ПНЕВМАТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ТРЕНИЯ

Полезная модель относится к области экспериментального определения напряжения трения на поверхности в турбулентном пограничном слое с продольным градиентом давления.
w
w
Аналогом предлагаемого устройства является пневматический датчик трения, называемый трубкой Престона (Чжен П. "Управление отрывом потока", М., "Мир", 1979, с.161). Этот датчик представляет собой цилиндрическую трубку полного давления с прямым торцом, лежащую на обтекаемой поверхности. Датчик позволяет определять напряжение трения τ на обтекаемой поверхности в турбулентном пограничном слое при отсутствии продольного градиента давления. В этих условиях измерение τ основано на использовании известного универсального характера распределения скорости u в области влияния стенки
где  - динамическая скорость, y - расстояние от стенки, ρ - плотность воздуха, µ и ν=µ/ρ - соответственно коэффициенты динамической и кинематической вязкости воздуха.
w
0
ст
0
ст
С помощью трубки Престона диаметром d величина напряжения трения τ определяется по измеренной разности Δp=(p-p) между полным давлением p и статическим давлением p с использованием градуировочного соотношения вида
w
Однако при наличии продольного градиента давления профиль скорости отклоняется от универсального профиля (1), начиная с некоторого расстояния от стенки, что приводит к систематической погрешности измерения τ с использованием зависимости (2). При этом величина этой погрешности заранее неизвестна.
w
Наиболее близким к предлагаемому датчику является устройство, взятое за прототип, содержащее цилиндрическую вертикальную трубку статического давления с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, соединенную со штоком, который имеет вывод к датчику давления (см. "Способ определения параметров потока в пограничном слое". Авт. свид. №528780 с приоритетом от 14.01.1974 г., Бюлл. изобретений, 1978, №35). С помощью этого устройства величина τ в пограничном слое при отсутствии градиента давления определяется по разности давлений, измеренных в двух крайних положениях трубки статического давления, с использованием градуировочного соотношения вида (2), где вместо диаметра d фигурирует значение высоты h трубки над обтекаемой поверхностью. Преимущество этого устройства по сравнению с трубкой Престона состоит в том, что, во-первых, обе величины давления измеряются в одной и той же точке и, во-вторых, его показания не зависят от направления потока.
w
Однако применение этого устройства в потоке с продольным градиентом давления имеет тот же недостаток, что и трубка Престона, а именно, профиль скорости отклоняется от универсального профиля (1), начиная с некоторого расстояния от стенки, что приводит к систематической погрешности измерения τ с использованием зависимости вида (2).
Технический результат применения предлагаемого датчика трения состоит в том, что при наличии продольного градиента давления он обеспечивает достоверное измерение напряжения трения на стенке.
max
τ
w
max
τ
Технический результат достигается тем, что в пневматическом датчике трения для измерений в потоке с продольным градиентом давления, содержащем подвижную цилиндрическую трубку статического давления с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, максимальная высота h цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 ν/u, где ν=µ/ρ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ρ - плотность воздуха,  - динамическая скорость, τ - напряжение трения на стенке, т.е. h≤10 ν/u.
max
τ
w
max
τ
На чертеже показана конструкция пневматического датчика трения. Цилиндрическая подвижная трубка 1 статического давления, с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, установлена перпендикулярно к обтекаемой поверхности 2. Максимальная высота h цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 ν/u, где ν=µ/ρ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ρ - плотность воздуха,  - динамическая скорость, τ - напряжение трения на стенке, т.е. h≤10 ν/u.
Нижняя часть трубки через основание 3 соединена со штоком 4, который имеет вывод к датчику давления и соединен механически с приспособлением, обеспечивающим перемещение трубки 1 перпендикулярно к обтекаемой поверхности. Для герметичности устройства установлено уплотнение 5.
w
ст
ст
Устройство работает следующим образом. Величина напряжения трения τ определяется по разности Δp=p-p' между статическим давлением p, измеренным при утопленном положении трубки 1, когда верхний срез трубки установлен заподлицо с обтекаемой поверхностью, и давлением p', измеренным трубкой 1 в выдвинутом положении на высоту h, с использованием градуировочного соотношения
полученного для течения при отсутствии градиента давления в предположении существования универсального профиля скорости в пристеночной области турбулентного пограничного слоя.
Для определения максимального расстояния h от стенки, при котором сохраняется универсальный профиль скорости при наличии продольного градиента давления, были проведены специальные экспериментальные исследования профилей скорости в турбулентном пограничном слое в широком диапазоне изменения положительного и отрицательного градиентов давления. B результате этих опытов было установлено, что при наличии продольных градиентов давления профиль скорости в универсальных координатах сохраняет такую же форму, как и при отсутствии градиента давления, в том случае, если расстояние h от стенки удовлетворяет условию
.
w
В этом случае для определения τ в пограничном слое с градиентом давления может быть использовано градуировочное соотношение (3).