ПРИЕМНИК ВОЗДУШНЫХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК G01L19/00 G01P5/16 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров плоского течения газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости плоских (двухмерных) газовых потоков, а также числа Маха (см., например, Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. - 1996. - С.166.). Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения направления и величины скорости газового потока. Приемник обладает наибольшей чувствительностью к углу скоса потока (измерение направления скорости).

Недостатком приемника является то, что в случае использования его для измерения статического давления, оно измеряется со значительными погрешностями, что связано с большой угловой чувствительностью приемника и, как следствие этого, со смещением точки на поверхности приемника, в которой давление равно статическому, при изменении направления скорости набегающего потока или при изменении углового положения самого приемника. К недостаткам приемника можно отнести и погрешности измерения числа Маха и величины скорости потока газа на больших дозвуковых и на сверхзвуковых скоростях, что связано с явлением стабилизации местных чисел Маха. При числах Маха М>0,75 потеря чувствительности приемника к величине скорости и числу Маха не восстанавливается.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что на поверхности цилиндрического приемника происходит сильный разгон потока газа, что приводит к появлению на нем уже при числах Маха М≈0,75 местных сверхзвуковых зон, что, в свою очередь, вызывает значительную потерю чувствительности приемника и уменьшение точности измерений величины скорости потока газа и числа Маха, а высокая чувствительность приемника к углу скоса делает его непригодным для измерения статического давления за счет смещения точки, где давление равно статическому, при изменении углового положения приемника относительно потока газа.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушного давления, представляющий собой тело цилиндрической формы (см. патент России №1723879, G 01 L 19/00 от 02.01.90 - прототип). Приемник предназначен для измерения величины и направления скорости плоских потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части цилиндрической поверхности приемника, являющейся частью боковой поверхности круглого цилиндра, расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, служащие для определения направления и величины скорости потока газа. На грани цилиндрической поверхности, находящейся при измерениях с подветренной стороны, расположено приемное отверстие (донное), предназначенное для измерения числа Маха и статического давления.

Недостатком приемника является то, что донное приемное отверстие находится в зоне срыва потока - зоне интенсивного перемешивания газа, образования возвратно-циркуляционного течения и пульсаций давлений, носящих случайный характер, что приводит к повышенным погрешностям измерения статического давления и числа Маха. Недостатком приемника является и то, что он создает значительные возмущения в потоке газа, т.к. имеет плохообтекаемую форму - верхнее плоское основание, обращенное к потоку, пересекает цилиндрическую поверхность с образованием острой кромки, что является одним из условий функционирования прототипа, тогда как хорошо обтекаемые тела (тела аэродинамической формы) - мало возмущающие поток, должны иметь плавные обводы (см., например, чертежи аналога - Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. Машиностроение. 1996. С.167).

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что соотношения, с помощью которых находятся градуировочные зависимости приемника, предназначенные для получения взаимосвязи давлений, воспринимаемых приемными отверстиями, с параметрами воздушного потока, содержат давления, воспринимаемые донным приемным отверстием, которое находится в зоне срыва потока, характеризующейся случайными пульсациями давлений, вследствие чего при осреднении давлений на разных временных интервалах вид градуировочных зависимостей будет зависеть от периода осреднения пульсаций. Нестабильность градуировочных зависимостей связана и с сильными возмущениями потока, носящими случайный характер, создаваемыми верхним основанием прототипа, обращенным к потоку. Наличие верхнего плоского основания приводит к образованию дополнительных пространственных вихревых структур, которые разрушают устойчивые (неслучайные) двухмерные структуры. Перечисленные выше причины и приводят в конечном итоге к повышенным погрешностям измерения статического давления и числа Маха.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа, а также на снижение возмущений, создаваемых приемником давлений в газовом потоке.

Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа, а также в снижении возмущений, создаваемых приемником, за счет придания ему аэродинамической - хорошо обтекаемой формы.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике воздушных давлений, представляющем собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью параллельной оси поверхности вращения, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части поверхности тела оживальной формы.

Описание тела, имеющего форму оживала, можно найти, например, в книге: Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М:. - Машиностроение. - 1996. - С.151.

На фиг.1 изображен общий вид приемника воздушных давлений.

На фиг.2 приведено поле плотности для воздушного потока, обтекающего заявляемый приемник давлений. Сечение приемника в плоскости расположения приемных отверстий представлено позицией 1. Позицией 2 обозначены вихри, образующиеся за донной поверхностью приемника, входящие в дорожку Кармана.

На фиг.3 приведено поле плотности (изолинии плотности) для потока воздуха, обтекающего прототип, сечение которого в вертикальной плоскости симметрии цилиндра, представлено позицией 1. Позицией 2 обозначен центр пространственной вихревой структуры, образующейся на уровне верхнего основания цилиндра.

