RU2237876C1

RU2237876C1 - Pressure pick-up

Info

Publication number: RU2237876C1
Application number: RU2003100410A
Authority: RU
Inventors: В.Г. Кравцов (RU); В.Г. Кравцов; тлов В.Н. Д (RU); В.Н. Дятлов; ев В.В. Лед (RU); В.В. Ледяев
Original assignee: Открытое акционерное общество "Аэроприбор-Восход"
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-10-10

Abstract

FIELD: measurement technology; measurement of parameters of flow of liquid and gaseous media of solid bodies, ships, aeroplanes relative fluid media.

SUBSTANCE: proposed device includes head and cylindrical parts. Head part is made in form of part of spheroid having central and peripheral intake openings which are located line of engagement of head and cylindrical parts.

EFFECT: enhanced sensitivity of pitot tube to downwash angles and velocity flow.

4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения параметров пространственного течения жидких и газообразных сред или для определения параметров движения твердых тел, судов, самолетов и т.п. относительно текучих сред.The invention relates to the field of measurement technology and can be used to measure the spatial flow of liquid and gaseous media or to determine the motion parameters of solids, ships, aircraft, etc. relative to fluids.

Известен цилиндрический приемник давлений, предназначенный для измерения величины и направления скорости двухмерных газовых потоков при числах Маха М<0.6 [1]. Приемник выполнен в виде цилиндрической трубки, на поверхности которой в плоскости поперечного сечения расположены приемные отверстия: центральное - для измерения полного давления и два периферийных для измерения давлений, используемых для определения угла скоса потока. Приемник обладает наибольшей (из известных приемников) чувствительностью к величине скоростного напора (измерение скорости) и к углу скоса потока (измерение направления скорости), что связано с наибольшим перепадом давлений, возникающим между центральным и периферийными приемными отверстиями.Known cylindrical pressure receiver, designed to measure the magnitude and direction of velocity of two-dimensional gas flows at Mach numbers M <0.6 [1]. The receiver is made in the form of a cylindrical tube, on the surface of which in the plane of the cross section there are receiving openings: a central one for measuring the total pressure and two peripheral ones for measuring the pressures used to determine the angle of the bevel of the flow. The receiver has the greatest (of known receivers) sensitivity to the value of the velocity head (speed measurement) and to the angle of the bevel of the flow (measurement of the direction of speed), which is associated with the largest pressure drop that occurs between the central and peripheral receiving holes.

Недостатком приемника является то, что он может быть использован для измерений только в плоских потоках жидкости или газа.The disadvantage of the receiver is that it can be used for measurements only in plane flows of liquid or gas.

Технический результат изобретения заключается в повышении чувствительности приемников давлений к углам скоса потока и к величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the pressure receivers to the angles of the bevel flow and the magnitude of the pressure head, as well as to increase the accuracy of measuring pressure in the flow of liquid or gas.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в том, что при использовании цилиндрического приемника в пространственных потоках возникают методические погрешности измерений величины и направления скорости, связанные с влиянием на измерения трехмерного характера обтекания приемника.The reason that prevents obtaining the required technical result in a known technical solution is that when using a cylindrical receiver in spatial streams, methodological errors in measuring the magnitude and direction of velocity arise due to the influence on the measurements of the three-dimensional nature of the flow around the receiver.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является шестиствольный насадок ЦАГИ, представляющий собой цилиндрическую трубку с головной частью полусферической формы [2] - прототип, предназначенный для измерения величины и направления скорости пространственных потоков газа, а также для измерения статического давления в потоке. На головной части приемника расположены приемные отверстия, одно из которых - центральное служит для измерения полного давления, а периферийные, расположенные попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, предназначены для измерения давлений, используемых для определения углов скоса потока. На цилиндрической части приемника расположены приемные отверстия для измерения статического давления.Closest to the invention in terms of essential features is the TsAGI six-barrel nozzle, which is a cylindrical tube with a hemispherical head [2] - a prototype designed to measure the magnitude and direction of the velocity of spatial gas flows, as well as to measure the static pressure in the stream. On the head of the receiver there are receiving openings, one of which is the central one for measuring the total pressure, and the peripheral ones, arranged in pairs in mutually perpendicular planes, are used to measure the pressures used to determine the angles of the flow. On the cylindrical part of the receiver are receiving holes for measuring static pressure.

