RU95834U1

RU95834U1 - PNEUMATIC FRICTION SENSOR

Info

Publication number: RU95834U1
Application number: RU2009146873/22U
Authority: RU
Inventors: Юрий Павлович Соседко; Евгений Устинович Репик
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2010-07-10

Abstract

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 hmax цилиндрической трубки статического давления над обтекаемой поверхностью не превышает величины 10 ν/uτ, где ν=µ/ρ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ρ - плотность воздуха, - динамическая скорость, τw - напряжение трения на стенке, т.е. hmax≤10 ν/uτ. Pneumatic friction sensor for flow measurements with a longitudinal pressure gradient, comprising a movable cylindrical static pressure tube with the ability to move it to two extreme positions - flush with the wall and to a height h above the streamlined surface, characterized in that the maximum height hmax of the cylindrical static pressure tube above the streamlined surface does not exceed 10 ν / uτ, where ν = µ / ρ is the coefficient of dynamic viscosity of air, µ is the coefficient of kinematic viscosity of air, ρ is the density of air - dynamic velocity, τw - shear stress at the wall, i.e., hmax≤10 ν / uτ.

Description

Полезная модель относится к области экспериментального определения напряжения трения на поверхности в турбулентном пограничном слое с продольным градиентом давления.The utility model relates to the field of experimental determination of friction stress on a surface in a turbulent boundary layer with a longitudinal pressure gradient.

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 τ_w на обтекаемой поверхности в турбулентном пограничном слое при отсутствии продольного градиента давления. В этих условиях измерение τ_w основано на использовании известного универсального характера распределения скорости u в области влияния стенкиAn analogue of the proposed device is a pneumatic friction sensor, called the Preston tube (Zheng P. "Control flow separation", M., "Mir", 1979, p. 161). This sensor is a cylindrical tube of full pressure with a straight end, lying on a streamlined surface. The sensor allows you to determine the friction stress τ _w on a streamlined surface in a turbulent boundary layer in the absence of a longitudinal pressure gradient. Under these conditions, the measurement of τ _{w is} based on the use of the well-known universal nature of the velocity distribution u in the region of influence of the wall

где - динамическая скорость, y - расстояние от стенки, ρ - плотность воздуха, µ и ν=µ/ρ - соответственно коэффициенты динамической и кинематической вязкости воздуха.Where is the dynamic velocity, y is the distance from the wall, ρ is the air density, μ and ν = μ / ρ are the coefficients of dynamic and kinematic viscosity of air, respectively.

С помощью трубки Престона диаметром d величина напряжения трения τ_w определяется по измеренной разности Δp=(p₀-p_ст) между полным давлением p₀ и статическим давлением p_ст с использованием градуировочного соотношения видаUsing a Preston tube with a diameter d, the value of the friction stress τ _w is determined from the measured difference Δp = (p ₀ -p _st ) between the total pressure p ₀ and the static pressure p _st using a calibration relation of the form

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 τ_w с использованием зависимости (2). При этом величина этой погрешности заранее неизвестна.However, in the presence of a longitudinal pressure gradient, the velocity profile deviates from the universal profile (1), starting from a certain distance from the wall, which leads to a systematic measurement error τ _w using dependence (2). Moreover, the magnitude of this error is not known in advance.

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 τ_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.Closest to the proposed sensor is a device taken as a prototype, containing a cylindrical vertical static pressure tube with the ability to move it to two extreme positions - flush with the wall and to a height h above the streamlined surface, connected to a rod that has an output to the pressure sensor (see . "The method of determining the flow parameters in the boundary layer." Auth. Certificate No. 528780 with priority of 01/14/1974, Bull. Inventions, 1978, No. 35). Using this device, the value of τ _w in the boundary layer in the absence of a pressure gradient is determined from the pressure difference measured in the two extreme positions of the static pressure tube using the calibration relation of the form (2), where instead of the diameter d the value of the tube height h above the streamlined surface appears. The advantage of this device compared to the Preston tube is that, firstly, both pressure values are measured at the same point and, secondly, its readings are independent of the direction of flow.

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 τ_w с использованием зависимости вида (2).However, the use of this device in a stream with a longitudinal pressure gradient has the same drawback as the Preston tube, namely, the velocity profile deviates from the universal profile (1), starting from a certain distance from the wall, which leads to a systematic measurement error τ _w using dependencies of the form (2).

