Установка для моделирования течения типа Куэтта и способ тарировки датчика термоанемометра в установке для моделирования течения Куэтта
INSTALLATION FOR CUETTE TYPE CURRENT MODELING AND THERMOANEMOMETER SENSOR CALIBRATION METHOD IN INSTALLATION FOR CUETTE CURRENT MODELING

Изобретение относится к экспериментальной технике в области механики жидкостей и газов и может быть использовано для изучения структуры течений типа Куэтта и для тарировки датчиков термоанемометра в структурах типа Куэтта.
Несмотря на простоту течения типа Куэтта, которое достаточно строго описано теоретически, в некоторых практических применениях имеется необходимость изучения данного явления в различных условиях. Использование течения типа Куэтта является единственным способом для тарировки датчика термоанемометра в различных газовых средах с широким диапазоном давлений и плотностей. Так же исследование подобных течений в условиях передачи тепла от стенок в поток, изменении геометрии стенок в малых масштабах и изменение проницаемости стенок - наличие в них каналов для вдува или выдува газа имеет большое прикладное значение.
Известно устройство, применяемое в экспериментах для исследования течения типа Куэтта (статья " Experimental evidence of streamwise vortices as finite amplitude solutions", PHYSICS OF FLUIDS, S. Bottin, O. Dauchot, and F. Daviaud, 1998). Лента-транспортер, имеющая замкнутую конфигурацию, натянута между двумя цилиндрами, которыми приводится в движение. Таким образом зазор, в котором реализуется течение Куэтта, расположен между двумя стенками, двигающимися в противоположных направлениях, роль которых исполняет лента-транспортер.
Следует отметить тот факт, что для обеспечения возможности проводить исследование потока в условиях разрежения установку необходимо поместить в дополнительную герметичную камеру, что приведет к значительному увеличению геометрических размеров, усложнению конструкции в целом и удорожании ее стоимости и эксплуатации. Существует проблема, связанная с тем, что ввиду конструктивных особенностей приведенной установки в плоскости, равноудаленной от движущихся стенок в области реализации течения Куэтта, скорость потока равна нулю.
Существует и широко применяется установка, позволяющая создавать и исследовать течение Куэтта в жидкости (работа "Drag measurements across patterned surfaces in a low Reynolds number flow facility", Tyler Jay Johnson, 2009). Данный аппарат представляет собой бак с рабочей жидкостью, роль которой исполняет масло, в которую погружена установка, состоящая из двух роликов, между которыми натянута лента-транспортир замкнутой конфигурации. Над лентой на небольшом расстоянии расположен экран, выполненный из твердого материала. Между неподвижным экраном и двигающейся под действием вращения роликов лентой предполагается реализация течения Куэтта.
Необходимо добавить, что согласно целям проводимых исследований, данная установка не предполагает возможности исследования течения газа в разреженном состоянии. По этой причине дополнительные системы герметизации существенным образом усложнят конструкцию, увеличат ее геометрические размеры.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является установка, используемая Международным Центром Аэрофизических Исследований для тарировки датчика термоанемометра (статья "Моделирование течения Куэтта в кольцевом канале в условиях разреженной среды", В.А. Лебига, В.Н. Зиновьев, А.Ю. Пак, Д.С.Миронов, 2005). Конструкция установки представляет собой внешний герметичный корпус овальной формы, в котором установлен вращающийся цилиндр, образующий со стенками корпуса замкнутый проточный канал, состоящий из полукольцевого зазора постоянной ширины, где реализуется течение типа Куэтта и большого объема в другой части корпуса, являющегося своего рода успокоительной камерой, подавляющей возмущения, возникающие в следе за датчиком, установленным в кольцевом зазоре, что важно для тарировки датчика термоанемометра.
Необходимо отметить тот факт, что в прототипе не предусмотрено изменение проницаемости стенок, возможность теплопередачи от стенок к потоку и изменение шероховатости стенок.
Задачей предлагаемого технического решения является расширение экспериментальных возможностей, а именно возможность моделирования и исследования структур типа Куэтта измерительными приборами, например термоанемометром в средах с широким диапазоном давлений и плотностей, в широком диапазоне рабочих газов, а также при различных значениях шероховатости стенок, теплопередачи от стенок в поток и различной степени проницаемости стенок (вдув и выдув газа).
Предусмотрена возможность изменения температуры стенок с целью появления теплопередачи в поток. Также необходимо добавить, что наличие герметизации корпуса камеры обуславливает возможность исследований в потоке различных газов и исследования течения газов в разреженном состоянии.
