Устройство для измерения скорости неравновесных газовых потоков Советский патент 1985 года по МПК G01P5/00 

Изобретение относится к измере: нию параметров газовых потоков, в частности к технике диагностики и контроля параметров неравновесных газовых сред. Известно устройство для измерения скорости потока, состоящее из осесимметричного полого отборника с двумя датчиками давления, причем датчики давления соединены с полос тями отборника таким образом, что один иэ них измеряет статическое давление, а другой полное. Скорость потока V определяется при о этом на основании формулы Релея, в решающей отношение полного давлени к статическому как функцию числа Маха (М) в набегающем потоке, по соотношению V М а, где а - скоро звука (ее величина определяется либо из таблиц, либо при известной температуре набегающего потока по формуле а Ч ЕТн, где х,- показатель адиабаты; R - газовая постоян ная; Тц - температура набегающего потока) l 3. Недостатком указанного устройст является то, что оно не позволяет с достаточной точностью измерить скорость неравновесного газового потока. При измерениях полного дав ления, например, в дозвуковом пото ке газ тормозится на поверхности отборника и успевает прийти в равновесное состояние, т.е. н конечном счете измеряется полное давление срелаксировавшего газа. Наиболее близким k предлагаемом является устройство для измерения скорости неравновесных газовых потоков, которое содержит осесимметричный приемник, снабженный расположенными под углом к его оси патрубками для подвода вспомогательного газового потока, и датчики ст тического давления, расположенные и после выходных отверстий патрубк выполненных в приемнике, при этом патрубки соединены с источником вс могательного газового потока, на м лекулах которого обеспечивается ме ньшая скорость релаксации исследуемого газового потока, чем на собственных 2 IДанное устройство не обеспечива ет достаточной точности измерения дозвуковых и трансзвуковых потоков Цель изобретения - повьшение точности измерения скорости как дозвуковых, так и трансзвуковых потоков. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения скорости неравновесных газовых потоков, содержащем осасимметричный приемник,. снабженный расположенными под углом к его оси патрубками для подвода вспомогательного газового потока, и/ датчики статического давления, расположенные до и После выходных отверстий патрубков, выполненных в приемнике, при этом патрубки соединены с источником вспомогательного газового потока, на молекулах которого обеспечивается меньшая скорость релаксации исследуемого газового потока, чем на собственных, угол ориентации патрубков к продольной оси приемника составляет 60-90, причем проходное сечение каждого патрубка характеризуется соотношениемп где F - проходное сечение приемника; п - число патрубков, а датчики статического Давления размещены на расстоянии (1-3)D оу точки пересечения осей патрубков с продольной осью приемника, где D диаметр приемника. Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительными датчиками статического давления, размещенными на расстоянии t от точки пересечения осей патрубков с продольной осью приемника, характеризующимся соотношением t m(1-3)D, где ш - номер датчика, а общее число датчиков М 5. На фиг. 1 представлена схема устройства; на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1. Устройство содержит осесимметричный приемник 1, воспринимающий исследуемый поток 2 и снабженный размещенными равномерно по окружности патрубками 3, подключенными через коллектор 4, подводящую магистраль 5 и вентиль 6 к источнику 7 вспомогательного газового потока, на мо311

екулах которого обеспечивается еньшая скорость релаксации иссле- -, уемого газового потока, чем на собственных. Измерение статического авления до и после зоны введения вспомогательного потока осуществляется с помощью датчиков 8.

Устройство работает следующим

образом.

3 исследуемом потоке газ (N2) имеет различные по величине поступательную (Т) и колебательную (Ту) температуры.

Исследуемый поток колебательновозбужденньк молекул ) попадает в осесимметричный приемник 1. Через подводящие патрубки 3, расположенные равномерно по периметру приемника к исследуемому потоку подмешивается газ из источника 7 и попадает в коллектор| 4, соединенный с подводящими патрубками через магистраль 5,при открывании вентиля 6, При перемешивании исследуемого газового потока-2 и подмешиваемого через патрубки 3 газа на длине смешения рд указанных газов происходит изменение газодинамических параметров, в том числе статического давления. Причем изменение статического давления (до и после зоны смешения) зависит от первоначальной скорости исследуемого потока неравновесного газа (N) . Для того, чтобы при смешении указанных потоков Не изменялась степень неравновесности исследуемого газа (не происходила релаксация колебательной энергии в образовавшемся после смешения потоке), необходимо выполнить следующие условия: во-пёрвьрс, длина смешения 1 должна быть меньше длины колебательной релаксации 1 т-( |.g) ; во-вторых, скорость релаксации колебательной энергии молекул исследуемого газа N2(V) при столкновении с молекулами подмешиваемого через патрубка 3 газа должна быть меньше скорости собственной релаксации (т.е. релаксации при столкновении с молекулами того же сорта - N.).

