ПРИЕМНИК ВОЗДУШНЫХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2008 года по МПК G01L19/00 

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 приемник воздушного давления, представляющий собой тело цилиндрической формы (см. патент России №1723879, G01L 19/00. - 1990). Приемник размещается поперек потока и 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 (на донной торцевой поверхности), расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления.

К недостаткам приемника относятся погрешности измерения статического давления и числа Маха, связанные с наличием у него верхнего плоского основания, возмущающего поток, а также с тем, что при изменении углов скоса (направления потока) срыв потока осуществляется не только с ребер (не одновременно со всех ребер), ограничивающих донную торцевую поверхность, на которой расположено приемное отверстие, но и с его боковой поверхности, являющейся частью поверхности круглого цилиндра, при этом координата точки отрыва потока от поверхности круглого цилиндра (в полярной системе координат, связанной с плоскостью поперечного сечения приемника) нестабильна и может изменяться в диапазоне углов 80÷140° (см. Аэродинамика ракет: в 2-х кн. Кн.1. / Под ред. М.Хемша, Дж.Нилсена. - М.: Мир. - 1989. С.264-265). К недостаткам приемника относятся и дополнительные погрешности измерения величины скорости и направления потока на дозвуковых скоростях, связанные с тем, что возмущения, вызванные отрывом потока от поверхности приемника, распространяются назад по потоку. Это приводит к появлению пульсаций скоростей и давлений газа в районе расположения центрального и периферийных приемных отверстий.

Причина, вызывающая указанные недостатки, заключается в том, что давления, измеренные донным приемным отверстием приемника, зависят от числа Рейнольдса - вязкости потока и от начальной турбулентности потока, т.к. линии отрыва потока от части поверхности приемника, являющейся частью поверхности кругового цилиндра, изменяют свое положение в зависимости от указанных параметров, а пульсации давлений и скоростей газа, вызванные отрывом потока от поверхности приемника на дозвуковых скоростях обтекания, распространяются назад по потоку и охватывают область расположения центрального и периферийных приемных отверстий. Аэродинамические трубы характеризуются высоким (по сравнению со свободной атмосферой) уровнем начальной турбулентности, в связи с чем полученные в них тарировочные зависимости, используемые для определения параметров потока, будут неточны и нестабильны в свободной атмосфере или в потоках с другим уровнем начальной турбулентности. Все эти факторы приводят в итоге к случайному изменению давлений на донной торцевой поверхности приемника и в районе расположения центрального и периферийных приемных отверстий и вызывают погрешности измерения воздушных параметров.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью боковой поверхности кругового конуса и секущей круговой конус плоскостью, являющейся донной торцевой поверхностью приемника (см. патент России №2227906, G01L 19/00. - 2002). Приемник также располагается поперек потока и предназначен для измерения величины и направления скорости плоских потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части поверхности приемника, представляющей собой часть боковой поверхности кругового конуса, расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа. На секущей поверхность вращения плоскости - на донной торцевой поверхности приемника, расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления.

К недостаткам приемника относятся погрешности измерения числа Маха и статического давления, связанные с тем, что при изменении углов скоса (направления потока) срыв потока осуществляется не только с ребер (не одновременно со всех ребер), ограничивающих донную торцевую поверхность приемника, на которой расположено приемное отверстие, предназначенное для измерения статического давления и числа Маха, но и с его боковой поверхности, являющейся частью боковой поверхности кругового конуса, при этом координата точки отрыва потока от части конической поверхности (в полярной системе координат, связанной с плоскостью поперечного сечения приемника) нестабильна и может изменяться в широком диапазоне углов (как у аналога). К недостаткам приемника относятся и погрешности измерения величины скорости и направления потока, связанные с тем, что при дозвуковых скоростях обтекания, возмущения, вызванные отрывом потока от поверхности приемника, распространяются назад по потоку, что приводит к появлению пульсаций скоростей и давлений газа в районе расположения центрального и периферийных приемных отверстий.