Положительный результат достигается тем, что установка для моделирования течения типа Куэтта, включает герметичный корпус и установленный в нем вращающийся цилиндр, образующий со стенками корпуса замкнутый проточный канал, при этом с одной диаметрально противоположной стороны цилиндра - канал имеет постоянное сечение, в котором размещен датчик термоанемометра, а с другой диаметрально противоположной стороны цилиндра канал имеет переменное сечение и образует камеру. Согласно изобретению стенка цилиндра и стенка корпуса в области канала постоянного сечения, выполнены с возможностью изменения степени шероховатости, проницаемости и изменения теплового режима путем изменения температуры стенок канала постоянного сечения.
Наиболее близким по технической сущности предлагаемому способу тарировки датчика, является способ, используемый для тарировки датчика термоанемометра, описанный в работе [3]. Суть способа заключается в использовании факта линейного распределения скоростей в течении Куэтта, которое реализуется между двумя поверхностями, имеющими определенную, отличную от нуля скорость параллельного относительного поступательного движения. Определив скорость вращения цилиндра, и задавшись граничными условиями (скорость газа на поверхности цилиндра равна нулю) можно определить скорость потока в любой точке по ширине и длине канала, что обуславливает возможность установки датчика в любую точку по ширине канала.
Необходимо отметить тот факт, что профиль распределения скоростей может отличаться от линейного вследствие усиливающегося влияния центробежных сил с увеличением относительной скорости перемещения пластин. Образующиеся в этом случае явления Тейлора-Гертлера нарушают линейность профиля, делая его S-образным.
Задачей предлагаемого способа тарировки датчика термоанемометра является возможность тарировки датчика термоанемометра с использованием течения типа Куэтта в условиях разреженной среды, при турбулентном режиме течения Куэтта, когда профиль распределения скоростей по ширине канала отличен от линейного.
В случае турбулентного потока профиль получается S-образным. С учетом этого факта возможно определить скорость в трех точках по ширине канала- на стенках скорость потока будет совпадать со скоростью самих стенок, и в точке посередине канала, где скорость равна половине окружной скорости цилиндра. Именно в этой точке и предлагается проводить тарировки термоанемометра и измерять параметры потока газа.
Способ тарировки датчика термоанемометра в предлагаемой установке для моделирования течения типа Куэтта рассматривается при турбулентном режиме течения Куэтта.
Способ включает размещение датчика термоанемометра в потоке газа в любой точке по длине канала постоянного сечения, регистрацию и обработку данных. Согласно изобретению при турбулентном режиме течения типа Куэтта, датчик термоанемометра устанавливают на расстоянии  ширины канала постоянного сечения, где скорость потока равна половине окружной скорости поверхности вращающегося цилиндра и рассчитывается по формуле: U=ωR/2, где U - скорость потока, ω - угловая скорость вращения цилиндра, R - радиус вращающегося цилиндра, далее регистрируют показания термоанемометра при неоднократном изменении скорости потока в канале и определяют зависимость изменения напряжения на чувствительном элементе датчика термоанемометра при изменении скорости потока.
Во многих практических приложениях имеется необходимость измерения скорости газовых потоков при низких давлениях и малых скоростях. Тарировка датчиков термоанемометра по скорости обычно выполняется в специальных тарировочных устройствах [3], в которых скорость потока измеряется и известна, и определяется зависимость выходного сигнала термоанемометра от скорости потока. Однако при малых значениях плотности газа (низких давлениях порядка 5-10 торр) возникает проблема измерения скорости, так как фактически отсутствуют надежные и точные методы измерения скорости: оптические методы непригодны из-за низкой плотности газа и, следовательно, слабого рассеивания света, а методы, основанные на электронном пучке, наоборот, непригодны из-за относительно высокой плотности газа и высокого уровня фонового шума сигнала. В основу предлагаемого способа тарировки датчика термоанемометра положен принцип течения Куэтта. Суть этого метода заключается в использовании известного физического закона о линейном изменении профиля скорости газа между двумя параллельными плоскостями, движущимися с разными скоростями. Однако зачастую скорость относительного движения пластин достаточно высока для появления эффектов наподобие вихрей Тейлора-Гертлера, при которых происходит отклонение картины течения от ламинарной модели, определяющаяся линейным характером распределения скоростей в зазоре между пластинами.
Необходимо отметить тот факт, что в подавляющем большинстве случаев профиль распределения скоростей отличен от линейного вследствие усиливающегося влияния центробежных сил с увеличением относительной скорости перемещения пластин. Образующиеся в этом случае явления Тейлора-Гертлера нарушают линейность профиля, делая его S-образным.
Технический результат достигается тем, что в способе тарировки датчика термоанемометра в течениях типа Куэтта с нелинейным профилем (турбулентным) распределения скоростей точка, где скорость потока равна половине скорости вращения цилиндра равноудалена от внутренних стенок канала установки, т.е. находится посередине канала, в котором реализуется течение Куэтта-Тейлора. Данный факт строго определяет точку, где необходимо расположить измерительный датчик термоанемометра для его корректной работы.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемой установки для моделирования (создания и изучения) течений типа Куэтта.
