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

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

Известен шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы (см. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока. М.: Машиностроение. - 1996. - С.229), предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения направления потока. Недостатком приемника является то, что при трансзвуковых скоростях параметры воздушного потока измеряются со значительными погрешностями.

Причина, вызывающая указанные недостатки, заключается в том, что с ростом скорости потока на поверхности полусферической носовой части проявляется эффект стабилизации местных сверхзвуковых скоростей и приемник теряет чувствительность к изменению скорости потока, что приводит к погрешностям измерения параметров воздушного потока: скорости, числа Маха, статического давления и направления потока.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью сферической поверхности и гранью - донной торцевой поверхностью, образованной от сечения сферы плоскостью, перпендикулярной продольной оси симметрии приемника (см. патент России №2260780, G01L 19/00. - 2005). Приемник предназначен для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления и числа Маха. На части сферической поверхности приемника расположены приемные отверстия - центральное и периферийные, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа. На донной торцевой поверхности приемника расположены приемные отверстия, предназначенные 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 острой кромки, ограничивающей донную торцевую поверхность приемника, на которой расположены приемные отверстия, предназначенные для измерения статического давления и числа Маха, но и с части сферической поверхности, при этом координаты точки отрыва потока от части сферической поверхности (в полярной системе координат, связанной с продольной плоскостью симметрии приемника) нестабильны и могут изменяться в широком диапазоне углов 90÷130° (см. Максворси «Экспериментальное исследование обтекания сферы при больших числах Рейнольдса» - Западная конференция ASME по прикладной механике 25-27 августа 1969 г.). 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, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что давления, измеренные донными приемными отверстиями, зависят от числа Рейнольдса - вязкости потока и от начальной турбулентности потока, т.к. линии отрыва потока от поверхности приемника, являющейся частью сферической поверхности, 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 пространственных 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 кромки, ограничивающей донную торцевую поверхность приемника, на которой расположены донные приемные отверстия, а также за счет уменьшения пульсаций давлений в местах расположения центрального и периферийных приемных отверстий.

Технический результат достигается тем, что приемник воздушных давлений, представляющий собой тело, ограниченное частью сферической поверхности, ось которой предназначена для установки приемника вдоль потока, с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа и приемными отверстиями, предназначенным для измерения числа Маха и статического давления, расположенными на донной торцевой поверхности приемника, содержит диск, примыкающий к донной торцевой поверхности, площадь диска превышает площадь донной торцевой поверхности и определяется из условия, что касательная к части сферической поверхности, проведенная в плоскости продольной симметрии приемника, имеющая общую точку с ребром диска, образует угол с продольной осью симметрии приемника, больший максимальной величины модуля угла скоса потока, а приемные отверстия для измерения числа Маха и статического давления размещены на поверхности диска.

На фиг.1 изображены три вида заявляемого приемника давлений: вид спереди, вид слева, вид справа. На фиг.2 изображена схема определения площади диска, примыкающего к приемнику давлений. На фиг.3 и фиг.4 изображены поля скоростей для известного и заявляемого приемников давления.

Заявляемый приемник воздушных давлений (см. фиг.1) представляет собой тело, ограниченное частью сферической поверхности - 1, продольная ось симметрии которой - 2 предназначена для установки приемника вдоль потока, с расположенными на его поверхности центральным - 3 и периферийными - 4, 5, 6, 7 приемными отверстиями, предназначенными для определения направления - ε (угла скоса потока) и величины скорости потока газа - V_∞ и приемными отверстиями - 8, 9, 10, 11, предназначенными для измерения числа Маха и статического давления, расположенными на диске - 12, образующем донную торцевую поверхность приемника.

На фиг.2 изображена схема определения площади диска, примыкающего к телу приемника давлений, имеющего форму части сферической поверхности. Площадь диска должна превышать площадь грани, образованной сечением сферы плоскостью, а сама площадь диска определяется из условия, что касательная DE к любой части сферической поверхности, проведенная в продольной плоскости симметрии приемника, имеющая общую точку с ребром диска F, образует угол γ с осью симметрии приемника HG больший максимальной величины модуля угла скоса потока ε.

На фиг.3 приведено поле скоростей (изолинии скорости) в плоскости расположения одного ряда приемных отверстий (например 4-3-6) для приемника воздушных давлений, тело которого ограничено частью сферической поверхности (прототип) для числа Маха набегающего слева потока М_∞=0,5. Более темные места соответствуют максимальным и минимальным значениям скорости газа. Позицией 13 обозначено поле скоростей у части сферической поверхности в районе расположения одного из периферийных приемных отверстий, значение тангенциальной скорости газа V_τ=196 (м/с). Позицией 14 обозначено поле скоростей у части сферической поверхности в районе расположения второго периферийного приемного отверстия, значение тангенциальной скорости газа V_τ=240 (м/с).