Заявляемый приемник воздушных давлений (см. фиг.1) представляет собой тело, ограниченное частью поверхности тела оживальной формы 1, на которой расположено центральное 2 и периферийные 3 и 4 приемные отверстия, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа, а также плоскостью 6, на которой расположено приемное отверстие 5 (донное), предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, приемник имеет основание 7, которым он крепится к державке или к объекту, а с целью уменьшения возмущений, вносимых в воздушный поток, вершина приемника 8 может выполняться округлой формы.

Приемник давлений работает следующим образом.

Сначала для заявляемого устройства с целью установления взаимосвязи давлений, воспринимаемых приемными отверстиями, с параметрами плоского воздушного (или газового) потока: углами скоса, числом Маха, статическим давлением проводят продувки приемника в аэродинамической трубе, по результатам которых находят градуировочные зависимости. В общем случае для заявляемого приемника воздушных давлений и прототипа градуировочные зависимости могут определяться на основании одних и тех же формул. Так, например, для искомых параметров потока могут устанавливаться следующие зависимости:

для угла скоса

для числа Маха

для статического давления

где P_i - давление; i - номер приемного отверстия (см. фиг.1); ε - угол скоса; М - число Маха; Р_cm - статическое давление.

Затем, при определении параметров воздушного потока или при определении параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды, используя найденные по приведенным выше (или по каким-либо другим) формулам градуировочные зависимости, решают обратную задачу - по измеренным давлениям находят углы скоса, число Маха, статическое давление, а уже по найденным значениям числа Маха и статического давления - скорость потока.

Рассмотрим особенности обтекания прототипа и заявляемого приемника воздушных давлений и покажем, почему именно выполнение приемника согласно фиг.1 позволяет обеспечить достижение заявляемого технического результата. Рассмотрим случай, когда приемник давлений крепится не к державке, а к плоскому основанию, например к лопатке турбины или к фюзеляжу летательного аппарата.

Как следует из приведенных выше формул, общих для прототипа и заявляемого приемника, все они содержат давление Р₅, воспринимаемое донным приемным отверстием, в связи с чем точность измерений параметров воздушного потока приемниками, содержащими приемное отверстие в зоне срыва потока, в значительной степени определяется точностью измерения давления Р₅.

Только стабильность и неслучайность получаемых градуировочных зависимостей позволяет обеспечить высокую точность определения параметров воздушного (газового) потока при измерении давлений в донной области - зоне срыва потока. Для прототипа - укороченного цилиндрического тела не удается получить в донной области течение со стабильными - не изменяющимися случайным образом во времени параметрами (скоростью, плотностью, давлением). Течение с параметрами, изменяющимися неслучайным образом, может быть получено для цилиндрического тела большого удлинения со значением отношения высоты приемника к диаметру, например, более 10. При таком отношении высоты к диаметру возможно получение в донной области течения, близкого к плоскому (двухмерному), имеющему вид неслучайной вихревой структуры - дорожки Кармана. Но подобное выполнение приемников давлений для плоских потоков недопустимо, т.к. большая высота приемников будет приводить к загромождению потока, вследствие чего сам приемник будет вносить значительные возмущения в поток, обладая большим аэродинамическим сопротивлением. Одно из основных требований, предъявляемых к приемникам воздушных давлений, - минимальные поперечные (относительно потока) размеры и минимальное аэродинамическое сопротивление, поэтому при таком выполнении (при небольшом значении отношения высоты к диаметру) структура течения газа в донной области прототипа будет совершенно иной - пространственной. Связано это с тем, что при относительно небольшой высоте прототипа на характер течения в донной области оказывает существенное (определяющее) влияние верхнее, обращенное к потоку, основание приемника, наличие которого в этом случае приводит к формированию дополнительных вихревых жгутов.

Таким образом, за счет верхнего плоского основания осуществляется переход от двухмерного течения к трехмерному (пространственному), т.к. устойчивые двухмерные структуры в этом случае разрушаются из-за коротковолновой неустойчивости (см. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред. - М.: Наука. - 1984. - С.93). На фиг.3 показано поле плотности (изолинии плотности) для воздушного потока, обтекающего прототип. Прототип установлен на плоское основание-пластину, поток набегает слева, число Маха М=0,9. Сечение прототипа в вертикальной плоскости симметрии представлено позицией 1. Как следует из фиг.3, за приемником, имеющим отношение высоты к диаметру, равное трем, отсутствует дорожка Кармана, а на высоте примерно верхней плоской грани образуется вихревая структура, центр которой обозначен позицией 2. Ниже располагается зона возвратно-циркуляционного течения. При построении градуировочных зависимостей при такой структуре течения их вид будет зависеть от начальной турбулентности потока (степени турбулентности, масштаба турбулентности), от времени формирования вихревой структуры и турбулентного течения за самим приемником. Аэродинамические трубы имеют различную степень турбулентности, которая, в свою очередь, на порядок выше, чем в свободной атмосфере при нормальных условиях. В связи с чем градуировочные зависимости, построенные по формулам, включающим давление, измеренное в донной области, будут нестабильны и будут отличаться для разных аэродинамических труб и свободной атмосферы. Отличие в измеренных давлениях в донной области из-за пульсаций давлений будет обеспечиваться еще и периодом (интервалом времени) Т, в течение которого измеряется давление, т.е. временем t₂-t₁, в течение которого определяется среднее пульсационное значение давления в области турбулентного течения:

Для прототипа характер сформировавшегося турбулентного течения (а значит и период осреднения давлений) зависит от начальной турбулентности потока и не может быть установлен однозначно при градуировках.

