Определение скорости воздушного потока

1. Цель работы

Ознакомление с методами определения скорости воздушного потока в аэродинамической дозвуковой трубе.

2. Приборы и оборудование для аэродинамических экспериментов

Теория и эксперимент в аэродинамике неразрывно связаны. Аэродинамические трубы (АДТ) — это устройства, позволяющие моделировать условия обтекания тел газовым потоком. Помещая в поток исследуемое тело, можно определить действующие на него аэродинамические нагрузки, тепловые потоки от нагретого газа к поверхности и воспроизвести картину обтекания.

В зависимости от вида эксперимента и условий обтекания, АДТ подразделяются на несколько типов. Основными характеристиками труб являются размеры рабочей части и максимальная скорость потока в ней.

Устройство аэродинамической трубы

Рассмотрим устройство аэродинамической трубы на примере дозвуковой трубы замкнутого контура с открытой рабочей частью (рис. 2).

Воздух в трубе приводится в движение вентилятором (9). По обводному каналу (10) он попадает в форкамеру (1), в начале которой установлен хонейкомб (2), представляющий собой решетку ячеистой (сотовой) структуры с тонкими стенками ячеек. Хонейкомб выравнивает поток, разбивая крупные вихри. Затем устанавливается турбулизирующая сетка (3), которая уменьшает турбулентность потока в рабочей части (7).

Сопло (4) разгоняет воздушный поток на входе его в рабочую часть (7) до расчетной скорости (в соответствии с уравнением неразрывности, при уменьшении площади сечения увеличивается скорость потока). В рабочей части трубы располагается изучаемая модель, а также устройства для ее крепления. После прохождения рабочей части воздушный поток попадает в диффузор (6), где он расширяется и тормозится.

Регистрирующие устройства

Для проведения экспериментов в аэродинамических трубах нужны различные регистрирующие устройства: анемометры, манометры, приемники воздушного давления и др.

Чашечные анемометры позволяют измерять скорость потока от 1 до 50 м/с. Приемным элементом прибора является полусферическая чашечка, закрепленная на оси и вращающаяся за счет возникновения аэродинамических сил при движении воздуха. Недостатком прибора является то, что с его помощью невозможно точно измерить скорость потока в данной точке.

Приемник воздушного давления (ПВД) воспринимает давление газового потока и передает его на чувствительные элементы измерительных устройств. В данной лабораторной работе будет использоваться комбинированный насадок для определения полного и статического давления, называемый трубкой Пито-Прандтля (рис. 3).

Трубка Пито-Прандтля

На рис. 3 приведена схема комбинированного насадка, который называется приемник полного давления (ППД) или трубка Пито-Прандтля. По своей конструкции он представляет собой две концентрические трубки, вставленные одна в другую. Отверстие (1) служит для приема полного давления p₀, отверстие (4) — для приема статического давления p_s. Точность определения статического давления зависит, кроме всего прочего, от угла атаки α (это угол между направлением вектора скорости набегающего потока и осью симметрии ПВД).

К размерам ПВД предъявляется ряд требований: с одной стороны, ПВД не должен вносить в поток существенных возмущений, поэтому он должен быть достаточно мал, с другой стороны, уменьшение размеров ПВД приведет к уменьшению отверстий для приема давления, что увеличит инерционность насадка.

Микроманометр

Для того чтобы определить величину давления, воспринимаемую ПВД, нужно насадок соединить с прибором, измеряющим давление жидкостей или газов. Такие приборы называются манометрами. Манометр, измеряющий разность или перепад давлений, называется дифференциальным (рис. 4). Он представляет собой U-образную трубку, заполненную жидкостью. Подводя от ПВД к левому колену манометра давление p₀, а к правому — давление p_s, при включении потока получим некую разность в высоте столбов жидкости в коленах манометра. Если эту разность h умножить на удельный вес жидкости в манометре, то получим величину разности давлений p₀ — p_s, не зная их абсолютных величин.

Расчетные формулы

Согласно уравнению Бернулли известно, что полное давление потока складывается из статического и динамического давлений, то есть: p₀ = p_s + p_дин.

Уравнение равновесия столба жидкости в манометре: p₀ — p_s = γh, где h — высота столба жидкости в измерительной трубке, измеренная от начального положения; γ — удельный вес жидкости в микроманометре.

Величину h можно определить по шкале измерительной трубки с учетом ее наклона: h = h_изм · sin(φ), где φ — угол наклона измерительной трубки.

Подставляя выражения для h и Δh в уравнение равновесия сил, получим рабочую формулу для определения скорости потока:

v = k · sqrt(h), где k — коэффициент, учитывающий плотность воздуха и параметры прибора.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с конструкцией и принципами работы аэродинамической трубы, приемника воздушного давления и микроманометра.
2. Ознакомиться со схемой лабораторной установки.
3. Замерить барометрическое давление и температуру воздуха в лаборатории.
4. Установить микроманометр с помощью микрометрических винтов в горизонтальное положение, выставив уровень жидкости в трубе на нулевую отметку.
5. В случае необходимости записать нулевой отсчет микроманометра.
6. Запустить аэродинамическую трубу.
7. Произвести соответствующие измерения, меняя угол атаки α. Результаты измерений занести в таблицу.

Обработка результатов

Произвести следующие вычисления:

1. Вычислить плотность воздуха.
2. Вычислить константу k.
3. Вычислить скорость потока и относительную погрешность скорости для каждого угла атаки α.

Построить графики зависимостей v = f(α), Δv = f(α). Определить диапазон углов атаки, обеспечивающих удовлетворительную погрешность измерения скорости. Сделать вывод о точности пневмометрического метода измерения скорости.