Способ исследования характеристик «меток», служащих для измерения скорости газового потока

 

О П И СА Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

330390

Союэ Советских

Социалистических

Республик

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 22 1т.1970 (¹ 1443232(18-10) с присоединением заявки ¹

Приоритет

Опубликовано 241!.1972, Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 17.11".1972

М. Кл. G Olp 5/18

Комитет по делам илобретений и открытий ори Совете Министров

СССР

УДК 533.6.08(088.8) Авторы изобретения

Г. Д. Саламандра и Н. М. Вентцель

Заявитель Государственный научно-исследовательский энергетический институт имени Г. М. Кржижановского

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК «МЕТОК», СЛУЖАЩИХ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА

Изобретение относится к области газовой динамики.

Известно несколько различных методов измерения скорости газа.

В практике лабораторного исследования наиболее широкое распространение получила группа так называемых кинематическпх методов, сущность KQTopbIx состоит в том, что в исследуемой среде тем или иным способом создают «метки», за движением которых следят с помощью соответствующих средств. Пр:<

А5 этом скорость газа определяется как г= —, М где As — элемент пути, пройденный «мсткой» за время At. В некоторых случаях в качестве

«меток» используют какие-либо неоднородности, возникающие в самом исследуемом потоке. «Метка», пригодная для измерительных целей, должна иметь четко очерченные границы, позволяющие регистрировать ее положение с необходимой точностью, сохранять свою форму в течение времени измерения и с достаточной точностью следовать за потоком или перемещаться относительно него с известной скоростью.

Недостатком кинематических методов измерения скорости газа является трудность оценки относительной скорости «метки». Это приводит к серьезным затруднениям при измеренпп скорости быстроускоряющихся потоков.

Для определения «меток», пригодных для измерения скорости газа и в наиболее сложных условиях, когда исследуемый поток движется с большим ускорением, предлагается способ, сущность которого заключается в том, что скорость движения исследуемой

«метки» сравнивается со скоростью движения эталонной «метки», в качестве которой

10 принимается поверхность контактного разрыва.

Для того, чтобы образовалась поверхность контакного разрыва, необходимо создать такие условия, прп которых возникает произ15 вольный разрыв, т. е. такой разрыв, состояния газа по обе стороны которого не связаны между собой законами сохранения массы, импульса и энергии. Как известно, произвольный разрыв является неустойчивым образо20 ванием и тут же распадается. В случае одномерного течения прп распаде произвольного разрыва возникают две волны, распространяющиеся в противоположные стороны. В инертных газовых смесях это могут быть две

25 ударные волны, пли две волны разрежения или ударная волна и волна разрежения. Прп распаде произвольного разрыва в горючих газовых смесях в одну сторону может распространяться фронт детонационной волны или

30 фронт пламени, а в другую сторону — удар330390

3 ная волна или волна разрежения. Между ними две области постоянного течения, разделенные поверхностью контактного разрыва, которая неподвижна относительно газа, и поэтому может быть использована в качестве эталонной метки. Эта поверхность, являющаяся в то же время поверхностью разрыва плотности и температуры газа, легко визуализируется одним из оптических методов.

Рассмотрим несколько примеров возникновения произвольного разрыва.

1. Газ в трубе разделен перегородкои на две части. По обе стороны перегородки плотность и давление газа имеют произвольные значения. Сорт газа также может быть различным. Затем перегородку мгновенно удаляют. В том месте, где она находилась, образуется поверхность произвольного разрыва.

2. Две стационарные поверхности разрыва, например, две ударные волны или ударная и детонационная волны приходят во взаимодействие друг с другом — сталкиваются или догоняют друг друга. Состояния газа по обе стороны от фронта ударной или детонационной волны не являются произвольными. Они связаны между собой законами сохранения массы, импульса и энергии. Когда две такие поверхности разрыва сталкиваются или догоняют друг друга, возникает поверхность разрыва, при переходе через которую законы сохранения нарушаются, возникает произвольный разрыв.

3. Волны сжатия, посылаемые поршнем, движущимся по трубе с ускорением, или фронтом пламени, распространяющимся в трубе, догоняют друг друга и сливаются, ооразуя ударную волну. В этом случае состояние газа в каждой волне сжатия изменяется адиабатически, т. е. это изменение выражается адиабатой Пуассона. Поэтому, когда такие волны сжатия сливаются друг с другом, ооразуется ударная волна, состояния газа по обе стороны которой также связаны между собой адиабатой Пуассона. В то же время, из законов сохранения следует, что состояния газа по обе стороны от фронта ударной волны должны быть связаны между собой адиабатой Гюгоньо. Таким образом, состояния газа по обе стороны от отбразовавшейся поверхности разрыва не удовлетворяют законам сохранения, и разрыв является произвольным.