Недостатком приемника, как и всех известных приемников давлений пространственного потока, является его низкая чувствительность к углам скоса и величине скоростного напора, проявляющаяся при измерениях в потоках малых дозвуковых скоростей (числа Маха М<0.3), увеличение погрешностей измерения давлений. Недостаточная чувствительность к измеряемым параметрам связана с небольшими перепадами давлений, возникающими на поверхности приемника при малых дозвуковых скоростях.The disadvantage of the receiver, as well as of all known receivers of pressure of the spatial flow, is its low sensitivity to bevel angles and the value of the velocity head, which manifests itself when measuring in flows of small subsonic speeds (Mach number M <0.3), an increase in the errors of pressure measurement. Insufficient sensitivity to the measured parameters is associated with small pressure drops that occur on the surface of the receiver at low subsonic speeds.

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении требуемого технического результата, заключается в отсутствии теоретических методов синтеза приемников давлений, позволяющих получать у них требуемые метрологические характеристики за счет обеспечения заданной чувствительности.The reason that prevents obtaining the required technical result in a known technical solution is the lack of theoretical methods for the synthesis of pressure receivers that allow them to obtain the required metrological characteristics by providing a given sensitivity.

Изобретение направлено на решение задачи синтеза оптимальной, с точки зрения чувствительности к измеряемым параметрам и точности измерения давлений, поверхности приемников давлений, используемых в дозвуковых потоках газа и в потоках несжимаемой жидкости.The invention is aimed at solving the synthesis problem that is optimal in terms of sensitivity to measured parameters and accuracy of pressure measurements, the surface of pressure receivers used in subsonic gas flows and in incompressible fluid flows.

Технический результат заключается в повышении чувствительности приемника к углам скоса потока и величине скоростного напора, а также в повышении точности измерения давлений в потоке жидкости или газа за счет увеличения перепадов давлений, действующих на поверхности приемника.The technical result consists in increasing the sensitivity of the receiver to the angles of the flow and the magnitude of the pressure head, as well as in increasing the accuracy of measuring pressure in the liquid or gas stream by increasing the pressure drops acting on the surface of the receiver.

Технический результат достигается тем, что в известном приемнике давлений, представляющем собой тело вращения, имеющее головную часть и цилиндрическую части, при этом на поверхности головной части расположены центральное приемное отверстие и периферийные приемные отверстия, предназначенные для измерения давлений, используемых при определении направления и величины скорости потока жидкости или газа, а на поверхности цилиндрической части расположены приемные отверстия для измерения статического давления, головная часть приемника имеет форму части сфероида, меньшая полуось которого совмещена с осью симметрии тела вращения, а периферийные приемные отверстия расположены перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.The technical result is achieved by the fact that in the known pressure receiver, which is a body of revolution, having a head part and a cylindrical part, while on the surface of the head part there is a central receiving hole and peripheral receiving holes for measuring pressure used to determine the direction and magnitude of the speed liquid or gas flow, and on the surface of the cylindrical part there are receiving holes for measuring static pressure, the head part of the receiver the shape of the part of the spheroid, the smaller semiaxis of which is aligned with the axis of rotation symmetry of the body, and the peripheral receiving openings located in front of the line coupling head portion of the cylindrical portion of the receiver.

На фиг.1 изображен общий вид приемника давлений.Figure 1 shows a General view of the pressure receiver.

На фиг.2 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности шестиствольного насадка ЦАГИ (прототип).Figure 2 shows the graphs of the distribution of gas-dynamic parameters on the surface of the TsAGI six-barrel nozzle (prototype).

На фиг.3 приведены графики распределения газодинамических параметров по поверхности заявляемого приемника давлений.Figure 3 shows graphs of the distribution of gas-dynamic parameters on the surface of the inventive pressure receiver.

На фиг.4 приведены угловые характеристики прототипа и заявляемого устройства.Figure 4 shows the angular characteristics of the prototype and the claimed device.

На фиг.1 изображен заявляемый приемник давлений, представляющий собой тело вращения, образующая которого представлена кривой 1, с головной частью 2, имеющей форму части сфероида, на которой попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях перед линией сопряжения 3 головной части с цилиндрической частью приемника размещены приемные отверстия 4-7, предназначенные для измерения углов скоса потока и величины скорости, на головной части приемника находится центральное отверстие 8 для измерения полного давления, на цилиндрической части для измерения статического давления расположены приемные отверстия 9.Figure 1 shows the inventive pressure receiver, which is a rotation body, the generatrix of which is represented by curve 1, with the head part 2 having the shape of a spheroid part, on which receiving holes are placed in pairs in mutually perpendicular planes in front of the interface line 3 of the head part with the cylindrical part of the receiver 4-7, designed to measure the angles of the flow and velocity, on the head of the receiver there is a central hole 8 for measuring the total pressure, on the cylindrical part for measuring For static pressure receiving holes 9 are located.

