Автоматизированный измерительный комплекс для определения гидрогазодинамических характеристик закрученных потоков в аппаратах с узкими кольцевыми каналами переменного сечения
AUTOMATED MEASURING COMPLEX FOR DETERMINING THE HYDROGASDYNAMIC CHARACTERISTICS OF SWIRLING FLOWS IN DEVICES WITH NARROW ANNULAR CHANNELS OF VARIABLE CROSS-SECTION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для исследования гидрогазодинамических характеристик закрученных потоков и преобразования полученных параметров в расчетные значения полей скоростей, полей давлений, полей температур в аппаратах с узкими кольцевыми каналами переменного сечения.
Известен способ измерения скорости и угла скоса потока жидкости и комбинированный приемник скорости и угла скоса (патент РФ 2197740, G01P 5/16 опубл. 27.01.2003 г.). Изобретение относится к экспериментальной аэрогидромеханике, в частности к способам экспериментального исследования параметров потока жидкостей, и может быть использовано для измерения скорости движения судов, летательных и подводных аппаратов. Для измерений используется трубка Пито-Прандтля, корпус которой снабжен проницаемым мембранным кожухом со связующим, заполняющим поры мембраны по всей поверхности, за исключением зон, противолежащих приемным отверстиям, при этом толщина кожуха выбирается пропорциональной амплитуде и обратно пропорциональной частоте прогнозируемых пульсаций скорости потока жидкости. Техническим результатом является повышение точности измерений.
К недостаткам способа относится низкий уровень автоматизации процесса управления и сбора информации, как следствие повышенная погрешность измерения, низкая оперативность и существенная трудоемкость работ, связанные с человеческим фактором при проведении многочисленных измерений, что неизбежно приводит к повышенным материальным затратам на проведение исследований, также задачей измерения не является поиск направления течения.
Известен аппарат для измерения распределения расходов текучей среды (патент США 6687626B2, G01P 5/08, опубл. 03.02.2004 г.). Устройство измерения распределения потока измеряет распределение расходов текучей среды. Измерительное устройство включает в себя тонкий металлический провод для сканирования текучей среды и подводящие провода, подключенные к тонкому металлическому проводу, при этом обнаруживается разность напряжений между соседними подводящими проводами, в то время как измерительное устройство сканирует текучую среду в направлении, перпендикулярном к пути потока текучей среды. Разница в напряжении возникает из-за изменений температуры в тонкой металлической проволоке при сканировании текучей среды, имеющей разные скорости потока. Измерительное устройство визуализирует распределение расходов текучей среды с помощью компьютера, который принимает и обрабатывает обнаруженные разности напряжений.
Указанный аппарат не позволяет получить количественные значения координатных компонентов скорости (тангенциальной, радиальной и осевой), давления и температуры. Также на точность измерения скорости потока существенно влияет теплопроводность, теплоёмкость, температура и другие характеристики среды, которые могут меняться, что затрудняет его использование в нестационарных по составу и температуре потоках (на газовых промыслах, в дымовых потоках и т.п.).
Известен термоанемометрический способ определения пространственного распределения скорости потока жидкости или газа (его варианты) (патент РФ 2018850, G01P 5/12, опубл. 30.08.1994 г.). Способ основан на нагреве резистивного термочувствительного элемента постоянным электрическим током и измерении частотной характеристики входной проводимости резистивного термочувствительного элемента в полосе частот, где термочувствительным элементом должна быть распределительная резистивно-емкостная линия. Распределение произведения удельной электрической ёмкости и удельного электрического сопротивления термочувствительных элементов, подлежащих нагреву, определяют по измеренной частотной характеристике входной проводимости термочувствительного элемента. Пространственное распределение потока жидкости или газа рассчитывается вдоль термочувствительного элемента из заданной зависимости произведения удельной электрической проводимости и электрической удельной емкости от температуры или скорости потока. В этом случае задача определения пространственного распределения скорости потока может быть решена одним протяженным термочувствительным элементом с помощью электрических измерений, когда эти измерения проводятся на одном его конце. Технический результат заключается в повышении точности измерений.
Устройство достаточно габаритно и предназначено для исследования крупных потоков, поэтому исследование структуры закрученных потоков в узких кольцевых каналах переменного сечения с его помощью проблематично, пока не будет решен вопрос о его миниатюризации. Термоанемометр также имеет ограничения по приведенным скоростям потока (λ=0,4…0,5) в связи с увеличением влияния сжимаемости на точность измерения.
Известно устройство для определения пространственного распределения скорости потока газа (патент РФ 2673990, G01P 5/16, опубл. 03.12.2018 г), выбранный в качестве прототипа. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для определения пространственного распределения скорости потока газа дополнительно содержит электронно-вычислительную машину, включающую в себя последовательно соединенные блок определения модуля первой производной средней скорости потока |(dV/dT)|, блок сравнения модуля первой производной средней скорости потока с его заранее установленным предельным значением (dV/dT)уст, блок генерирования файлов координат датчика скорости с уменьшенной величиной шага перемещения ΔS' (ΔS'<ΔS) в случае, если модуль первой производной средней скорости потока |dV/dT| превысит (dV/dT)уст. Технический результат – повышение точности, надежности, автоматизации и информативности измерения скорости потока газа.
В прототипе перемещение датчика скорости производится по трём осям X-Y-Z, но направление измерения датчика остаётся всегда только по направлению оси X. Усреднение этой одноосно измеренной скорости, а также определение первой производной такой скорости потока по времени dV/dT не позволяют регистрировать направление линий тока, вектор пульсаций скорости потока, исследовать самовоспроизводящиеся циркуляционные и вихревые структуры в потоке.
