ПРИЕМНИК ДАВЛЕНИЙ Российский патент 1999 года по МПК G01L19/00 G01P5/14 G01P5/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М < 0,6 [1] . Приемник имеет форму тела вращения, на поверхности которого в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между приемными отверстиями.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.

Причина, препятствующая получению в известном и техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой тело вращения, выполненное в виде цилиндрической трубки с головной частью полусферической формы [2] - прототип. На поверхности приемника расположены приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении углов атаки, скольжения, величины скорости и статического давления в потоке.

Недостатком приемника, как и всех известных приемников давлений пространственного потока, является его низкая чувствительность к углам атаки, скольжения и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха М < 0,3), увеличением погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях. Недостатком приемника является и ограниченный рабочий угловой диапазон (менее 30^o) измерения углов атаки, скольжения, величины скорости и статического давления, а также методические погрешности измерения полного и статического давлений, связанные с тем, что приемник имеет форму (полусферическая носовая часть и цилиндрическая часть), обеспечивающую отсутствие методических погрешностей только при нулевых значениях углов атаки и скольжения. Для измерения полного и статического давлений используются фиксированные приемные отверстия - центральное, расположенное на головной части, и приемные отверстия статического давления, расположенные на цилиндрической части, которые также обеспечивают отсутствие методических погрешностей только в случае продольного обтекания приемника. С увеличением угла атаки или скольжения величины погрешностей измерения параметров потока возрастают.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключаются в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать требуемые метрологические характеристики приемников за счет обеспечения заданной чувствительности, а также в отсутствии математических моделей приемников давлений, позволяющих адекватно описывать распределение скоростей и давлений жидкости или газа по поверхности приемников, без введения ограничений, накладываемых на их форму, и допустимые значения углов атаки и скольжения.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости, а также на увеличение рабочего углового диапазона измерения углов атаки, скольжения, величины скорости и статического давления в потоке.

Технический результат заключается в расширении рабочего углового диапазона измерения углов атаки, скольжения, величины скорости и статического давления в потоке жидкости или газа, а также в повышении чувствительности приемника к измеряемым параметрам и в повышении точности измерения давлений за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.

Технический результат достигается тем, что известный приемник давлений, представляющий собой тело вращения, с расположенными на его поверхности приемными отверстиями, предназначенными для измерения давлений, используемых при определении величины и направления скорости потока жидкости или газа и статического давления, имеет форму тора.

На фиг. 1 изображен общий вид приемника давлений.

На фиг. 2 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей V_τ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей =R/L (L -длина приемника давлений). График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности приемника к углу атаки α в зависимости от значения безразмерной продольной координаты = X/L. График 4 показывает распределение коэффициента давления C_p по поверхности приемника.

На фиг. 3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости v_τ жидкости или газа по дуге окружности, с помощью которой образована проточная часть приемника давлений (внутренний контур), имеющего форму тора, при его продольном обтекании. График 2 соответствует распределению коэффициента давления C_p, а график 3 - распределению коэффициента угловой чувствительности S по внутреннему контуру в зависимости от координаты = X/L расчетной точки, где L в данном случае - длина тора, измеряемая в направлении продольной оси симметрии тора. График 4 соответствует распределению безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ жидкости или газа по внешнему контуру приемника, имеющего форму тора, при его продольном обтекании. График 5 соответствует распределению коэффициента давления C_p, а график 6 - распределению коэффициента угловой чувствительности S по внешнему контуру в зависимости от координаты расчетной точки.

На фиг. 4 для числа Маха М= 0,2 приведены угловые характеристики шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг. 1, график 1. Здесь для заявляемого приемника P_i, P_j - давления в приемных отверстиях, расположенных а поверхности приемника в плоскости поперечного сечения (например, P₅, P₇ или P₁₂, P₁₄); скоростной напор в невозмущенном потоке; ν_∞ - скорость невозмущенного потока.

