Пневматический датчик трения

Полезная модель относится к области экспериментального определения напряжения трения в турбулентном пограничном слое с продольным градиентом давления. Существующие датчики трения не обеспечивают надежного измерения трения при наличии продольного градиента давления, поскольку в этом случае профиль скорости, который используется при определении трения, отклоняется от универсального, начиная с некоторого расстояния от стенки, что приводит к систематической погрешности измерения _w. Полезная модель представляет собой датчик трения, содержащий вертикальную цилиндрическую трубку статического давления, максимальная высота которой над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 /u, где =µ/ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, - плотность воздуха, - динамическая скорость, _w - напряжение трения на стенке. Это обеспечивает надежное измерение напряжения трения в турбулентном пограничном слое с продольным градиентом давления.

Полезная модель относится к области экспериментального определения напряжения трения на поверхности в турбулентном пограничном слое с продольным градиентом давления.

Аналогом предлагаемого устройства является пневматический датчик трения, называемый трубкой Престона (Чжен П. "Управление отрывом потока", М., "Мир", 1979, с.161). Этот датчик представляет собой цилиндрическую трубку полного давления с прямым торцом, лежащую на обтекаемой поверхности. Датчик позволяет определять напряжение трения _w на обтекаемой поверхности в турбулентном пограничном слое при отсутствии продольного градиента давления. В этих условиях измерение _w основано на использовании известного универсального характера распределения скорости u в области влияния стенки

где - динамическая скорость, y - расстояние от стенки, - плотность воздуха, µ и =µ/ - соответственно коэффициенты динамической и кинематической вязкости воздуха.

С помощью трубки Престона диаметром d величина напряжения трения _w определяется по измеренной разности p=(p₀-p_ст) между полным давлением p₀ и статическим давлением p_ст с использованием градуировочного соотношения вида

Однако при наличии продольного градиента давления профиль скорости отклоняется от универсального профиля (1), начиная с некоторого расстояния от стенки, что приводит к систематической погрешности измерения _w с использованием зависимости (2). При этом величина этой погрешности заранее неизвестна.

Наиболее близким к предлагаемому датчику является устройство, взятое за прототип, содержащее цилиндрическую вертикальную трубку статического давления с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, соединенную со штоком, который имеет вывод к датчику давления (см. "Способ определения параметров потока в пограничном слое". Авт. свид. 528780 с приоритетом от 14.01.1974 г., Бюлл. изобретений, 1978, 35). С помощью этого устройства величина _w в пограничном слое при отсутствии градиента давления определяется по разности давлений, измеренных в двух крайних положениях трубки статического давления, с использованием градуировочного соотношения вида (2), где вместо диаметра d фигурирует значение высоты h трубки над обтекаемой поверхностью. Преимущество этого устройства по сравнению с трубкой Престона состоит в том, что, во-первых, обе величины давления измеряются в одной и той же точке и, во-вторых, его показания не зависят от направления потока.

Однако применение этого устройства в потоке с продольным градиентом давления имеет тот же недостаток, что и трубка Престона, а именно, профиль скорости отклоняется от универсального профиля (1), начиная с некоторого расстояния от стенки, что приводит к систематической погрешности измерения _w с использованием зависимости вида (2).

Технический результат применения предлагаемого датчика трения состоит в том, что при наличии продольного градиента давления он обеспечивает достоверное измерение напряжения трения на стенке.

Технический результат достигается тем, что в пневматическом датчике трения для измерений в потоке с продольным градиентом давления, содержащем подвижную цилиндрическую трубку статического давления с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, максимальная высота h_max цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 /u, где =µ/ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, - плотность воздуха, - динамическая скорость, _w - напряжение трения на стенке, т.е. h _max10 /u.

На чертеже показана конструкция пневматического датчика трения. Цилиндрическая подвижная трубка 1 статического давления, с возможностью ее перемещения в два крайних положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, установлена перпендикулярно к обтекаемой поверхности 2. Максимальная высота h_max цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 /u, где =µ/ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, - плотность воздуха, - динамическая скорость, _w - напряжение трения на стенке, т.е. h _max10 /u.

Нижняя часть трубки через основание 3 соединена со штоком 4, который имеет вывод к датчику давления и соединен механически с приспособлением, обеспечивающим перемещение трубки 1 перпендикулярно к обтекаемой поверхности. Для герметичности устройства установлено уплотнение 5.

Устройство работает следующим образом. Величина напряжения трения _w определяется по разности p=p_ст-p' между статическим давлением p _ст, измеренным при утопленном положении трубки 1, когда верхний срез трубки установлен заподлицо с обтекаемой поверхностью, и давлением p', измеренным трубкой 1 в выдвинутом положении на высоту h, с использованием градуировочного соотношения

полученного для течения при отсутствии градиента давления в предположении существования универсального профиля скорости в пристеночной области турбулентного пограничного слоя.

Для определения максимального расстояния h от стенки, при котором сохраняется универсальный профиль скорости при наличии продольного градиента давления, были проведены специальные экспериментальные исследования профилей скорости в турбулентном пограничном слое в широком диапазоне изменения положительного и отрицательного градиентов давления. B результате этих опытов было установлено, что при наличии продольных градиентов давления профиль скорости в универсальных координатах сохраняет такую же форму, как и при отсутствии градиента давления, в том случае, если расстояние h от стенки удовлетворяет условию

.

В этом случае для определения _w в пограничном слое с градиентом давления может быть использовано градуировочное соотношение (3).

Пневматический датчик трения для измерений в потоке с продольным градиентом давления, содержащий подвижную цилиндрическую трубку статического давления с возможностью ее перемещения в два крайние положения - заподлицо со стенкой и на высоту h над обтекаемой поверхностью, отличающийся тем, что максимальная высота h _max цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 /u, где =µ/ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, - плотность воздуха, - динамическая скорость, _w - напряжение трения на стенке, т.е. h _max10 /u.