На фиг.4 приведено поле скоростей (изолинии скорости) в плоскости расположения приемных отверстий для заявляемого приемника воздушных давлений, тело которого ограничено частью сферической поверхности, с примыкающим к нему диском для числа Маха набегающего слева потока М_∞=0,5. Более темные места соответствуют максимальным и минимальным значениям скорости газа. Позицией 15 обозначено поле скоростей у части сферической поверхности в районе расположения одного из периферийных приемных отверстий, значение тангенциальной скорости газа V_τ=112 (м/с). Позицией 16 обозначено поле скоростей у части сферической поверхности в районе расположения второго периферийного приемного отверстия, значение тангенциальной скорости газа V_τ=122 (м/с). Позицией 17 обозначено поле скоростей за ребром диска, значение скорости газа V_τ=197 (м/с). Позицией 18 обозначено поле скоростей за противоположным ребром диска, значение тангенциальной скорости газа V_τ=246 (м/с).

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

- для числа Маха

- для статического давления

где P_i - давление; i - номер приемного отверстия (см. фиг.1); ε - угол скоса потока; М - число Маха; P_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 давления , воспринимаемые приемными отверстиями, расположенными на донной торцевой поверхности приемника, в связи с чем точность измерений параметров воздушного потока в значительной степени определяется точностью измерения давлений

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 сферической поверхности и гранью, образованной сечением сферы 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 всей длины кромки, ограничивающей грань приемника, на которой расположены донные приемные отверстия. Отрыв потока осуществляется, в том числе, и с части сферической поверхности, 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 - кромка диска 12 (фиг.1), которая всегда будет являться линией отрыва потока, если (см. фиг.2) касательная DE к любой части сферической поверхности, проведенная в продольной плоскости симметрии приемника, имеющая общую точку с ребром пластины - F, образует угол - γ с осью симметрии HG приемника, больший максимальной величины модуля угла скоса потока ε. При выполнении неравенства γ>|ε| диск 12 (см. фиг.1) ни при каких значениях углов скоса потока ε (направление потока) не будет находиться в аэродинамической тени от тела приемника, вследствие чего именно кромка диска 12 по всей длине (а не поверхность приемника) будет являться линией отрыва воздушного (газового) потока.

Только наличие в конструкции приемника давлений острых кромок, 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 расположения донных приемных отверстий 8-11 (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 кромка, образованная сечением сферы плоскостью, при изменении углов скоса потока находится с подветренной стороны, т.е. попадает в аэродинамическую тень, линия отрыва потока нестабильна, что и приводит к погрешностям измерения давлений.

На дозвуковых скоростях полета за прототипом и заявляемым приемником давлений образуются области вихревого движения газа. 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 происходит у кромки диска, габаритный поперечный размер которого превышает соответствующий габаритный размер сферического тела приемника давлений. 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 сферической поверхности, с примыкающим к нему диском, позволит повысить точность измерения воздушных параметров как на дозвуковых, так и на трансзвуковых и сверхзвуковых скоростях по сравнению с приемником, выполненным в форме тела, ограниченного только частью сферической поверхности без примыкающего к нему диска.

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 тела, ограниченного частью сферической поверхности 1, ось 2 которой предназначена для установки приемника вдоль потока. На его поверхности расположены центральное 3 и периферийные 4-7 приемные отверстия, предназначенные для определения направления и величины скорости потока газа, и приемные отверстия 8-11, предназначенные для измерения числа Маха и статического давления, расположенные на донной торцевой поверхности приемника. Приемник содержит диск 12, примыкающий к донной торцевой поверхности. Площадь диска превышает площадь донной торцевой поверхности, а приемные отверстия для измерения числа Маха и статического давления размещены на поверхности диска. Технический результат заключается в повышении точности измерения статического давления и числа Маха в плоских потоках газа. 4 ил.

Приемник воздушных давлений для пространственных потоков газа, представляющий собой тело, ограниченное частью сферической поверхности, ось которой предназначена для установки приемника вдоль потока, с расположенными на его поверхности центральным и периферийными приемными отверстиями, предназначенными для определения направления и величины скорости потока газа и приемными отверстиями, предназначенными для измерения числа Маха и статического давления, расположенными на донной торцевой поверхности приемника, отличающийся тем, что приемник содержит диск, примыкающий к донной торцевой поверхности, площадь диска превышает площадь донной торцевой поверхности и определяется из условия, что касательная к части сферической поверхности, проведенная в плоскости продольной симметрии приемника, имеющая общую точку с ребром диска, образует угол с продольной осью симметрии приемника больший максимальной величины модуля угла скоса потока, а приемные отверстия для измерения числа Маха и статического давления размещены на поверхности диска.