Технический результат применения предлагаемого датчика трения состоит в том, что при наличии продольного градиента давления он обеспечивает достоверное измерение напряжения трения на стенке.The technical result of the application of the proposed friction sensor is that in the presence of a longitudinal pressure gradient, it provides reliable measurement of the friction stress on the wall.

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 ν/u_τ, где ν=µ/ρ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ρ - плотность воздуха, - динамическая скорость, τ_w - напряжение трения на стенке, т.е. h_max≤10 ν/u_τ.The technical result is achieved by the fact that in a pneumatic friction sensor for measurements in a stream with a longitudinal pressure gradient containing a movable cylindrical static pressure tube with the possibility of its movement in two extreme positions - flush with the wall and a height h above the streamlined surface, the maximum height h _max cylindrical static pressure tube on the streamlined surface does not exceed 10 ν / u _τ, where ν = μ / ρ - coefficient of dynamic viscosity of air, μ - the kinematic viscosity at spirit, ρ - air density, is the dynamic velocity, τ _w is the friction stress on the wall, i.e. h _max ≤10 ν / u _τ .

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 ν/u_τ, где ν=µ/ρ - коэффициент динамической вязкости воздуха, µ - коэффициент кинематической вязкости воздуха, ρ - плотность воздуха, - динамическая скорость, τ_w - напряжение трения на стенке, т.е. h_max≤10 ν/u_τ.The drawing shows the design of a pneumatic friction sensor. A cylindrical movable tube 1 of static pressure, with the possibility of its movement to two extreme positions - flush with the wall and to a height h above the streamlined surface, is installed perpendicular to the streamlined surface 2. The maximum height h _{max of the} cylindrical tube of static pressure above the streamlined surface does not exceed 10 ν / u _τ , where ν = µ / ρ is the coefficient of dynamic viscosity of air, µ is the coefficient of kinematic viscosity of air, ρ is the density of air, is the dynamic velocity, τ _w is the friction stress on the wall, i.e. h _max ≤10 ν / u _τ .

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.The lower part of the tube through the base 3 is connected to the rod 4, which has an output to the pressure sensor and is connected mechanically with a device that moves the tube 1 perpendicular to the streamlined surface. For tightness of the device, a seal 5 is installed.

Устройство работает следующим образом. Величина напряжения трения τ_w определяется по разности Δp=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 соотношенияThe device operates as follows. The value of the friction stress τ _w is determined by the difference Δp = p _st- p 'between the static pressure p _st measured when the tube 1 is recessed when the upper section of the tube is flush with the streamlined surface and the pressure p' measured by tube 1 in the extended position on height h using the calibration relation

полученного для течения при отсутствии градиента давления в предположении существования универсального профиля скорости в пристеночной области турбулентного пограничного слоя.obtained for the flow in the absence of a pressure gradient assuming the existence of a universal velocity profile in the near-wall region of the turbulent boundary layer.

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 условиюTo determine the maximum distance h from the wall at which the universal velocity profile is preserved in the presence of a longitudinal pressure gradient, special experimental studies of velocity profiles in a turbulent boundary layer were carried out over a wide range of changes in the positive and negative pressure gradients. As a result of these experiments, it was found that in the presence of longitudinal pressure gradients, the velocity profile in universal coordinates retains the same shape as in the absence of a pressure gradient, if the distance h from the wall satisfies the condition

. .

В этом случае для определения τ_w в пограничном слое с градиентом давления может быть использовано градуировочное соотношение (3).In this case, to determine τ _w in the boundary layer with a pressure gradient, the calibration relation (3) can be used.

Claims

Pneumatic friction sensor for flow measurements with a longitudinal pressure gradient, comprising a movable cylindrical static pressure tube with the ability to move it to two extreme positions - flush with the wall and to a height h above the streamlined surface, characterized in that the maximum height h _{max of the} cylindrical static pressure tube above the streamlined surface does not exceed 10 ν / u _τ , where ν = µ / ρ is the coefficient of dynamic viscosity of air, µ is the coefficient of kinematic viscosity of air, ρ is the density of air Ha,

is the dynamic velocity, τ _w is the friction stress on the wall, i.e. h _max ≤10 ν / u _τ .