения температуры ДТг= Тг -Ттп имеет положительное значение и при большом углублении ТП может достигать существенных значений (220 К при И = 15 мм). В дальнейшем погрешность измерения температуры ДТг уменьшается и в некоторой точке становится равной нулю, то есть выполняется равенство Тг = Ттп, и ТП регистрирует истинную температуру газа. Далее скорость движения продуктов сгорания в патрубке возрастает, погрешность измерения температуры ДТг меняет знак и возрастает от нуля до установившегося значения, равного примерно 35 -40 К. Это связано с торможением газового потока на спае ТП, при котором измеряется по сути дела температура торможения потока. Традиционно учитывается эта погрешность коэффициентом восстановления, зависящего от конструкции датчика и скорости потока [2].
Рис. 4. Картина течения в области ТП, график изменения температуры в точках 1 и 2 при углублении термопары на 15 мм
(см. также с. 17)
Для меньших скоростей потока, характерных для застойных зон (передний и донный объемы экспериментального устройства) картина течения аналогична, но погрешность измерения температуры снижается.
Моменты времени в которых выполняется условие Тг = Ттп приведены в табл. 1.
Таблица 1
Время tee 1 03 с, при котором Тг = Ттп
мм V, м/с 15 10 5 2
200 3,3 2,5 0,5 0,4
50 5,0 3,1 0,7 0,5
Проведенные расчеты показали, что наилучшее совпадение Тг и Ттп обеспечивают датчики температуры, установленные таким образом, что ТП находятся непосредственно в потоке газа. Однако в этом случае возрастает вероятность обрыва термоэлектродов.
В первом приближении оценить прочность термоэлектродов можно, рассматривая их как балку с жестко закрепленными концами, при этом наиболее опасными являются изгибные напряжения. Результаты расчетов максимальных изгибных напряжений атах при различных скоростях потока и диаметрах термоэлектродов ^э приведены в табл. 2.
Таблица 2
Максимальные изгибные напряжения в^ ТП Gmax, МПа
V, м/с 50 100 200 300 500
da 103, м
0,1 45,0 173,0 692,0 1560,0 4328,2
0,2 11,3 43,3 173,1 389,0 1084,4
0,5 4,9 18,7 75,4 170,0 472,2
1,0 0,45 1,73 6,9 15,6 43,4
Сравнение полученных напряжений с пределами прочности материалов, применяемых для изготовления ТП для измерения высоких температур [2] (табл. 3) с учетом запаса прочности кпр = 1,4 показывает, что до скоростей потока меньших 150 м/с, термоэлектроды диаметром больше 0,1 х 103 м для всех указанных материалов не разрушаются. Следует иметь в виду, что при
17
проведении этих оценок не учитывалось наличие твердых частиц в потоке и снижение прочностных свойств материалов при нагреве до высоких температур. Таким образом, такие ТП могут использоваться для измерения температуры в застойных зонах.
Таблица 3
Пределы прочности материалов ТП [а/, МП а ^_
Материал Копель Хромель Алюмель Вольфрам
[о], МПа 450 670 610 1000
В проточных каналах с большой скоростью потока продуктов сгорания следует использовать ТП с термоэлектродами большего диаметра их сплава вольфрама с рением.
При использовании датчика температуры со спаренной термопарой динамическая погрешность практически исключается, но возникает новая погрешность, связанная с расположением спая ТП относительно потока. Проведенные газодинамические расчеты показывают, что эта погрешность ДТг=7Т - Ттп существенно зависит от заглубления спая и изменяется во времени (рис. 5).
15 мм 10 мм 5 мм 2 мм
V
~ <
0123456789 t-10"3C
а
15 мм 10 мм 5 мм 2 мм
\
\
0123456789 t-10"3C
б
Рис. 5. Погрешности измерения температуры заглубленной термопарой при скорости потока: а - V = 200 м/с; б - V = 50 м/с
Из рисунков следует, что в начале процесса при больших заглубления (10...15 мм) эти ошибки могу достигать очень больших величин 400 - 800 К. С течением времени они быстро убывают и составляют всего несколько градусов. Интересно отметить, что в определенный момент времени t0 ошибка AT становится равной нулю, затем меняет знак, быстро выходя на асимптоту. Причем момент перехода через нуль зависит от величины заглубления и скорости потока. С уменьшением заглубления величина t0 быстро убывает.