Графики на фиг. 2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [3,4]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М=0,3, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.

На фиг. 1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, имеющее форму тора - 1 и крепящееся с помощью кронштейнов 2 к державке 3, с расположенными на поверхности приемными отверстиями 4 - 19, предназначенными для измерения давлений, используемых при определении углов атаки, скольжения, величины скорости и статического давления в потоке жидкости или газа.

Приемник давлений работает следующим образом. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1] с. 123), носящую название скоростной характеристики:

где индексы у давлений P соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг. 1). Здесь вместо отверстия 6 могут быть использованы отверстия 9, 13,17, которые в случае продольного обтекания являются центральными, а вместо отверстия 5 могут быть использованы любые другие приемные отверстия.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и приемник давлений, имеющий форму тора. Тогда, как это следует из фиг. 3, при обтекании тора потоком жидкости или газа происходит дополнительный, по сравнению с прототипом (см. график 1 на фиг. 2), разгон потока, что иллюстрируется графиками 1 и 4 на фиг. 3 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости V_τ. Увеличение скорости V_τ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в соответствующих расчетных точках (см. графики 2 и 5 на фиг. 3 и график 4 на фиг. 2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений между центральным приемным отверстием и периферийными. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности заявляемого приемника к величине скоростного напора. Нетрудно видеть, что при постоянстве скоростного напора q_∞ и увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.

Факту дополнительного разгона потока жидкости или газа на поверхности тела вращения, имеющего форму тора, по сравнению с любым другим телом вращения, образующая которого может быть представлена плавными кривыми, можно дать простое физическое истолкование. Нетрудно заметить, что тело вращения, имеющее форму тора, может быть получено с помощью деформации (изгиба) цилиндрического тела с постоянным значением радиуса окружности поперечного сечения. При этом может быть получено тело, форма которого будет удовлетворять определению тора [5]. Как известно (см.[1]), поперечное обтекание цилиндрического приемника характеризуется максимальным, по сравнению с известными приемниками давлений, значением тангенциальной скорости V_τ. К тому же тело вращения, имеющее форму тора, является телом с протоком, что по аналогии с трубкой Вентури приводит к дополнительному, уже по сравнению с цилиндром, увеличению тангенциальной составляющей скорости V_τ в проточной части приемника - область расположения приемных отверстий 7, 8, 12, 16 (см. графики 1 и 4 для V_τ на фиг. 3).

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения где P^* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P^*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P^* = P₆ - P₅ для него больше, чем для прототипа.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде а выражение для коэффициента угловой чувствительности
На фиг. 4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М=0,2. При этом предполагалось, что заявляемый приемник давлений имеет форму тора, с наружным диаметром D_т= 3L, где L - длина тора. Для построения угловой характеристики определялась разность давлений в двух соседних периферийных приемных отверстиях 5 и 6, расположенных друг относительно друга на угловом расстоянии 45^o. Представленная конструкция приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности по сравнению с прототипом в 2 раза.

При одном и том же значении угла атаки или скольжения у заявляемого устройства величина разности давлений P_i - P_j больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой угловой чувствительности приемника (см. фиг. 4, чувствительность к углам атаки или скольжения - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и вследствие этого к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.

Возможность увеличения рабочего углового диапазона у заявляемого приемника по сравнению с прототипом связана с тем, что сама форма приемника (тора) не содержит специально выполненных участков, образующая которых должна быть определенным образом ориентирована относительно вектора скорости набегающего потока жидкости или газа (у прототипа - цилиндрическая часть приемника). Наличие у прототипа цилиндрической части является необходимым условием измерения статического давления и приводит вследствие этого к методическим погрешностям измерения параметров потока при изменении ориентации приемника в пространстве (изменение углов атаки и скольжения). Увеличение углового диапазона происходит также вследствие того, что на поверхности заявляемого приемника отсутствуют приемные отверстия, предназначенные отдельно для измерения полного давления, статического давления или углов атаки и скольжения, наличие которых у прототипа также требует определенной ориентации приемника в пространстве для минимизации погрешностей измерений.

