Термоанемометрическое измерение турбулентности нестационарных потоков

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

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.