В качестве примера использования предложенного способа можно привести экспериментальное испытание искусственно созданных тепловых «меток», предназначенных для измерения скорости среды, движущейся с большим ускорением. «Метки» испытывались в условиях, более жестких, чем те, в которых им предстояло работать. Они создавались в неподвижном газе в камере низкого давления ударной трубы, а затем приводились в движение ударной волной. Произвольный разрыв в этом случае возникал при взаимодействии ударной волны с догоняющей ее волной сжатия.

На фиг. 1 показана схема оптической установки; на фиг. 2 — схема образования изображения; на фиг. 3 — фотография теплеровской картины развития процесса во времени и движения тепловых «меток».

В поле зрения оптического прибора, работающего по схеме Теплера, расположен ограниченный объем 1, в котором протекает исследуемый процесс. Через смотровые окна 2 объем просвечивается параллельным пучком света, создаваемым источником 8, помещенным в фокусе объектива 4. В фокусе второго объектива 5 помещен нож Фуко б. Такая оптическая система позволяет визуализировагь контактный разрыв. Исследуемый процесс фотографируют съемочной камерой барабанного типа, с непрерывным движением барабана, несущего пленку во время съемки со скоростью 117 м/сек, в направлении, перпендикулярном к направлению потока. Таким образом каждая неподвижная точка регистрируется в виде прямой линии, перпендикулярной направлению потока. Если барабан был неподвижен, то любая движущаяся точка регистрировалась бы в виде отрезка прямой, параллельной направлению течения. При съемке на движущуюся пленку, движущаяся точка потока регистрируется отрезком прямой, наклоненной под углом к направлению движения, определяемым:

tх=

К 117 где v — скорость точки, k — масштабный множитель, переводящий скорость v в скорость

V — ее изображения в плоскости пленки, 117—

К скорость движения пленки.

На фиг. 2 по оси абсцисс отложено время, а по оси ординат — расстояние в камере.

Точки Х и Х> соответствуют началу и концу просматриваемой части. Наклонная линия 8 обозначает движение фронта детонационной волны, а линия 9 — движение ударной волны, образовавшейся перед фронтом пламени в период его ускоренного распространения. Скорость детонационной волны значительно больше скорости ударной волны, поэтому она догоняет последнюю. В тот момент, когда эти две волны сливаются, возникает произвольный разрыв. После его распада вперед продолжает распространяться детонационная волна 10, назад в продукты реакции идет волна разрежения I1, а между ними образуется поверхность контактного разрыва, движение которой показано линией 12.

На фиг. 3 представлена теплеровская картина развития процесса во времени. При разрыве диафрагмы, разделяющейся камеры низкого и высокого давления ударной трубы, возникает ударная волна 9, а также целая система волн сжатия, догоняющих ее. Наиболее интенсивная из этих волн обозначена цифрой 8. В результате слияния волн 8 и 9

330390

Предмет изобретения

8 8

Фиг 1

Уиг 2

Составитель С. Ющенко

Текред Т. Ускова

Корректор Т. Бабакина

Редактор С. Хейфиц

Заказ 921/ll Изд. ь,"з 324 Тираж 448 Подпис:inc

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская ваб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2 образуется произвольный разрыв, пои распаде которого возникает поверхность контактного разрыва (линия 12) Тепловые «метки» регистрируются на фотографии в виде горизонтальных линий в неподвижном газе перед фронтом волны и в виде наклонных линий 18 и 14 за фронтом волны. Скорость газа, измеренная по движению тепловых «меток», оказывалась различной в зависимости от того, какая энергия была вложена в их создание.

Уменьшая постепенно эту энергию, добивались того, чтобы значение скорости, измеренное с помощью тепловых «меток», с заданной степенью точности совпадало с значением скорости, измеренным по поверхности контактного разрыва. На фотографии зарегистрированы отобранные таким образом тепловые «метки».

Способ исследования характеристик «меток», служащих для измерения скорости газового потока, путем сравнения движения ис10 следуемой «меткп» с движением эталонной метки, отличающийся тем, что, с целью определения пригодности их, в потоке с введенными исследуемыми «метками» создают поверхность контактного разрыва и принимают

15 ее за эталонную «метку».