Причина, приводящая к погрешностям измерений, заключается в том, что давления, измеренные донным приемным отверстием, зависят от числа Рейнольдса - вязкости потока и от начальной турбулентности потока, т.к. линии отрыва потока от поверхности приемника, являющейся частью боковой поверхности кругового конуса, изменяют свое положение в зависимости от указанных параметров, что приводит к случайному изменению давлений в донной области и, как следствие этого, к погрешностям измерений. В связи с изложенным, полученные для приемника давлений тарировочные зависимости, используемые для определения параметров потока, будут неточны и нестабильны в потоках с другим уровнем начальной турбулентности. Центральное и периферийные приемные отверстия, служащие для определения направления и величины скорости потока газа, у приемника находятся в непосредственной близости от области срывного течения газа, что приводит к передаче пульсаций давлений назад по потоку - к центральному и периферийным приемным отверстиям при дозвуковых скоростях обтекания и, как следствие этого, - к погрешностям измерения скорости, направления потока, статического давления и числа Маха.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения статического давления и числа Маха в потоках газа, движущихся с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, а также величины скорости и направления течения газа в потоках, движущихся с дозвуковыми скоростями.

Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа, движущихся с дозвуковыми, трансзвуковыми и сверхзвуковыми скоростями, а также величины скорости и направления течения газа в потоках, движущихся с дозвуковыми скоростями, за счет придания приемнику формы, обеспечивающей стабильность положения линий отрыва потока с ребер, ограничивающих донную торцевую поверхность приемника, на которой расположено донное приемное отверстие, а также за счет уменьшения пульсаций давлений в местах расположения центрального и периферийных приемных отверстий.

Технический результат достигается тем, что приемник воздушных давлений для плоских потоков газа, представляющий собой тело, ограниченное частью боковой поверхности кругового конуса, ось которого предназначена для установки приемника поперек потока, с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и приемным отверстием, предназначенным для измерения числа Маха и статического давления, расположенным на донной торцевой поверхности приемника, содержит пластину, примыкающую к его донной торцевой поверхности, площадь которой превышает площадь донной торцевой поверхности и определяется из условия, что касательная к любой части боковой поверхности кругового конуса, проведенная в плоскости сечения приемника, параллельной плоскости основания, имеющая общую точку с ребром пластины, образует угол с линией пересечения вертикальной плоскости симметрии приемника с плоскостью основания больший максимальной величины модуля угла скоса потока, а приемное отверстие для измерения числа Маха и статического давления выполнено в пластине.

На фиг.1 изображен общий вид приемника давлений. На фиг.2 и фиг.3 изображены поля скоростей для известного и заявляемого приемников давления.

Заявляемый приемник воздушных давлений (см. фиг.1) представляет собой тело, ограниченное частью боковой поверхности кругового конуса - 1, ось которого - 2 предназначена для установки приемника поперек потока, с расположенными на его поверхности центральным - 3 и периферийными - 4, 5 приемными отверстиями, предназначенными для определения направления - ε (угла скоса потока) и величины скорости потока газа - V_∞, и приемным отверстием - 6, предназначенным для измерения числа Маха и статического давления, расположенным на донной торцевой поверхности приемника - АВС. Приемник содержит пластину - 7, площадь которой превышает площадь грани, образованной сечением кругового конуса плоскостью, а величина площади определяется из условия, что касательная DE (D'E') к любой части боковой поверхности кругового конуса, проведенная в плоскости сечения приемника К, параллельной плоскости основания - 1, имеющей общую точку с ребром пластины - F (F'), образует угол γ с линией HG пересечения вертикальной плоскости симметрии приемника с плоскостью основания, больший максимальной величины модуля угла скоса потока.

