Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

по-видимому, является магнитоэлектроразрядный датчик с холодным катодом. В датчиках этого типа для получения достаточно высокого / к с помощью постоянного магнитного поля искривляются и удли­ няются траектории электронов, благодаря чему повышается вероят­ ность их столкновения с молекулами газа. В представленной на рис. 94, б схеме такого датчика анод выполнен в виде кольца, распо­ ложенного внутри коробчатого катода. Магнитное поле направлено по оси кольца, что заставляет электроны двигаться по спиральным траекториям. При чувствительности датчика до 0,5А-Па-1 пределы измерения составляли 10“6— 10 Па [3].

5. Передача давления к приемным преобразователям

При изучении движения жидкости важное значение имеют понятия статического и полного давления. Статическое давление р 0 в невозмущенном потоке определяется как давление, которое дей­ ствовало бы на стенку тела, движущегося вместе с потоком, или на неподвижную стенку, расположенную параллельно вектору ско­ рости потока да. Под полным давлением понимается давление адиаба­ тически заторможенного потока, или давление, которое испытывает плоское тело, расположенное перпендикулярно вектору скорости потока.

Статическое давление обычно измеряется либо через отверстие на стенке канала, либо с помощью введенных в поток заборных устройств — насадков. Характеристикой приемника статического давления является экспериментально определяемая относительная погрешность

ником. При использовании отверстий в стенках канала следует иметь в виду, что наилучшие условия измерения статического дав­ ления невозмущенного потока имеют место при течении вдоль стенки с прямолинейными образующими, когда все линии тока прямые. В этом случае поперечные градиенты скорости не изменяют ста­ тического давления (если не учитывать возмущений, вызванных пограничным слоем). Наличие тонкого пограничного слоя в потоке газа с практически постоянным давлением поперек слоя не пре­ пятствует проникновению статического давления в приемные от­ верстия.

Практически ошибки, вызванные.кривизной линий тока, состав­ ляют ±(1—3) %. Приемные отверстия обычно выполняют диаметром d = 0,5 н-1,5 мм в зависимости от диаметра канала и от скорости .да. Отверстия d < 0 ,5 мм очень часто засоряются, a d > 1,5 мм дают ошибку, превышающую ±1% (рис. 95). На точность измерения р 0 также оказывает влияние качество выполнения формы отверстий: степень остроты кромки отверстия, угол наклона относительно пер­

280

пендикуляра к касательной поверхности канала; каждая состав­ ляющая таких погрешностей может доходить до ±(0,5— 1,0) %. На рис. 96 изображена схема заборного отверстия в стенке и даны рекомендации по выполнению основных размеров.

Если по сечению потока статическое давление не постоянно, то для его измерения в различных точках потока применяют насадки двух принципиально различных типов. Так как в передней части любого тела, помещенного в поток, линии тока всегда искривлены, то отверстия в насадках необходимо располагать в таких точках тела, где местное измеренное давление будет меньше всего отли­ чаться от статического.

йстм%

и п п п а дл вн ие п о т о м

Насадки первой группы имеют небольшую протяженность в на­ правлении потока. Их приемные отверстия располагаются в точках, где давление хотя и близко к статическому, но имеется значительный градиент вдоль поверхности насадки. Например, если насадок пред­ ставляет собой круглый цилиндр с осью, перпендикулярной потоку (рис. 97), то такие точки расположены под углом —30° к направлению потока (6СТw = 0). У таких насадков значения 6СТw и 8СТр зависят от чисел Re и М; кроме того, небольшие отклонения в положении приемных отверстий существенно изменяют 8СТ. Насадки первого типа в основном используются в тех случаях, когда определяющим фактором являются малые поперечные размеры.

Насадки второй группы имеют вытянутые в направлении потока формы. При движении вдоль насадка возмущенный поток успевает выровняться, линии тока становятся параллельными поверхности насадка и местное давление оказывается равным статическому дав­ лению набегающего потока. В этих зонах поверхности насадков и располагаются приемные отверстия. Из насадков второй группы наибольшее распространение получили Г-образные (типа приемника

281

Прандтля) и дисковые (рис. 98). Г-образные насадки выполняются с головками различной конфигурации; в потоках с малыми скоростями применяют сферическую головку, а в потоках с большими скоро-

8W

Рис. 97. Распределе­ ние давления на по­ верхности поперечно­ обтекаемого цилиндра

стями ■— либо оживальную, либо коническую. При соосном распо­ ложении такого насадка и потока, особенно на дозвуковых скоростях, получаются очень хорошие результаты измерения. Только при ско-

а — насадок Прандтля; б — дисковые насадки

ростях, приближающихся к местной скорости звука, ошибка измере­ ния возрастает настолько, что ограничивает их использование.