На фиг.2 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей Vτ скорости жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник имеет форму шестиствольного насадка ЦАГИ с безразмерным значением радиуса образующей

(L - длина приемника давлений). График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности

приемника к углу скоса α в зависимости от значения безразмерной продольной координаты

График 4 показывает распределение коэффициента давления С_р по поверхности приемника.Figure 2 shows a graph 1 of the distribution of the dimensionless tangential component Vτ of the velocity of a liquid or gas over the surface of a pressure receiver, the generatrix of which is represented by curve 2, with its longitudinal flow. The receiver has the shape of a TsAGI six-barrel nozzle with a dimensionless value of the radius of the generatrix

(L is the length of the pressure receiver). Graph 3 corresponds to the distribution of the sensitivity coefficient

the receiver to the bevel angle α depending on the value of the dimensionless longitudinal coordinate

Graph 4 shows the distribution of the pressure coefficient C _p over the surface of the receiver.

На фиг.3 приведен график 1 распределения безразмерной тангенциальной составляющей скорости Vτ жидкости или газа по поверхности приемника давлений, образующая которого представлена кривой 2, при его продольном обтекании. Приемник представляет собой тело вращения, имеющее головную и цилиндрическую части, причем головная часть имеет форму части сфероида. График 3 соответствует распределению коэффициента чувствительности S приемника к углу скоса потока в зависимости от продольной координаты

. График 4 соответствует распределению коэффициента давления С_р по поверхности приемника.Figure 3 shows a graph 1 of the distribution of the dimensionless tangential component of the velocity Vτ of the liquid or gas over the surface of the pressure receiver, the generatrix of which is represented by curve 2, with its longitudinal flow. The receiver is a body of revolution having a head and a cylindrical part, the head part having the shape of a spheroid part. Graph 3 corresponds to the distribution of the sensitivity coefficient S of the receiver to the angle of the bevel of the flow depending on the longitudinal coordinate

. Graph 4 corresponds to the distribution of the pressure coefficient C _p over the surface of the receiver.

На фиг.4 для числа Маха М=0,2 приведены угловые характеристики

шестиствольного насадка ЦАГИ - график 2 и заявляемого приемника давлений, изображенного на фиг.1, - график 1. Здесь Р_i, Р_j - давления в двух приемных отверстиях, расположенных на головной части приемников симметрично относительно продольной оси,

- скоростной напор в невозмущенном потоке; υ∞ - скорость невозмущенного потока.Figure 4 for the Mach number M = 0.2 shows the angular characteristics

TsAGI six-barrel nozzle - graph 2 and the inventive pressure receiver, shown in figure 1, graph 1. Here P _i , P _j - pressure in two receiving holes located on the head of the receivers symmetrically with respect to the longitudinal axis,

- velocity head in an undisturbed flow; υ∞ is the velocity of the unperturbed flow.

Графики на фиг.2, 3 получены с помощью выполненного на ЭВМ численного расчета обтекания приемников давлений потоком несжимаемой жидкости [3]. В случае обтекания тел потоком газа полученные результаты могут быть использованы вплоть до чисел Маха М=0,4, когда сжимаемостью газа еще можно пренебречь.The graphs in figure 2, 3 are obtained using a computer performed numerical calculation of the flow of pressure receivers around an incompressible fluid [3]. In the case of a stream of gas flowing around the bodies, the results obtained can be used up to the Mach numbers M = 0.4, when the compressibility of the gas can still be neglected.

Приемник давлений работает следующим образом. Допустим, что обтекание приемника продольное и определяется величина скорости пространственного потока. Обычно для нахождения величины скорости используют следующую зависимость (см. [1], с.123), носящую название скоростной характеристики:The pressure receiver operates as follows. Assume that the flow around the receiver is longitudinal and the spatial velocity is determined. Typically, to find the magnitude of the speed, the following dependence is used (see [1], p.123), which is called the speed characteristic:

где индексы у давлений Р соответствуют номерам приемных отверстий заявляемого устройства (фиг.1). Здесь вместо отверстия 7 могут быть использованы отверстия 4, 5 или 6.where the indices at the pressures P correspond to the numbers of the receiving holes of the inventive device (figure 1). Here, instead of hole 7, holes 4, 5 or 6 can be used.