При дозвуковой скорости исследуемого потока наименьшая длина смешеНИН достигается при перпендикулярном вдуае или при-вдуве навстречу движений потока, а при трансзвуковой скорости - при вдуве под углом, близким к 90° к вектору скорости ис03534

следуемого потока. Причем этот угол должен уменьшаться с увеличением скорости исследуемого потока. Исходя из условия обеспечения минимальной 5 .цлины смешения подводящие патрубки 3 расположены таким образом, что ось симметрии каждого из них составляет угол 60-90 сОСЬЮ симметрии приемники, причем угол бО применяется при трансзвуковой, а 90 при дозвуковой скорости.

Как указывалось ранее, изменение статического давления при подмешивании дополнительного количества газа к потоку зависит от его скорости. Поэтому, измерив перепад статического давления до и после зоны смешения, можно определить скорость неравновесного потока. Для этого

0 измерение перепада статического давления осуществляют на расстоянии (1-3)D от точки пересечения осей патрубков с продольной осью приемника, где D - диаметр приемника. Перед местом пересечения . осей симметрии патрубков и приемника установлен датчик 8 для измерения давления до зонысмешения. Установка датчика в указанной точке

0 позволяет исключить влияние возмущений, вносимьк струями из патрубков 3. Для измерения давления за зоной смешения, датчик необходимо j устанавливать от первого на расто i ЯНИН X 1. В общем случае 1см мо жет быть вычислена заранее, однако это не всегда возможно. Устанавливая датчики 8 давления последовательно от места пересечения осей симметрии патрубков 3 и приемника . на расстоянии m (1-3)D, где m номер датчика, можно определить величину 1р„ экспериментально. При X 7 i ch показания датчиков давления не будут меняться, т. е. если

5 показания двух последовательно расположенных датчиков В давления одинаковы, то условие X 1 1 удовлетворено, и величина статического давления за зоной смешения определяется

0 по показ.аниям именно этих датчиков. По измеренным значениям статическо го давления до и после зоны смешения вычисляется величина перепада давления ЛР. При известном значении расхода подмешиваемогб газа (q) скорость исследуемого колебательно-неравновесного газового потока определяется по формуле

Лр« «й$« -4РНлРР

2РдР

де V - скорость исследуемого потока;

q - расход подмешиваемого че рез патрубки 3 газа; а - скорость звука в исследуемом потоке;

4 Р - измеренный перепад статического давления до и после зоны смешения; F - площадь поперечного сечеJD

ния приемника F s

Знак плюс В формуле соответствует скорости V а, а минус - V : а.

Представленная формула для определения скорости потока справедлива при небольших относительных : расходах подмешиваемого через пат- % рубки 3 газа Г -г-tS v расход

- Ъ

газа через входнбе сечение приемника, а именно . Поэтому проходное сечение каждого из подводящих патрубков удовлетворяет условию

f -А-J где f - площадь проходно Tid

го сечения патрубка; f -т- } п число патрубков.

Предлагаемое устройство для определения скорости газового потока позволяет определять скорость колебательно-Неравновесного газового .потока с высокой степеньюточности.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ НЕРАВНОВЕСНЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ, содержащее осесимметричный приемник, снабженный расположенными под углом к его оси патрубками для подвода вспомогательного газо- вого потока, и датчики статического давления, расположенные до и после выходных отверстий патрубков, выполненных в приемнике, при этом патрубки соединены с источником рспомогательного газового потока, на молекулах которого обеспечивается меньшая скорость релаксации исследуемого газового потока, чем на собственных, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения скорости как дозвуковых, так и трансзвуковых потоков, угол ориентации патрубков к продольной оси приемника составляет 60-90, причем проходное сечение каждого патрубка характеризуется соотношением 0, F ,. где F - проходное сечение приемника; п- число патрубков, а датчики статического давления размещены на расстоянии