Большая длина Г-образных насадков необходима для исключе­ ния влияния державки на результаты измерения. Державка под­ тормаживает поток и вызывает местное повышение статического

282

давления впереди себя. Приемные отверстия следует располагать в том месте, где влияние головки и державки мало или взаимно ком­ пенсируется (рис. 99). Дисковые насадки имеют меньшую протя­ женность в направлении потока, но требуют для установки боль­

представляющие собой, по существу, трубку, один конец которой открыт и обращен навстречу набегающему потоку, а второй соединен с измерителем давления. Регистрируемое давление (за ис­ ключением случаев очень низкого давления в невозмущенном потоке) — это осредненная величина сил, действующих на единицу по­ верхности частиц жидкости, находящихся

в критической точке приемного устройства. В потоке идеальной жидкости, движущейся

сбольшими скоростями, давление торможе­ ния рт, статическое давление р 0 и число М невозмущенного потока связаны соотноше­ нием

где к = cp!cv— показатель изоэнтропы. При малых значениях М это уравнение прибли­ женно представляется в виде

Рт Ро + 4 - Р™2-

Действительное измеряемое давление торможения р несколько отличается от рг, поэтому последнее выражение для реальных жидкостей заменяется следующим равенством:

чений чисел Re приблизительно равен единице.

Рассмотрение условий геометрического и динамического подобия [80] позволяет установить общую связь между указанными давле­ ниями (как для дозвукового, так и для сверхзвукового потоков) в виде

=(Rer,M ,Pr,x>p,r1/r ,...)>

283

мерных параметров, характеризующих интенсивность турбулент­ ности, проскальзывание и другие особенности потока.

Наибольшее расхождение между р и ртв случае течения несжи­ маемой вязкой жидкости вызывается изменением числа Rer и формой приемника. Теоретически устанавливается вид зависимости коэф­ фициента с [в уравнении (IX.6)] в функции от Re,

R e - f с2 j / ’R e

где числовые значения сг и с2 зависят от г Jr и формы приемника. Типичный вид зависимости относительной ошибки

с ртопределяются экспериментально. После прохождения прямого скачка уплотнения газ тормозится до дозвуковой скорости и прием­ ник воспринимает давление, отличающееся от давления до скачка на величину потерь механической энергии в скачке. Для повышения точности измерения полного давления приемное отверстие делают значительно меньше наружного диаметра насадка (гх г), с тем чтобы отверстие полностью находилось за прямым скачком. Потери полного давления в скачках уплотнения при скоростях, не превы­ шающих скорость звука более чем на 25%, составляют менее 1%.

При проведении измерений точное направление потока обычно заранее не известно, поэтому необходимо уменьшать влияние угла р на величину относительной ошибки 6W. Чувствительность насадков полного давления к скосу потока меньше, чем у насадков стати­ ческого давления. Характерно, что увеличение диаметра приемного отверстия по сравнению с наружным диаметром и наличие внутрен­ ней фаски, снятой под углом 60—90°, способствует снижению чув­ ствительности насадка к углу скоса потока (рис. 101). При необхо­

284

димости измерений в условиях сильно скошенных потоков газов применяют насадки, у которых трубка полного давления находится внутри экрана, направляющего поток к приемному отверстию. Конструкция упрощенных миниатюрных экранированных насадков для измерения полного давления газового потока в турбомашинах

<5W,%

При исследовании решеток профилей, течений в пограничном слое вблизи стенки, потоков в турбомашинах и в ряде других слу-

Рис. 102. Миниатюрные экранированные насадки-приемники полного давления

чаев в исследуемых потоках возможно наличие областей, в которых имеется большой поперечный градиент полного давления. Обычно в этих условиях существует значительный градиент скорости попе­ рек приемного отверстия насадка. При этом эффективный центр полного давления смещается от геометрической оси канала трубки насадка в сторону зоны большей скорости. Величина смещения Д

285