Установившееся значение погрешность измерения температуры AT^ составляет примерно 35 - 40 К, и его можно рассматривать как систематическую погрешность. С физической точки зрения появление этой погрешности связано с торможением газового потока на спае ТП, при котором измеряется по сути дела температура заторможенного потока. Традиционно учитывается эта погрешность коэффициентом восстановления, зависящего от конструкции датчика и скорости потока [3].
Таким образом, проведенные исследования показывают, что применение датчиков температуры со спаренными термопарами обеспечивает достаточно точное измерение температуры гетерогенного рабочего тела в рабочих полостях разделяющихся головных частей, и при правильной организации эксперимента погрешность не будет превышать 40 - 50 К, что составляет 3 - 6 % от максимальной температуры продуктов сгорания.
Список литературы
1. Макаровец H.A., Дунаев В.А., Каширкин A.A., Панасюк М.Ю., Поляков Е.П., Устинов ЛА. Разработка реактивных снарядов РСЗО на базе компьютерных технологий: монография / H.A. Макаровец [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ, 2010. 210 с.
2. Рогельберг И.Л., Бейлин В.М. Сплавы для термопар. М.: Металлургия, 1983. 360 с.
3. Электрические измерения. Средства и методы измерений. Под. ред. Е.Г. Шрамкова. М.: Высшая школа, 1992. 520 с.
Дунаева Инна Валерьевна, канд. техн. наук, доцент, i w damail. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Казаков Владимир Михайлович, начальник отделения, v.m.kazakovamail.ru, Россия, Тула, ОАО « НПО « Сплав» им. А. Н. Ганичева,
Сладков Дмитрий Валерьевич, студент, sladckov.d'à yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
THE INFL UENCE OF HOST TEMPERA TURE SENSOR THE TEMPERA TURE
MEASUREMENT ERROR OF THE WORKING FLUID IN THE CA VITIES OF THEMULTI- CAMERA EXPERIMENTAL DEVICE
I. V. Dunaeva, V.M. Kazakov, V. U. Sladkov
The process of gas flow around temperature sensors with paired thermocouples in the cavities of a multi- camera experimental device is investigated. Conducted strength calculations of thermocouples and determined by the rational values of the deepening of the temperature sensors in the pipe to ensure the required accuracy of the measurement of the temperature of the working fluid.
Key words: multi-chamber experimental device, thermocouple, temperature measurement error, flow rate.
Dunayeva Inna. Valeryevna, candidate of technical sciences, docent, i w damail. ru, Russia, Tula, Tula state University,
Kazakov Vladimir Michaylovich, head of Department, v. m. kazakov@mail. ru, Russia, Tula, JSC «NPO «Splav» them. A.N. Ganicheva,
Sladkov Dmitri Valeryevich, student, sladckov. d@yandex. ru, Russia, Tula, Tula state University
УДК 531.58
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ВЫСТРЕЛА ИЗ ОРУЖИЯ САМООБОРОНЫ
Е.Н. Патрикова, А.А. Лосева, П.Е. Аркатова
Представлены результаты реализации математической модели процесса выстрела из оружия самообороны, использование которой в процессе проектирования образцов оружия данного класса позволяет уменьшить затраты времени и средств на экспериментальную отработку конструкции и обеспечить надёжность работы автоматики.
Ключевые слова: оружие самообороны, процесс выстрела, газовый пистолет, канал ствола, затвор.
Объектом исследования является процесс выстрела из газового пистолета. Разработанная математическая модель и соответствующий ей алгоритм численного расчёта параметров исследуемого процесса позволяют определять площадь минимального поперечного сечения канала ствола при известных массах затвора и порохового заряда, а при известном минимальном поперечном сечении канала ствола и массе затвора, определять необходимую массу порохового заряда.
На рис. 1 представлены теоретические зависимости максимального давления от диаметра сужения канала ствола для различных масс порохового заряда. Из рисунка видно, что с увеличением диаметра сужения величина максимального давления уменьшается. Причём, от dc = 1,5 мм до
