УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЧЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
INTERFACE FLOW CHARACTERISTIC METRE AND MODE OF OPERATION THEREOF

w
Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к классу средств (приборов) для определения таких характеристик течения, как, например, местоположения области ламинарно-турбулентного перехода, коэффициента перемежаемости γ и числа N перемежаемости, величины локального поверхностного трения τ; направления течения в непосредственной близости от поверхности обтекаемого тела, например линий тока на поверхности тела, отрыва слоя от обтекаемой поверхности, включая и зону отрыва под висячим скачком и других.
Известны устройства для измерения характеристик потока у поверхности обтекаемого тела, в которых датчик состоит из нагревательного элемента и регистратора (термоиндикатора) его теплового следа с соответствующей электрической измерительной схемой. Например, в работе (JSA Tranc, vol.21, №1, pp.69-78, Fig 1) представлен датчик, расположенный на расстоянии от обтекаемой поверхности у≥0.1 мм, состоящий из трех параллельных нитей, средняя из которых нагревается, а обе крайние работают как терморезисторы-термоиндикаторы, обеспечивая определение направления движения теплового следа от средней нагретой проволоки (след совпадает с направлением течения). Недостатками приведенного устройства являются низкая механическая прочность и нежелательные неизбежные возмущения потока, даже в случае не работающей системы.
Указанных недостатков лишены устройства (датчики), чувствительные элементы которых размещены непосредственно на обтекаемой поверхности, заподлицо с ней (А.С. №197212, МПК G01F, 1967 г., Бюл. №12; А.С. №186778, МПК G01F, 1966 г., Бюл. №19).
В качестве прототипа взяты поверхностные датчики с несколькими чувствительными элементами, расположенными вдоль исследуемой области параллельно друг другу (AJAA-87-1271, Fig.2; AJAA-86-9786).
w
w
w
При использовании данных поверхностных датчиков параллельные между собой чувствительные элементы нагревательные и регистрирующие - измеряющие тепловой след устанавливаются до начала эксперимента перпендикулярно к потоку под углом α=90° (направление потока заранее известно), что обеспечивает наибольшую точность и чувствительность измерений. Данные известные устройства регистрируют, что более холодный элемент датчика находится выше по потоку относительно более нагретого. В случае произвольной установки датчика относительно направления течения его элементы будут располагаться под неизвестным углом α к направлению течения, что в общем случае уменьшает их чувствительность и не позволяет правильно измерять поверхностное трение τ, т.е. использовать тарировочную зависимость Е=F(τ), т.к. в этом случае Е=F(τ,α). В случае расположения чувствительных элементов датчиков вдоль потока пропадает и всякая возможность судить о направлении потока, т.е. данные устройства не обеспечивают измерение (определение) скоса потока. Такая ситуация имеет место на обтекаемой поверхности, например, в зоне неплоского отрыва пограничного слоя.
w
w
w
Технический результат, на достижение которого направлено заявленное изобретение, состоит в определении направления трехмерного течения и соответствующего поверхностного трения (τ) на обтекаемой поверхности при произвольной, заранее неизвестной ориентации устройства (датчика) относительно течения в месте измерения и обеспечении условий работы при наибольшей (максимальной) чувствительности измерения величин Е, e', τ, где Е - постоянная составляющая сигнала термоанемометра, е' - пульсационная составляющая выходного сигнала термоанемометра, τ - величина поверхностного трения.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом изобретении поверхностный датчик термоанемометра с нагревательным и термоиндикаторными элементами, включенный в измерительную систему, выполнен в виде круга (например, в виде «ромашки») с нагревательным элементом в центре круга и термоиндикаторными элементами, расположенными по его радиусам.
Также для достижения указанного технического результата способ работы устройства для измерения характеристик течения в пограничном слое с заранее неизвестным направлением течения, основанный на измерении средних Е и пульсационных е' характеристик течения на поверхности обтекаемого тела, осуществляют посредством термоиндикаторного элемента, нагретого до заданной температуры, предварительно определяют направление течения с помощью n радиально расположенных термоиндикаторных элементов, выбирают термоиндикаторный элемент, расположенный наиболее близко к направлению, перпендикулярному к течению, а характеристики течения определяют по измеренным сигналам Е и е' выбранного термоиндикаторного элемента.