Рассмотрим два приемника давлений: шестиствольный насадок ЦАГИ и приемник, полностью ему идентичный, за исключением того, что головная часть приемника имеет форму части сфероида (сжатой сферы). Тогда, как это следует из фиг.3, при обтекании приемника потоком жидкости или газа в области носовой части там, где находятся периферийные приемные отверстия, происходит дополнительный по сравнению с прототипом (фиг.2) разгон потока, что иллюстрируется графиком 1 для величины безразмерной тангенциальной составляющей скорости жидкости Vτ, которая возрастает и достигает в точках расположения приемных отверстий 4-7 своего максимального значения. Увеличение Vτ в соответствии с уравнением Бернулли сопровождается уменьшением давлений, действующих в приемных отверстиях (см. график 4 на фиг.3 и график 4 на фиг.2), что приводит к увеличению разности (перепада) давлений между центральным приемным отверстием 8 и периферийными 4-7. Этот эффект вызывает увеличение коэффициента чувствительности

(для линейной скоростной характеристики) заявляемого приемника к величине скоростного напора. Нетрудно видеть, что при увеличении разности давлений между центральным и периферийными приемными отверстиями чувствительность приемника к величине скоростного напора будет возрастать.Consider two pressure receivers: the TsAGI six-barrel nozzle and a receiver completely identical to it, except that the head of the receiver has the shape of a spheroid (compressed sphere). Then, as it follows from figure 3, when the stream flows around the receiver with a liquid or gas in the area of the bow where the peripheral receiving holes are located, an additional acceleration of the stream occurs compared to the prototype (figure 2), which is illustrated by graph 1 for the dimensionless the tangential component of the fluid velocity Vτ, which increases and reaches its maximum value at the points of the receiving holes 4-7. An increase in Vτ in accordance with the Bernoulli equation is accompanied by a decrease in the pressures acting in the inlet openings (see graph 4 in FIG. 3 and graph 4 in FIG. 2), which leads to an increase in the pressure difference (differential) between the central inlet 8 and peripheral 4 -7. This effect causes an increase in the sensitivity coefficient.

(for linear velocity characteristics) of the inventive receiver to the value of the velocity head. It is easy to see that with an increase in the pressure difference between the central and peripheral receiving holes, the sensitivity of the receiver to the value of the velocity head will increase.

Увеличение точности измерений с помощью заявляемого приемника происходит из-за уменьшения величины относительной погрешности измерения давлений. Относительную погрешность можно найти из выражения

где Р* - измеренное приближенное значение разности давлений, откуда непосредственно следует, что при использовании метрологически идентичных датчиков, имеющих одинаковую абсолютную погрешность измерений Δ(P*), точность измерения давлений у заявляемого приемника будет выше, т.к. достигнутое значение перепада давлений P*=P₈-P₇ для него больше, чем для прототипа.Increasing the accuracy of measurements using the inventive receiver is due to a decrease in the relative error of the measurement of pressure. Relative error can be found from the expression

where P * is the measured approximate value of the pressure difference, which directly implies that when using metrologically identical sensors having the same absolute measurement error Δ (P *), the accuracy of the pressure measurement of the inventive receiver will be higher, because the achieved value of the pressure drop P * = P ₈ -P ₇ for him more than for the prototype.

Рассмотрим измерение направления потока газа с помощью заявляемого приемника давлений. Обычно для измерения направления пространственного потока используют четыре приемных отверстия, расположенных попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, формируя разности давлений отдельно между двумя приемными отверстиями, расположенными симметрично относительно продольной оси приемника. Для получения угловых характеристик, не зависящих от числа Маха, дополнительно используют давление, измеренное в центральном приемном отверстии. В общем случае угловая характеристика (без использования центрального приемного отверстия) может быть представлена в виде

, а выражение для коэффициента угловой чувствительности -

Consider measuring the direction of gas flow using the inventive pressure receiver. Usually, four inlet openings are used to measure the direction of the spatial flow, arranged in pairs in mutually perpendicular planes, forming pressure differences separately between two inlet openings located symmetrically with respect to the longitudinal axis of the receiver. To obtain angular characteristics independent of the Mach number, the pressure measured at the central inlet is additionally used. In the general case, the angular characteristic (without using the central receiving hole) can be represented as

, and the expression for the coefficient of angular sensitivity is

На фиг.4 представлены угловые характеристики прототипа - график 2 и заявляемого приемника - график 1, полученные для числа Маха М=0,2. При этом отношение большей полуоси сфероида к меньшей равно четырем, что приводит к увеличению коэффициента угловой чувствительности почти в 3 раза (см. график 3 на фиг.3 и график 3 на фиг.2). Дополнительное увеличение отношения большей полуоси сфероида к меньшей будет приводить к дальнейшему увеличению коэффициента угловой чувствительности.Figure 4 presents the angular characteristics of the prototype - graph 2 and the inventive receiver - graph 1, obtained for the Mach number M = 0.2. The ratio of the major semi-axis of the spheroid to the smaller is four, which leads to an increase in the coefficient of angular sensitivity by almost 3 times (see graph 3 in Fig. 3 and graph 3 in Fig. 2). An additional increase in the ratio of the major semi-axis of the spheroid to the smaller will lead to a further increase in the coefficient of angular sensitivity.

