Термоанемометрические измерения параметров газовых потоков
Покупка
Тематика:
Общая механика
Автор:
Арбеков Александр Николаевич
Под ред.:
Осипов Михаил Иванович
Год издания: 2009
Кол-во страниц: 32
Дополнительно
Вид издания:
Учебно-методическая литература
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
Артикул: 808674.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Методические указания содержат классификацию, описание принципа действия и особенностей термоанемометров, предназначенных для измерения скорости потока газа, и рекомендации по использованию термоанемометров ТТМ-2 для измерения скоростей газовых потоков в лабораторных работах по курсам «Механика жидкости и газа», «Газовая динамика лопаточных машин» и «Основы научных исследований».
Для студентов 3-5-го курсов факультета Э.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана А.Н. Арбеков ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ Методические указания к лабораторной работе Под редакцией М.И. Осипова Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 2009
УДК 532 ББК 22.253 A794 A794 Рецензент В.Н. Афанасьев Арбеков А.Н. Термоанемометрические измерения параметров газовых потоков : метод. указания / под ред. М.И. Осипова. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. – 32 с. : ил. Методические указания содержат классификацию, описание принципа действия и особенностей термоанемометров, предназначенных для измерения скорости потока газа, и рекомендации по использованию термоанемометров ТТМ-2 для измерения скоростей газовых потоков в лабораторных работах по курсам «Механика жидкости и газа», «Газовая динамика лопаточных машин» и «Основы научных исследований». Для студентов 3–5-го курсов факультета Э. УДК 532 ББК 22.253 c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009
ВВЕДЕНИЕ С развитием энергетического машиностроения и технологий, а также научных исследований в области газовой динамики и теплофизики потребовалось значительное расширение диапазонов измерения скоростей потоков. В последней четверти ХХ в. были разработаны новые и модернизированы устаревшие методы диагностики. Повышение производительности вычислительной техники существенно упростило обработку экспериментальных данных и сократило ее длительность, что позволило получать результаты в режиме реального времени. Методы диагностики течений широко используют в различных отраслях науки и техники. В энергетическом машиностроении им находят применение при изучении внешнего обтекания тел (гондолы двигателей, пилоны, воздухозаборники), внутренних канальных течений (межлопаточные каналы турбомашин, патрубки, сопла и диффузоры), систем тепловой защиты двигателей и генерации шума винтами и вентиляторами. Появился ряд новых методов диагностики газовых потоков, позволяющих получать информацию не только о средних значениях параметров потока, но и о пульсационной структуре турбулентного течения. В основе измерения скорости потока лежат различные физические принципы, но в любом случае — это косвенные измерения величин, имеющих функциональную связь со скоростью потока. Все средства измерения скорости можно разделить на контактные и бесконтактные. К первым относятся все виды зондов, вводимых в поток начиная с механического анемометра и заканчивая термоанемометрами. Бесконтактные методы связаны с использованием распространения, отражения, поглощения и рассеяния различных волн (световых, звуковых, инфра- и ультразвуковых). 3
Методы измерения классифицируют двумя способами. По принципу действия: • гидродинамические; • тепловые; • доплеровские; • интерференционные (теневые). По измеряемому параметру: • разность полного и статического давления в данной точке, измеряемая комбинированным насадком Пито — Прандтля, в основе работы которого лежит использование первого интеграла Бернулли от одномерного уравнения движения; • частота вращения ротора турбинки (крыльчатки) механического анемометра — преобразование кинетической энергии потока во вращательное движение ротора; • напряжение на нагреваемом элементе (ток, протекающий по