Для регистрации разности давлений в линиях трубки Пито-Прандтля в прототипе используется дифференциальный манометр, который не позволяет регистрировать зоны с пониженным давлением по отношению к окружающему атмосферному давлению. Информация о наличии таких зон важна для некоторых направлений гидродинамических исследований, в частности, в области пылегазоочистки, где возможность подсоса из окружающего воздуха в вакуумированную зону может резко снизить эффективность процесса очистки.
Отсутствие фиксации температуры в прототипе не позволяет экспериментально исследовать тепловые и термодинамические эффекты в потоках со сложной гидродинамической структурой: адиабатное охлаждение при разрежении, нагрев при уплотнении потока, изменение фазового состояния компонентов потока (конденсация капель, образование аэрозольных частиц тумана, испарение), теплоконвекционный и термодиффузионный перенос и т.п.
Задачей настоящего изобретения является создание автоматизированного измерительного комплекса с целью более полного и точного пространственного измерения в автоматизированном режиме абсолютного статического давления, координатных компонентов и вектора полной скорости, а также температуры закрученного потока газа в узких кольцевых каналах переменного сечения.
Поставленная задача решается тем, что автоматизированный измерительный комплекс для определения гидрогазодинамических характеристик закрученных потоков в аппаратах с узкими кольцевыми каналами переменного сечения, содержит электронно-вычислительную машину, модуль ввода данных в электронно-вычислительную машину, блок управления, координатный механизм и датчик измерения скорости потока газа. В качестве датчика измерения скорости потока газа используют трубку Пито-Прандтля, напорные линии которой соединены с двумя датчиками абсолютного давления, а в качестве координатного механизма используется устройство, состоящее из линейного привода с шаговым двигателем и поворотной платформы с сервоприводом, обеспечивающих пошаговое линейное перемещение в поперечном направлении канала и пошаговое вращение вокруг оси  линейного перемещения датчика скорости в канале исследуемого аппарата, и управляемых блоком управления для определения векторов скорости потока в зоне навигации датчика скорости путём поиска направления максимального скоростного напора в каждой точке линейного перемещения посредством сканирования динамического давления во входном отверстии во всём диапазоне углов поворота колена трубки Пито-Прандтля, а также датчик измерения температуры потока, расположенный на конце трубки Пито-Прандтля, и датчик атмосферного давления для дополнительного контроля и сравнения статического давления внутри исследуемого аппарата с атмосферным с целью выявления зон разрежения и избыточного давления.
На фиг. 1 представлена схема заявляемого автоматизированного измерительного комплекса.
1 - Сечение узкого кольцевого канала переменного сечения, в котором проходящему потоку придаётся вращательное движение
2 - Модуль ввода данных в электронно-вычислительную машину
3 - Электронно-вычислительная машина
4 - Блок управления координатным механизмом
5 - Координатный механизм
6 - Датчик измерения скорости потока газа
7 - Трубка Пито-Прандтля
8 - Датчик измерения динамического давления
9 - Датчик измерения статического давления
10 - Датчик измерения температуры потока
11 - Датчик измерения атмосферного давления.
Пример осуществления изобретения приведен ниже.
Устройство работает следующим образом. На начальном этапе формируется закрученный поток газа в узком кольцевом канале переменного сечения 1, а датчик измерения скорости потока газа 6 располагается в начальной точке с координатами Х0, Y0, Z0 так, чтобы приемные отверстия трубки Пито-Прандтля 7, с помощью которой фиксируется скорость потока газа, были расположены максимально близко к обечайке исследуемого канала. Напорные линии трубки Пито-Прандтля 7 соединены с датчиком измерения динамического давления 8 и датчиком измерения статического давления 9. На конце трубки Пито-Прандтля 7 расположен датчик 10, позволяющий измерять температуру потока. А для дополнительного контроля и сравнения статического давления внутри исследуемого аппарата с атмосферным с целью выявления зон разрежения и избыточного давления, снаружи смонтирован датчик измерения атмосферного давления 11. Сигналы с датчиков 8, 9, 10, 11 поступают в модуль ввода данных в электронно-вычислительную машину 2, и далее в электронно-вычислительную машину 3. По программе, инсталлированной в электронно-вычислительную машину 3, происходит формирование сигнала в блок управления координатным механизмом 4, который в свою очередь обрабатывает этот сигнал и формирует управляющее воздействие на координатный механизм 5. Данный механизм, состоящий из линейного привода с шаговым двигателем и поворотной платформы с сервоприводом, обеспечивает линейное перемещение с шагом перемещения ΔS и вращение с шагом поворота Δα датчика измерения скорости потока газа 6 в полости узкого канала переменного сечения 1. Суть программы заключается в поиске максимального скоростного напора в каждой точке линейного перемещения посредством сканирования динамического давления во всем диапазоне углов поворотом колена с приёмным отверстием трубки Пито-Прандтля 7. Таким образом в результате измерений определяется пространственное распределение векторов полей скоростей, полей температур и полей давлений закрученного потока газа в узких кольцевых каналах переменного сечения. Примеры распределения полей скоростей и полей давлений, полученных при исследовании закрученного газодинамического потока в прямоточном циклоне с промежуточным отбором пыли (ПЦПО), представлены на фиг. 2 и фиг. 3.
Фиг. 2 Распределение полной скорости (а) и давления (б) по высоте ПЦПО.
Фиг. 3 Графики распределения полей полных скоростей (а) и давлений (б) по радиусу кольцевой камеры переменного сечения ПЦПО.