При одном и том же значении угла скоса потока у заявляемого устройства величина разности давлений Р_i-P_j больше, чем у прототипа, что по аналогии с измерением скорости приводит к более высокой чувствительности приемника к углам скоса потока (см. фиг.4, чувствительность к углу скоса - тангенс угла наклона касательной к угловой характеристике) и вследствие этого к более высокой точности измерения соответствующих давлений за счет уменьшения величины относительной погрешности.With the same bevel angle of the inventive device, the pressure difference P _i -P _{j is} greater than that of the prototype, which, by analogy with the velocity measurement, leads to a higher sensitivity of the receiver to the bevel angles (see Fig. 4, sensitivity to the bevel angle - the tangent of the angle of inclination of the tangent to the angular characteristic) and, as a result, to higher accuracy of measuring the corresponding pressures by reducing the relative error.

Повышение чувствительности приемников давлений к углам скоса потока за счет более быстрого увеличения радиуса образующей головной части известно [4]. Но достигаемое за счет этого увеличение коэффициента угловой чувствительности значительно меньше, чем для заявляемого приемника, у которого при увеличении отношения большей полуоси сфероида к меньшей наблюдается увеличение кривизны образующей. В месте наибольшей кривизны образующей и следует размещать приемные отверстия, т.к. именно в данном месте коэффициенты чувствительности приемника максимальны, максимальна и точность измерения давлений. При изменении отношения полуосей сфероида координаты точки с максимальной кривизной образующей будут изменяться, но расположена данная точка будет всегда перед линией сопряжения головной части с цилиндрической частью приемника.An increase in the sensitivity of pressure receivers to bevel angles due to a more rapid increase in the radius of the generatrix of the warhead is known [4]. But achieved due to this increase in the coefficient of angular sensitivity is much less than for the inventive receiver, in which, with an increase in the ratio of the major semi-axis of the spheroid to the smaller, an increase in the curvature of the generatrix is observed. In the place of the greatest curvature of the generatrix, reception holes should be placed, because It is in this place that the receiver sensitivity coefficients are maximum, and the accuracy of pressure measurement is maximum. With a change in the ratio of the semi-axes of the spheroid, the coordinates of the point with the maximum curvature of the generatrix will change, but this point will always be located in front of the line connecting the head part with the cylindrical part of the receiver.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИSOURCES OF INFORMATION

1. Петунин А.Н. Методы и техника измерений параметров газового потока (приемники давлений и скоростного напора). М:. Машиностроение. 1972. С.88.1. Petunin A.N. Methods and techniques for measuring gas flow parameters (pressure and velocity heads). M :. Engineering. 1972. S. 88.

2. Бедржицкий Е.Л., Егоршев А.В. и др. Аэродинамические и прочностные испытания самолетов. М:. Машиностроение. 1992. С.159.2. Bedrzhitsky E.L., Egorshev A.V. and others. Aerodynamic and strength tests of aircraft. M :. Engineering. 1992. S. 159.

3. Маслов Л.А., Левшина З.Г. Программа расчета распределения давлений и турбулентного пограничного слоя на теле вращения под углом атаки. Отчет ЦАГИ №9270. 1976.3. Maslov L.A., Levshina Z.G. A program for calculating the distribution of pressures and a turbulent boundary layer on a body of revolution at an angle of attack. TsAGI report No. 9270. 1976.

4. Nordstrom J. Wind Tunnel Calibration of a Hemispherical Head Angle of Attack and Angle of Sideslip Indicator // FFA. TN. 1984-11.4. Nordstrom J. Wind Tunnel Calibration of a Hemispherical Head Angle of Attack and Angle of Sideslip Indicator // FFA. TN. 1984-11.

Claims

A pressure receiver, which is a body of revolution, having a head and a cylindrical part, while on the surface of the head part there are a Central receiving hole and peripheral receiving holes designed to measure the pressure used to determine the direction and magnitude of the flow rate of the liquid or gas, and on the surface of the cylindrical part there are receiving holes for measuring static pressure, characterized in that the head part of the receiver has the shape of a part of a spheroid, a smaller axis cerned aligned with the axis of rotation symmetry of the body, and the peripheral receiving openings located in front of the line coupling head portion of the cylindrical portion of the receiver.