ПРИЕМНИК ВОЗДУШНЫХ ДАВЛЕНИЙ Российский патент 2008 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 приемник воздушного давления, представляющий собой тело цилиндрической формы (см. патент России №1723879, G01L 19/00, - 1990). 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.

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 грань приемника, на которой расположено донное 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).

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, 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. Это приводит к случайному изменению давлений на донной торцевой поверхности приемника и вызывает погрешности измерения воздушных параметров. 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.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью поверхности вращения оживальной формы и секущей поверхность вращения плоскостью (см. патент России №2245525, G01L 19/00. - 2002). Приемник предназначен для измерения величины и направления скорости плоских потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части поверхности вращения приемника расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, предназначенные для определения направления и величины скорости потока. На секущей поверхность вращения плоскости, находящейся при измерениях с подветренной стороны, 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 грань приемника, на которой расположено донное приемное отверстие, но и с его боковой поверхности, являющейся частью поверхности тела вращения оживальной формы.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, 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 поверхности тела вращения оживальной формы, изменяют свое положение в зависимости от указанных параметров, что приводит к случайному изменению давлений на донной торцевой поверхности приемника, т.е. к погрешностям измерений. В связи с этим полученные для приемника давлений тарировочные зависимости, используемые для определения параметров потока, будут неточны и нестабильны в потоках с другим уровнем начальной турбулентности.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа.

Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа за счет придания приемнику формы, обеспечивающей стабильность положений линий отрыва потока с ребер, ограничивающих грань приемника, на которой расположено донное приемное отверстие.

Технический результат достигается тем, что приемник воздушных давлений, представляющий собой тело с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и приемным отверстием для измерения числа Маха и статического давления, расположенным на донной торцевой поверхности приемника, выполнен в виде тела, имеющего форму треугольной пирамиды, центральное приемное отверстие расположено на ребре пирамиды, которое обращено навстречу потоку, а полуугол между гранями пирамиды, на которых расположены периферийные приемные отверстия, измеряемый в плоскости, параллельной плоскости основания, больше максимальной величины модуля угла скоса потока.

На чертеже изображен общий вид приемника давлений.

Заявляемый приемник воздушных давлений (см. чертеж) представляет собой тело, выполненное в форме треугольной пирамиды 1, на ребре 2 которой, обращенном навстречу потоку, расположено центральное приемное отверстие 3, периферийные приемные отверстия 4 и 5 (которые совместно с отверстием 3 предназначены для определения направления и величины скорости потока газа) расположены на гранях пирамиды 6 и 7, находящихся в потоке с наветренной стороны, приемное отверстие 8, предназначенное для измерения числа Маха и статического давления, расположено на донной торцевой поверхности приемника 9, являющейся гранью пирамиды, находящейся в потоке с подветренной стороны, ребра пирамиды 10 и 11 являются линиями срыва потока, основание пирамиды 12 является плоскостью, служащей для определения полуугла γ между гранями пирамиды 6 и 7, который должен быть больше максимальной величины модуля угла скоса потока ε.

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, которые могут иметь следующий вид:

- для угла скоса

f_ε(ε)=(P₄-P₃)/(P₅+P₃-2P₈);

- для числа Маха

f_M(M)=P₃/P₈;

- для статического давления

где Р_i - давление; i - номер приемного отверстия (см. чертеж); ε - угол скоса; 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: 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 чертежу позволяет обеспечить достижение заявляемого технического результата.

Как следует из приведенных выше формул, общих для прототипа и заявляемого приемника, все они содержат давление P₈, воспринимаемое донным приемным отверстием, в связи с чем точность измерений параметров воздушного потока приемниками, содержащими приемное отверстие в зоне отрывного течения, в значительной степени определяется точностью измерения давления P₈.

Только стабильность и неслучайность 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 частью поверхности вращения оживальной формы и секущей поверхность вращения 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 приемное отверстие 8. 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. Заявляемый приемник воздушных давлений содержит такие элементы конструкции - ребра 10 и 11, которые всегда будут являться линиями отрыва потока, если полуугол γ между гранями пирамиды 6 и 7, на которых расположены периферийные приемные отверстия 4 и 5, измеряемый в плоскости параллельной плоскости основания 12, больше максимальной величины модуля угла скоса потока ε. 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 8. 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 при изменении углов скоса потока находится с подветренной стороны, т.е. попадает в аэродинамическую тень от поверхности, представляющей собой часть тела вращения, линии отрыва нестабильны, что и приводит к погрешностям измерения давлений.

Таким образом, выполнение заявляемого приемника воздушных давлений в форме треугольной пирамиды, установленной поперек потока, позволит повысить точность измерения статического давления и числа Маха в потоке по сравнению с приемником, выполненным в форме тела, содержащего часть поверхности вращения.

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. Приемник воздушных давлений выполнен в форме треугольной пирамиды 1, имеющей приемное отверстие 3 на переднем ребре пирамиды, периферийные приемные отверстия 4 и 5 на гранях 6 и 7 пирамиды и приемное отверстие 8 на грани пирамиды 9, находящейся в потоке с подветренной стороны, причем полуугол между гранями 6 и 7, измеряемый в плоскости основания 12, должен быть больше максимальной величины модуля угла скоса потока. Технический результат: повышение точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа. 1 ил.

Приемник воздушных давлений, представляющий собой тело с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа, и приемным отверстием для измерения числа Маха и статического давления, расположенным на донной торцевой поверхности приемника, отличающийся тем, что тело приемника выполнено в виде треугольной пирамиды, центральное приемное отверстие расположено на ребре пирамиды, которое обращено навстречу потоку, а полуугол между гранями пирамиды, на которых расположены периферийные приемные отверстия, измеряемый в плоскости, параллельной плоскости основания, больше максимальной величины модуля угла скоса потока.