Определение величины и направления скорости потока жидкости или газа и статического давления с помощью заявляемого приемника может быть осуществлено с помощью измерения давлений в произвольных приемных отверстий, расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях (например, 4 - 7 и 12 - 15 или 8 - 11 и 16 - 19), из решения системы уравнений относительно неизвестных параметров. Система уравнений может быть построена на основании математической модели приемников давлений, имеющих форму тел вращения, которая обычно строится эмпирически - по результатам продувок приемников в аэродинамической трубе или теоретически (см.[6]) с последующей корректировкой коэффициентов модели. В последнем случае выражение для величины давления P жидкости или газа на поверхности произвольного тела вращения согласно [6] имеет вид P = P_o-ρ_oν2θэ

(α,β,ν_∞)/2, где P₀ -полное давление в критической точке, включающее статическое давление ν_θэ(α,β,ν_∞) - эквивалентное значение скорости газа на поверхности тела вращения, являющееся функцией углов атаки α , скольжения β , величины скорости невозмущенного потока; ρ_o - плотность газа в критической точке.

У заявляемого приемника величина углового диапазона определяется лишь количеством приемных отверстий, расположенных по окружности поперечного сечения, являющейся образующей тора, и не определяется формой приемника, как у прототипа. Для приемника давлений, представленного на фиг. 1, рабочий диапазон углов атаки составляет - 90^o ≤ α ≥ 90^o, углов скольжения - 90^o ≥ β ≥90^o, тогда как для прототипа он составляет - 30^o ≥ α ≥ 30^o для угла атаки и - 30^o ≥ β ≥ 30^o для угла скольжения.

В рабочем угловом диапазоне для заявляемого приемника сохраняется неизменной высокая чувствительность к измеряемым параметрам потока вследствие того, что образующей тора является окружность, что по аналогии с цилиндром позволяет обеспечить максимально возможное значение тангенциальной составляющей скорости жидкости или газа вне зависимости от углов атаки и скольжения, обеспечив тем самым высокую точность измерений, уже не в двухмерном, а в пространственном потоке. Для прототипа с увеличением углов атаки и скольжения чувствительность измерений некоторых параметров пространственного потока падает вследствие того, что его форма определяется двумя фигурами: полусферой и цилиндром. При увеличении, например, угла атаки критическая точка приближается к цилиндрической части приемника, вследствие чего режим обтекания приближается к двухмерному, что приводит к появлению недостатков, свойственных аналогу.

Источники информации
1. Петунин А. Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора). М.: Машиностроение, 1972, с. 88.

2. Бедржицкий Е. Л., Егоршев А.В. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М.: Машиностроение, 1992, с. 159 (прототип).

3. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ N 9270, 1976.

4. Маслов Л.А. Программа расчета осесимметричного потенциального обтекания кольцевого крыла с центральным телом /Описание применения/. Отчет ЦАГИ N 10966, 1976.

5. Воднев В.Т., Наумович А.Ф. и др. Математический словарь высшей школы. Под ред. Ю.С.Богданова, М.: МПИ, 1988, с. 444.

6. Ледяев В. В. Учет сжимаемости в задаче обтекания тел газом. Вестник ПГТУ. Аэрокосмическая техника. Пермь, 1997, N 2, с. 98-102.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов относительно текучих сред. Сущность изобретения заключается в том, что приемник давления, представляющий собой тело вращения, имеет форму тора. Такое выполнение позволяет увеличить диапазон измерения углов атаки и скольжения, увеличить чувствительность и повысить точность измерения давления в потоке. 4 ил.

Приемник давлений, представляющий собой тело вращения с расположенными на его поверхности приемными отверстиями, предназначенными для измерений давлений, используемых при определении величины и направления скорости потока жидкости или газа и статического давления, отличающийся тем, что он имеет форму тора.