Прототип своим основанием, обращенным к потоку, создает сильные возмущения в потоке воздуха (газа) по высоте, в том числе, и за счет формирования дополнительной вихревой структуры, центр которой расположен на уровне основания. Представленные на фиг.3 изолинии плотности воздуха показывают, что возмущения, создаваемые прототипом, уходят круто вверх.

В случае же выполнения заявляемого приемника давлений в виде части тела оживальной формы (фиг.1), у которого отсутствует верхнее плоское основание (как у цилиндра), обращенное к потоку, но за счет кривизны образующей оживала боковая поверхность приемника может приближаться по размерам к цилиндрической, удается сохранить течение в донной области, близкое к плоскому - типа дорожки Кармана. На фиг.2 приведено вычисленное с помощью метода крупных частиц (см. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М. Метод крупных частиц в газовой динамике. - М.: Наука, 1982. - 392 с.) поле плотности для воздушного потока, обтекающего заявляемый приемник давлений. Число Маха, набегающего на приемник слева воздушного потока, М=0,9. Сечение приемника в плоскости расположения приемных отверстий представлено позицией 1. Приемник давлений установлен на плоское основание и имеет отношение высоты к диаметру основания равное 2,8. Позицией 2 обозначены вихри, образующиеся за донной поверхностью приемника, входящие в дорожку Кармана. Всего на фиг.2 представлены 10 вихрей, интенсивность которых ослабевает по мере удаления от приемника. Дорожка Кармана - это устойчивое образование, ее параметры мало зависят от начальной турбулентности потока: степени турбулентности, масштаба турбулентности. Для различных аэродинамических труб и для свободной атмосферы при нормальных условиях период образования вихрей определяется в основном скоростью набегающего воздушного потока (числом Маха). В связи с этим градуировочные зависимости, построенные по формулам, включающим давление, измеренное в донной области, будут для заявляемого приемника воздушных давлений стабильны и не будут отличаться для разных аэродинамических труб и свободной атмосферы. Период (интервал времени) Т, в течение которого должно измеряться давление, т.е. производиться осреднение давлений, для заявляемого приемника может быть легко установлен на основании определения периода образования отдельных вихрей.

Снижение возмущений, вносимых в воздушный поток заявляемым приемником воздушных давлений, обеспечивается выполнением его в виде части тела оживальной формы. В этом случае возмущения, распространяющиеся в направлении высоты приемника малы, что объясняется общеизвестным свойством тонких тел, имеющих плавные обводы, - вносить минимальные возмущения в поток. Снижение возмущений, вносимых в воздушный поток заявляемым приемником, в направлении, перпендикулярном плоскости, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, объясняется значительным уменьшением площади поперечного сечения тела оживальной формы по сравнению с цилиндрическим при одних и тех же значениях высот и площадей оснований.

Как показали выполненные расчеты, тела оживальной формы обеспечивают устойчивое образование дорожки Кармана как для всего диапазона дозвуковых скоростей, так и для диапазонов трансзвуковых и сверхзвуковых скоростей (например, до значения числа Маха М=2).

Таким образом, выполнение заявляемого приемника воздушных давлений в форме тела оживальной формы, установленного поперек потока, позволит повысить точность измерения статического давления и числа Маха, а также уменьшить возмущения, вносимые приемником в воздушный (или газовый) поток, по сравнению с приемником в форме цилиндрического тела.

Использование: для измерения параметров течения газообразных сред или для определения параметров движения транспортных средств: самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды. Сущность изобретения: приемник представляет собой тело, ограниченное частью поверхности тела оживальной формы 1, с расположенными на ней центральным 2 и периферийными приемными отверстиями 3, 4, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа и секущей плоскостью параллельной оси оживала, на которой расположено отверстие 5 для определения числа Маха и статического давления. Технический результат - повышение точности измерения статического давления и числа Маха в потоках газообразных сред, движущихся с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, а также снижение возмущений, вносимых приемником в газовый поток. 3 ил.

Приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью поверхности вращения с расположенными на ней центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и секущей поверхность вращения плоскостью, параллельной оси поверхности вращения, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, отличающийся тем, что часть поверхности вращения приемника выполнена в виде части поверхности тела оживальной формы.