10.6. Измерение скорости воздушного потока

Скорость воздушного потока измеряется двумя методами — анемометрическим и пневмометрическим. Анемометрический ме­тод дает возможность непосредственно измерять скорость тече­ния, в то время как пневмометрический способ измеряет не скорость, а скоростной напор, соответствующий определяемой ско­рости.

Рабочим элементом анемометров, чашечных и крыльчатых вертушек являются чашечные и крыльчатые устройства, связан­ные механической системой со счетным механизмом.

Скорость потока в этом случае выражается через число обо­ротов п: V = ап + b, где а — постоянная прибора, зависящая от его конструкции и размеров; b — величина, характеризующая трение в передачах прибора и его инерциальные свойства. По­средством анемометров определяется средняя скорость потока в месте расположения крыльчатки прибора.

Для измерения мгновенных значений скорости течения воз­духа применяются термоанемометры. Принцип действия термо­анемометра основан на зависимости электросопротивления на­гретой электротоком проволочки от температуры. Нагретая элек­тротоком проволочка отдает свое тепло частицам движущегося воздуха, при этом сопротивление проволочки изменяется в зави­симости от скорости потока. Зависимость изменения сопротивле­ния проволочки от скорости потока устанавливается путем срав­нения результатов измерений с показаниями эталонных насад­ков для измерения скорости. Малая тепловая инерционность тер­моанемометров позволяет использовать их при измерении быст­ро изменяющихся скоростей турбулентных течений, при исследо­вании пограничного слоя и т. п. Преимуществом термоанемомет­ров является их высокая чувствительность и, особенно, повыше­ние чувствительности с уменьшением скорости потока. Термо-анемометры позволяют измерять также направление потока.

Наиболее распространенным и простым методом определения малых дозвуковых скоростей в экспериментальной практике является пневмометрический метод, основанный на измерении перепадов давлений воздушного потока. Теоретической основой этого метода является уравнение Бернулли, которое для несжи­маемого газа можно записать в виде (5.26): р₀ = р_∞+ V²_∞/2, откуда получаем (10. 1)

Следовательно, для определения скорости необходимо изме­рить разность полного р_о и статического р_∞ давлений воздушно­го потока и определить плотность движущегося газа. Для изме­рения разности давлений используется система «приемник воз­душного давления — измерительный прибор». Приемники воз­душного давления (ПВД) или пневмометры различны по кон­струкции, но принцип действия их одинаков.

В качестве приемника воздушного давления (ПВД) наиболь­шее распространение получил насадок или трубка Пито — Прандтля. В ней совмещены воедино насадок для измерения полного давления потока р₀ и насадок для измерения статичес­кого давления р_∞.

Рис. 10.16. Измерение статического, динамического и пол­ного напоров (схема трубки Пито — Прандтля): 1 — приемник статического напора; 2 — приемник полного напора

К онструктивное выполнение комбинированного насадка может быть самым разнообразным, но принципиальная схема его имеет вид, представленный на рис. 10.16. В точке А насадка происходит полное изэнтропическое торможение воздушного по­тока, поэтому давление будет равно р₀. Форма головной части насадка и отношение диаметра приемного отверстия к наружному диаметру насадка не влияют на измерение полного давления в широком диапазоне скоростей, но при этом ось насадка долж­на быть направлена параллельно вектору скорости потока. Это необходимо иметь в виду при проведении эксперимента, так как при углах скоса ε > 5° (угол между направлением вектора ско­рости потока и осью насадка) в измерениях появляются сущест­венные систематические погрешности (см. рис. 10.16).

Статическое давление потока передается внутрь трубки 1 через отверстие, которое сверлится перпендикулярно боковой поверхности головной части в точке В. Точка В выбирается на боковой поверхности головной части насадка таким образом, чтобы в ней не сказывались влияния носка и державки или что­бы эти влияния взаимно уничтожались. Опыт показал, что при емник статического давления должен располагаться на расстоя­нии L₁ = 3d от носика и L₂ = 8d от державки ПВД, где d—диаметр насадка. В этой точке имеет место компенсация влияния носика и державки.

При определении околозвуковых и сверхзвуковых скоро потока измерение полного и статического давлений производится двумя отдельными приемниками давления.

Полный напор в околозвуковых потоках измеряется приемни­ком воздушного давления, имеющим специальный кожух неболь­шой высоты для выравнивания давления на лобовой поверхности приемника. Применение специальных приемников давления для измерения статического давления при околозвуковых и сверх­звуковых скоростях вызвано необходимостью расположить от­верстия статического давления вне зоны влияния скачков уплот­нения.

Вопросы для повторения

1. Нарисуйте схемы дозвуковых и сверхзвуковых аэродина­мических труб и укажите их основные элементы.

2. Объясните принцип действия трубки Пито — Прандтля.

3. Объясните принцип получения аэродинамического спектра.

4. Нарисуйте схему прибора Теплера.

5. В чем заключается «запирание» аэродинамической трубы?

Задача

1. К трубке Пито, помещенной в дозвуковой поток воздуха, присоединены два

U-образных ртутных манометра. Разность уровней в первом манометре ∆h₁ = 355 мм, во втором ∆h₂ = 446 мм. Неподвижный термометр, омываемый потоком, пока­зывает 22° С. Найти скорость потока.

Решение: отношение давлений равно с другой стороны,

откуда и М=0,615

Скорость звука =\/1,4287,142950,93=333 м/с.

V=Ма=0,615333 = 205 м/с. Ответ: V=205 м/с.