нему) термоанемометрический метод (основан на связи теплового потока от обтекаемого тела в омывающую жидкость со скоростью потока); • изменение частоты колебаний сигнала, отраженного от движущегося объекта (лазерный и акустический доплеровские анемометры); • контрастность интерференционной картины (теневой прибор Тепплера). Представляют интерес оптические системы визуализации течения с одновременным измерением параметров потока (поля скоростей, температур, концентраций, размеров частиц), применение которых в работах МЭИ, СО РАН, ИВТ РАН позволили получить новую информацию о многофазных и реагирующих потоках. Известная датская фирма Dantec Dynamics производит компьютеризированные системы визуализации течений, основанные на следующих измерительных технологиях: • лазерная доплеровская анемометрия (Laser Doppler Anemo- metry — LDA); • измерение поля скоростей частиц (Particle Image Velocimet- ry — PIV); • анализ динамики частиц (Particle Dynamics Analysis — PDA). Все оптические методы построены на взаимодействии светового потока с текущей средой, имеющей оптически неоднородную 4
структуру. Поэтому при исследовании потоков газа требуется применение трассирующих частиц (капель жидкости, аэрозоля, дыма, твердых частиц), что приводит к изменению физических свойств потока. По-прежнему одной из лучших технологий для исследования структуры турбулентного течения низкотемпературных сред остается термоанемометрия, которую используют более 50 лет. В настоящее время оно находит широкое применение в производстве и транспорте для измерения средних параметров потока, например: измерение расхода в поршневых двигателях с впрыском легкого топлива; скорости ветра, воздуха и газов в помещениях и трубопроводах. Термоанемометр средней скорости потока может быть использован в лабораторных работах по курсам «Механика жидкости и газа» и «Газовая динамика лопаточных машин» наряду или вместо традиционного насадка Пито — Прандтля.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Термоанемометрия Термоанемометр представляет собой мост Уитстона (рис. 1), в одно из плеч которого включена нагреваемая нить 2, а в остальные — постоянные 1 и переменное 4 сопротивления, в диагонали моста включены источник постоянного тока 5 и вольтметр 3. Рис. 1. Принципиальная схема термоанемометра: 1 – постоянные сопротивления плеч моста; 2 – нить; 3 – вольтметр; 4 – переменное сопротивление; 5 – источник постоянного тока Принцип работы термоанемометра с нагретой нитью основан на охлаждении нагретого тела омывающей его жидкостью. Количество теплоты Q, отдаваемое телом, зависит от скорости потока w, температурного напора, определяемого разностью температуры нити Tн, потока жидкости Tж и физических свойств жидкости (теплопроводность, плотность, вязкость). Наиболее распространенным типом датчика является тонкая цилиндрическая проволока, 6
для которой соотношение между количеством отдаваемой теплоты Q и скоростью w потока, обтекающего проволоку по нормали, установил Л.В. Кинг в 1914 г.: Q = (Tн − Tж) Aнα = A + B√w, где Aн — поверхность проволоки и α — коэффициент теплоотдачи, которые введены в калибровочные постоянные A и B. Критериальную зависимость теплоотдачи представляют в виде Nu = A Pr0,2 +B Prm Ren. Количество теплоты, выделяемое в проволоке из-за протекания электрического тока, определяют по формуле Q = E2/Rн = I2Rн. Таким образом, сопротивление проволоки Rн зависит от ее температуры. Связь сопротивления с температурой, полученная разложением в ряд Тейлора в окрестности некоторой температуры T0, можно представить в виде Rн (Tн) ∼= Rн (T0) 1 + b (Tн − T0) + b′ (Tн − T0)2 + . . . . Пренебрегая членами второго порядка малости (для платины b = 3,5∙10−3 К−1; b′ = 5,5∙10−7 К−2) и принимая за характерную температуру температуру газа, выражение упрощают: Tн − Tж = Rн − Rж bRж . При значительных перегревах нити в качестве характерной температуры целесообразнее использовать «пленочную температуру», определяемую в форме T = Tн + Tж 2 . Подставляя связь температуры с сопротивлением проволоки в зависимость Кинга, получают формулу I2Rн Rн − Rж = A + B√w, которая определяет связь скорости газа с сопротивлением проволоки для анемометра постоянного тока и скорости газа и тока для тер- моанемометра постоянной температуры. Эту зависимость (рис. 2) устанавливают при предварительной тарировкe датчика и используют для измерения скорости. Соотношение между напряжением термоанемометрического моста (см. рис. 2) и скоростью потока может быть представлено 7