На фиг. 2 изображена иллюстрация плоского и турбулентного режимов течения Куэтта-Тейлора; на фиг. 2а) представлен линейный профиль, тарировка в котором была описана ранее см. [3]; на фиг. 2б) представлен турбулентный профиль, тарировка в котором отличается от тарировки в линейном профиле. В данном случае предлагается располагать датчик термоанемометра посередине ширины канала, так как в данной точке скорость потока будет вычисляться как половина окружной скорости цилиндра.
На фиг. 3 представлен турбулентный профиль скоростей, экспериментально полученный в предлагаемой установке с помощью датчика термоанемометра.
Согласно изобретению, устройство (фиг. 1) для моделирования течения типа Куэтта состоит из герметичного корпуса 1 и установленного в нем вращающегося цилиндра 2, образующего со стенками корпуса замкнутый проточный канал, при этом с одной диаметрально противоположной стороны цилиндра канал 3 имеет постоянное сечение, в котором размещен датчик термоанемометра 4, а с другой - диаметрально противоположной стороны цилиндра - канал 5 имеет переменное сечение и образует «расширительную» камеру. Стенка цилиндра 2 и стенка корпуса 1 в области канала постоянного сечения 3 выполнены с возможностью изменения степени шероховатости, проницаемости и изменения теплового режима путем изменения температуры стенок канала постоянного сечения.
Устройство работает следующим образом.
Внутренний цилиндр 2 начинает вращение. В герметичном канале 3 образуется течение газа, типа Куэтта. Предварительно помещенный в устройство измерительный датчик термоанемометра 4 обдувается потоком газа, при этом сам датчик создает турбулентный след в потоке газа, который ниже по течению попадает в канал переменного сечения 5 в расширительную камеру (типа форкамеры), где постепенно сглаживается и поступает на вход канала 3 ламинарным.
Использование заявляемого изобретения позволяет расширить область исследования, проводить исследования течений типа Куэтта в среде, давление которой может быть как атмосферным, так и отличаться от него в пределах, обусловленных возможностью герметизации установки. Более того, устройство позволяет проводить эксперименты с рабочим газом, отличным от воздуха, изменять степень проницаемости и шероховатости стенок цилиндра 2 и стенок корпуса 1 в области канала постоянного сечения 3, изменять значения теплового потока от стенок в поток, который в общем случае равен нулю.
Способ тарировки датчика термоанемометра в предложенной установке для моделирования течения Куэтта осуществляется следующим образом.
Датчик термоанемометра 4 согласно изобретению размещают в потоке газа в установке для моделирования течения Куэтта, в любой точке по длине канала постоянного сечения 3 и на расстоянии  ширины канала постоянного сечения. В данной точке скорость потока равна половине окружной скорости поверхности вращающегося цилиндра и рассчитывается по формуле: U=ωR/2, где U - скорость потока, ω - угловая скорость вращения цилиндра, R - радиус вращающегося цилиндра. Проводят замеры, регистрацию и обработку данных в заданном турбулентном режиме течения Куэтта. Далее регистрируют показания термоанемометра при неоднократном изменении скорости потока в канале и определяют зависимость изменения напряжения на чувствительном элементе датчика термоанемометра при изменении скорости потока.
На фиг. 2 представлены возможные теоретические профили скоростей, которые возможны между параллельно движущимися стенками в кольцевом зазоре. Буквой «а» на фиг. 2 представлен линейный профиль, тарировка в котором была описана ранее см. [3]. Буквой «б» на фиг. 2 представлен турбулентный профиль, тарировка в котором отличается от тарировки в линейном профиле. В данном случае предлагается располагать датчик термоанемометра посередине ширины канала, так как в данной точке скорость потока будет вычисляться как половина окружной скорости цилиндра. На фиг. 3 представлен экспериментально полученный профиль распределения скоростей при турбулентном течении газа в канале.
Технический результат предлагаемого изобретения является расширение экспериментальных возможностей при исследовании течений в области механики жидкостей и газов.
Источники информации
1. Статья "Experimental evidence of streamwise vortices as finite amplitude solutions", PHYSICS OF FLUIDS, S. Bottin, O. Dauchot, and F. Daviaud, 1998.
2. Статья "Drag measurements across patterned surfaces in a low Reynolds number flow facility", Tyler Jay Johnson, 2009.
3. Статья " Моделирование течения Куэтта в кольцевом канале в условиях разреженной среды", В.А. Лебига, В.Н. Зиновьев, А.Ю. Пак, Д.С. Миронов, 2005 - прототип.