На фиг.2 изображено поле скоростей (изолинии скорости) в плоскости расположения приемных отверстий для приемника воздушных давлений (прототип), тело которого ограничено частью боковой поверхности кругового конуса - 1 для числа Маха набегающего слева потока М_∞=0,5. Более темные места соответствуют максимальным и минимальным значениям скорости газа. Позицией 8 обозначено поле скоростей у части боковой поверхности кругового конуса в районе расположения одного из периферийных приемных отверстий для значения тангенциальной скорости газа V_τ=323 (м/с). Позицией 9 обозначено поле скоростей у части боковой поверхности кругового конуса в районе расположения второго периферийного приемного отверстия для значения тангенциальной скорости газа V_τ=255 (м/с). Позицией 10 обозначена дорожка Кармана за приемником давлений.

На фиг.3 изображено поле скоростей (изолинии скорости) в плоскости расположения приемных отверстий для заявляемого приемника воздушных давлений, тело которого ограничено частью боковой поверхности кругового конуса, с примыкающей к нему пластиной - 7 для набегающего слева потока, число Маха М_∞=0,5. Более темные места соответствуют максимальным и минимальным значениям скорости газа. Позицией 11 обозначено поле скоростей у части боковой поверхности кругового конуса в районе расположения одного из периферийных приемных отверстий для значения тангенциальной скорости газа V_τ=162 (м/с). Позицией 12 обозначено поле скоростей у части боковой поверхности кругового конуса в районе расположения второго периферийного приемного отверстия для значения тангенциальной скорости газа V_τ=148 (м/с). Позицией 13 обозначено поле скоростей за ребром пластины, максимальное значение скорости газа V_τ=246 (м/с). Позицией 14 обозначено поле скоростей за противоположным ребром пластины, значение тангенциальной скорости газа V_τ=197 (м/с). Позицией 15 обозначена дорожка Кармана за приемником давлений.

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, числами Маха, статическим давлением проводят продувки приемника в аэродинамической трубе, по результатам которых находят градуировочные зависимости, которые могут иметь следующий вид:

- для угла скоса

f_ε(ε)=(P₄-P₃)/(P₅+P₃-2P₆);

- для числа Маха

f_M(M)=p₃/p₆;

- для статического давления

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

Затем, при определении параметров воздушного потока или при определении параметров движения твердых тел, самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды, используя градуировочные зависимости, решают обратную задачу - по измеренным давлениям находят: угол 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.

Как следует из приведенных выше формул, общих для прототипа и заявляемого приемника, все они содержат давление Р₆, воспринимаемое приемным отверстием, расположенным на донной торцевой поверхности приемника, в связи с чем, точность измерении параметров воздушного потока приемниками, содержащими приемное отверстие в зоне отрывного течения, в значительной степени определяется точностью измерения давления P₆.

Только стабильность и не случайность получаемых градуировочных зависимостей позволяет обеспечить высокую точность определения параметров воздушного (газового) потока при измерении давлений в донной области - зоне отрывного течения. Для прототипа, представляющего собой тело, ограниченное только частью поверхности кругового конуса и гранью, образованной сечением конуса плоскостью, не удается получить в донной области течение со стабильными и не изменяющимися случайным образом во времени параметрами (скоростью, плотностью, давлением) из-за того, что отрыв потока при изменении углов скоса не может осуществляться одновременно со всех ребер, ограничивающих грань приемника, на которой расположено донное приемное отверстие. Отрыв потока осуществляется, в том числе, и с части поверхности вращения, а для тел с плавными обводами координаты линии отрыва потока от поверхности тела зависят от параметров набегающего потока: числа Рейнольдса, начальной турбулентности (см. Аэродинамика ракет: в 2-х кн. Кн.1. / Под ред. М.Хемша, Дж.Нилсена. - М.: Мир. - 1989. С.261-267).

Течение с параметрами, изменяющимися неслучайным образом, может быть получено лишь для тел, форма которых обеспечивает отрыв потока в строго определенных местах вне зависимости от параметров набегающего потока (числа Рейнольдса, начальной турбулентности потока). Заявляемый приемник воздушных давлений содержит такие элементы конструкции - ребра пластины 7, которые всегда будут являться линиями отрыва потока, если (см. фиг.1) касательная DE (D'E') к любой части боковой поверхности кругового конуса, проведенная в плоскости сечения приемника, параллельной плоскости основания - I, имеющая общую точку с ребром пластины - F (F'), образует угол γ с линией HG пересечения вертикальной плоскости симметрии приемника с плоскостью основания больший максимальной величины модуля угла скоса потока ε. При выполнении неравенства γ>|ε| пластина 7 (см. фиг.1) ни при каких значениях углов скоса потока ε (направление потока) не будет находиться в аэродинамической тени от конического тела приемника, вследствие чего именно все ребра пластины 7 (а не поверхность кругового конуса) будут являться линиями отрыва воздушного (газового) потока.