Предлагаемое изобретение - устройство для измерения характеристик течения и способ его работы - иллюстрируются фиг.1-4.
На фиг.1 схематически показана конструкция предлагаемого устройства в виде датчика с принципиальной измерительной схемой.
e
∞
∞
На фиг.2 - графики зависимости электрического сопротивления термоиндикаторов (R) при U=0 (без потока) и при наличии потока (U≠0), направленного сверху вниз на фиг.1.
∞
w
∞
∞
н
к
На фиг.3 приведен соответствующий иллюстрационный пример изменения в зависимости от скорости U осредненных по времени характеристик сигналов Е=F(τ,U), е'=F(U) при исследовании области ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое, показывающий работу способа в этом конкретном случае, где U - начало, U - конец ламинарно-турбулентного перехода.
На фиг.4 приведены три образца осциллограмм e'=F(t).
n
1
8
Устройство для измерения характеристик течения содержит круговой датчик термоанемометра 1 с термоиндикаторными элементами I(I-I), подсоединенными к омметру 2 через переключатели 6 и 3, и нагревательным элементом в центре 4.
n
При работе устройства выбранный элемент I датчика 1 включается в термоанемометрическую схему посредством переключателей 6 и 3. К выходу термоанемометра 5 для измерений постоянной Е и переменной e' составляющих сигналов подключаются соответственно блоки 7 и 8. Более подробный анализ сигналов термоанемометра 5 может быть проведен при помощи другой специальной аппаратуры, не показанной на фиг.1.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Датчик 1, выполненный, например, на тонкой диэлектрической пленке, устанавливают (приклеивают) на обтекаемую поверхность исследуемого тела, подключают к используемой в эксперименте измерительной аппаратуре и определяют его ориентацию относительно реперных точек тела. Выполнение датчика и его электропроводников из тонкого металлического слоя, напыленного на диэлектрическую пленку, и их клеевое крепление на обтекаемой поверхности значительно упрощает технику монтажа при реализации и полностью исключает возмущение течения в точке измерения.
∞
n
e
5
n
В ходе летных или трубных (модельных) испытаний после установления выбранного режима потока, например скорости U, нагревают центральный элемент 4 до заданной температуры, посредством регулировки переключателей 6 и 3 и омметра 2 измеряют электрическое сопротивление термоиндикаторов I - для определения направления течения. На фиг.1 это направление выбрано сверху вниз, при этом будет отмечаться значительное увеличение сопротивления R элемента I, находящегося в тепловом слое центрального элемента 4, см. фиг.2. После определения направления течения нагревательный элемент 4 выключается и выбранный термоиндикаторный элемент датчика I посредством переключателей 6 и 3 подключается к термоанемометру 5.
3
7
∞
w
На фиг.1 это будет термоиндикатор I, который, как и I, будет расположен перпендикулярно к течению (U) и обладать наибольшей чувствительностью и точностью, т.е. соответствовать условиям тарировки Е=F(τ) при α=90° в случае измерения характеристик течения в непосредственной близости от обтекаемой поверхности.
3
w
w
w
w
Некоторые иллюстрационные примеры работы устройства в этом режиме (в условиях, соответствующих переключению выключателей 6 и 3 в требуемое положение и нагреву элемента I до заданной температуры t) приведены на фиг.2, 3 и 4. Фиг.2 соответствует реализации способа в режиме определения направления течения. Фиг.3 соответствует работе устройства при измерении положения перехода и величины локального поверхностного трения τ. В этом случае τ, как обычно, определяют по измеренным значениям Е с использованием тарировочной зависимости Е=F(τ) при α=90°.