Рис. 2. Тарировочная зависимость термоанемометра по скорости в степенной или полиномиальной форме E2 = (Tн − Tж) A + +B√w0,5или w = C0 + C1E + C2E2 + C3E3 + C4E4 + C5E5. Относительная чувствительность термоанемометра к скорости (1/w)(dE/dw) остается постоянной в широком диапазоне скоро- стей. Калибровка в известных видах течений позволяет получить линеаризованную зависимость напряжения зонда от скорости. На показания термоанемометра существенное влияние оказы- вает его положение относительно направления вектора скорости. Чувствительность проволоки к скорости потока и направлению, ортогональному к проволоке, дает информацию об обоих этих па- раметрах. Показания термоанемометра практически не меняются, если изменение направления вектора скорости происходит в плоскости x0y, перпендикулярной оси нити (рис. 3). В связи с этим необходи- мо учесть вклад компоненты вектора скорости, параллельной оси нити. Если предположить, что теплоотдача определяется только нормальной компонентой вектора скорости, то имеет место ши- роко известный закон косинуса wэфф = w cos ϕ, который может применяться в диапазоне 0 ⩽ ϕ ⩽ 60◦ для бесконечно длинной нити. Для учета угла натекания потока на нить конечной длины пользуются зависимостями: wэфф = w cos2 ϕ + k2 sin2 ϕ — для 25◦ ⩽ ϕ ⩽ 60◦, причем k уменьшается от 0,2 (при l/D = 200) до 0 (при l/D = 600); 8
Рис. 3. Обтекание нити термоанемометра под углом wэфф = w 1 − k 1 − √cos ϕ 2 — для 0 ⩽ ϕ ⩽ 60◦, k ≈ 1 − −2600 (D/l)2. Так как точность расположения нити на державке выдержать трудно, датчики обычно тарируют по углу индивидуально. Уравнение расчета теплоотдачи нагретой нити потоку включа- ет температурный напор и изменение температуры потока (напри- мер, в неизотермическом пограничном слое), которое оказывает влияние на показания термоанемометра. На основании измерений установлено, что изменение температуры потока на 1 К приводит к погрешности аппроксимации скорости в 2 %. По этой причине перед линеаризацией необходимо скорректировать напряжение с учетом связи температуры перегрева во время тарировки и в про- цессе эксперимента с помощью формулы E = E Tн − Tж Tн − T , или E2 = A1(Tж) + B1 √w, причем коэффициент B1 не зависит от температуры газа, и при постоянном отношении Tн/Tж (Rн/Rж = const) наклон тариро- вочной кривой менее восприимчив к изменению температуры, чем длина отрезка, отсекаемого на оси ординат. Еще одним серьезным эффектом является теплоотвод от тонкой нити в массивные державки. Рассмотрим его в соответствии со схемой, представленной на рис. 4. 9
Рис. 4. Теплопередача от нити к державкам Так как державки значительно массивнее нити, можно пред- положить, что их температура Tдер практически равна температу- ре жидкости. Тепловой поток в жидкости прямо пропорционален разности местной температуры нити и температуры газа, поэтому можно записать дифференциальное уравнение для температуры нити как функции расстояния от центра нити вдоль ее оси: A d dz λн d (Tн − Tж) dz + I2Rн − f (w, Tн − Tж) = 0, при граничных условиях z = 0: d (Tн − Tж)/dz = 0; z = ±l/2; Tн = Tж. Решение уравнения имеет вид Tн − Tж T∞ − Tж = ch z√C0 ch l√C0 . Так как √С0 имеет размерность 1/м, полученное выражение можно переписать в виде Tн − Tж T∞ − Tж = 1 − ch (z/lC) ch [z/2lC), где lC = D 2 λнRн λаRж 1 Nu — длина части нити, имеющей температу- ру омывающего потока, т. е. «холодная длина». Графический вид решения для относительной длины нити l/D = 200 представлен на рис. 5. Приемлемое распределение температуры по нити (см. рис. 5) достигается только при отношении l/(2lС ) > 5, что для платиновой нити требует выполнения условия l/D ⩾ 200. 10
Доступ онлайн
В корзину