Только наличие в конструкции приемника давлений острых ребер, находящихся при изменении углов скоса потока с наветренной стороны, позволяет получать стабильные координаты линий отрыва потока и, как следствие этого, минимальные погрешности при измерении давлений в районе приемного отверстия 6 (фиг.1). Измеряемые давления в этом случае будут зависеть только от скорости газового потока, а не от его вязкости и начальной турбулентности.

У прототипа, вследствие того, что одно ребро, образованное сечением кругового цилиндра плоскостью, при изменении углов скоса потока находится с подветренной стороны, т.е. попадает в аэродинамическую тень, линии отрыва нестабильны, что и приводит к погрешностям измерения давлений.

На дозвуковых скоростях полета за прототипом и заявляемым приемником давлений образуются вихревые структуры - дорожки Кармана (см. фиг.2 и фиг.3). Образующиеся в донной области за приемниками давлений вихри приводят к появлению пульсаций скоростей и давлений газа в районе расположения центрального и периферийных приемных отверстий. Но у заявляемого приемника давлений эти пульсации значительно меньше вследствие того, что срыв потока и образование вихрей происходят у ребер пластины, габаритный поперечный размер которой превышает соответствующий габаритный размер тела приемника давлений, ограниченного частью поверхности кругового конуса. Вследствие этого точность измерения воздушных параметров заявляемым приемником давлений выше, чем у прототипа.

Таким образом, выполнение заявляемого приемника воздушных давлений в форме тела, ограниченного частью боковой поверхности кругового конуса, с примыкающей к нему пластиной позволит повысить точность измерения воздушных параметров как на дозвуковых, так и на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях по сравнению с приемником, выполненным в форме тела, содержащего только часть поверхности вращения без примыкающей к нему пластины.

Изобретение относится к средствам измерения параметров течения газообразных сред и может быть использовано для определения параметров движения транспортных средств: самолетов, ракет и т.п. относительно воздушной среды. Сущность изобретения: приемник воздушных давлений выполнен в форме кругового конуса 1, имеющего центральное 3 и периферийные приемные отверстия 4, 5. К его донной торцевой поверхности примыкает пластина 7, площадь которой превышает площадь донной торцевой поверхности и определяется из условия, что касательная к любой части боковой поверхности кругового конуса, проведенная в плоскости сечения приемника, параллельной плоскости основания, имеющая общую точку с ребром пластины, образует угол с линией пересечения вертикальной плоскости симметрии приемника с плоскостью основания больший максимальной величины модуля угла скоса потока. Приемное отверстие 6 для измерения числа Маха и статического давления выполнено в пластине. Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа. 3 ил.

Приемник воздушных давлений для плоских потоков газа, представляющий собой тело, ограниченное частью боковой поверхности кругового конуса, ось которого предназначена для установки приемника поперек потока, с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и приемным отверстием, предназначенным для измерения числа Маха и статического давления, расположенным на донной торцевой поверхности приемника, отличающийся тем, что приемник содержит пластину, примыкающую к его донной торцевой поверхности, площадь которой превышает площадь донной торцевой поверхности и определяется из условия, что касательная к любой части боковой поверхности кругового конуса, проведенная в плоскости сечения приемника, параллельной плоскости основания, имеющая общую точку с ребром пластины, образует угол с линией пересечения вертикальной плоскости симметрии приемника с плоскостью основания больший максимальной величины модуля угла скоса потока, а приемное отверстие для измерения числа Маха и статического давления выполнено в пластине.