∞
∞
На фиг.4 приведены фрагменты изменения выходного сигнала термоанемометра е по времени, е'=F(t), при некоторых значениях скорости внешнего потока U в случае расположения датчика в области ламинарно-турбулентного перехода пограничного слоя. Видно, что увеличение скорости U приводит к увеличению коэффициента перемежаемости от γ=0 (ламинарное течение) до γ=1 (полностью турбулентное течение). Принятые обозначения:
1 - ламинарный режим течения в пограничном слое, γ=0;
2 - область ламинарно-турбулентного перехода, 0<γ<1;
3 - турбулентный режим течения, γ=1.
Отличительными признаками предлагаемого устройства для измерения параметров течения в заданной точке обтекаемой поверхности исследуемого тела от указанных вышеизвестных, наиболее близких к нему, являются выполнение конструкции поверхностного датчика термоанемометра, например, в форме круга с нагревательным элементом в его центре и расположением термоиндикаторных элементов - регистраторов его теплового следа - на периферии круга, по его радиусам.
Благодаря наличию этих признаков при работе устройства в условиях, когда направление предельных линий тока (течения) относительно набегающего потока в заданной точке не известно (например, направление течения в непосредственной близости от обтекаемой поверхности может изменяться на ~180°), направление теплового следа нагревателя (течения) определяют по результатам измерения электрического сопротивления радиальных элементов датчика, ориентация которого относительно реперных точек тела определена при установке датчика.
Датчик может быть изготовлен, например, из тонкой полимерной пленки с платиновым, никелевым или алюминиевым покрытием и закреплен в заданном месте поверхности тела посредством клея. Измерение электрического сопротивления радиальных элементов датчика может быть осуществлено, например, с помощью мостика Уитстона или омметра, подсоединяемых к ним через переключатели. Нагрев центральной части датчика до заданной температуры может быть осуществлен, например, электрическим путем с помощью автономного блока или оптическим лучом.
Количество термоиндикаторных элементов зависит от требуемой точности определения направления течения. Измерение средних Е и пульсационных e' составляющих, определяющих характеристики потока в выбранной точке обтекаемой поверхности тела, проводят с помощью радиального термоиндикаторного элемента (одного из выбранных), нагреваемого в этом случае до заданной температуры,
,
w
w
e
где R - электрическое сопротивление выбранного радиального элемента при заданной температуре t, R - электрическое сопротивление выбранного радиального элемента при температуре холодного потока, β - температурный коэффициент его электрического сопротивления. В предлагаемом способе наибольшую чувствительность радиальный элемент кругового датчика будет иметь при его расположении перпендикулярно (α=90°) к направлению предельной линии тока (течения в непосредственной близости от или на обтекаемой поверхности тела в точке измерений).
w
w
w
При измерении, например, поверхностного трения τ знание угла α между рабочим элементом датчика и направлением течения необходимо для обеспечения не только наибольшей чувствительности, но и точности измерений, т.к. угол α сильно влияет на тарировочную зависимость Е=F(τ), которая практически всегда определяется для угла α=90°. Определение тарировочной зависимости Е=F(τ, α) не только увеличивает объем тарировок, но и значительно снижает точность способа; α - угол между чувствительным элементом датчика (в зоне его расположения) и направлением течения.
w
При реализации предлагаемого способа первоначально используются радиальные элементы датчика для определения направления течения. Наибольшая (максимальная) чувствительность и точность соответствия Е=F(τ) имеют место при перпендикулярном расположении радиальных элементов к направлению течения, т.е. при α=90° к направлению течения. Выбранный таким образом радиальный элемент кругового датчика подключается к электрическому блоку термоанемометра вместо омметра через соответствующие переключатели, при этом выходные сигналы электрического блока термоанемометра Е, e' измеряются и анализируются с помощью соответствующей аппаратуры, например вольтметра постоянного тока для измерения Е, вольтметра переменного тока для измерения среднеквадратичной величины e', анализатора спектра e' с достаточным временем усреднения (до 1 с и более), усилителя сигналов, шлейфового электронного осциллографа и т.д., что позволяет судить о качественных и количественных характеристиках потока в выбранной точке с наибольшей достоверностью.
Использование изобретения впервые позволяет определять направление течения трехмерного потока и его характеристики при помощи термоанемометра с поверхностным датчиком.