2.2 Измерение скоростей движения газа

Существуют различные методы измерения скоростей газовых потоков, в том числе:

-анемометрический метод - измерение скорости потока по скорости вращения установленных в потоке вертушек, крыльчаток и т.д.;

-пневмометрический метод - определение скорости потока по разности давления торможения и статического давлений в точке потока, измеренных пневмоприёмниками;

-метод определения скорости потока по интенсивности теплоотдачи помещённого в поток нагреваемого элемента (термоанемометры);

-кинематический метод определения скорости потока по перемещению взвешенных в потоке частиц, нагретых или светящихся тел и т.д.;

-оптические методы;

-акустические методы.

Каждый из указанных методов имеет свои преимущества и недостатки. Выбор метода измерения скорости определяется особенностями эксперимента. Наибольшее распространение в лабораторной практике получил пневмометрический метод, при котором по величине измеренных давлений вычисляется скорость в точке потока по формулам (10) или (11).

Измерение давления торможения и статического давления в точке потока можно произвести по отдельности описанными ранее приёмниками давлений. Комбинированный пневмоприёмник (рис. 9), называемый трубкой Пито-Прандтля, позволяет производить эти измерения одновременно.

Рисунок 9 - Схема комбинированного пневмоприёмниками

(схема трубки Пито-Прандтля)

2.3 Измерение температур газа

Наиболее просто измеряется температура торможения газа Т* с помощью термометров жидкостного или термоэлектрического типа, например, термопары.

Статическая температура Т определяется из соотношения (3) по измеренным величинам температуры торможения Т* и скорости движения

С газа в точке потока. Возможно определение статической температуры Т с помощью газодинамической функции по соотношениям (6) и (9).

В лабораторных работах данного практикума температура торможения атмосферного воздуха на входе в рабочий участок экспериментальной установки (рис. 1) измеряется жидкостным термометром, а в точках (сечении) потока газа, хромель-копелевой термопарой, подключенной к микропроцессорному программируемому измерителю типа 2 ТРМО-Овен. Измерительный прибор в режиме "работа" производит опрос приёмника, вычисляя по полученным данным текущие значения измеряемых величин и отображает их на цифровом индикаторе.

Температура торможения по абсолютной шкале Кельвина определяется по формуле

Т* = t + 273, (16)

где t - температура в градусах Цельсия, соответствующая показанию жидкостного термометра или измерительного прибора 2 ТРМО-Овен.

3 ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ

Лабораторная работа №1

ТЕЧЕНИЕ ДОЗВУКОВОГО ПОТОКА В КАНАЛЕ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

Цель работы: экспериментальное определение эпюры давления торможения, скорости движения в поперечном сечение потока газа, определение среднего давления торможения и средней скорости в поперечном сечении потока, экспериментальное определение изменения статического давления, средней скорости и других осредненных параметров дозвукового потока газа вдоль оси конфузора и диффузора.

Теоретические основы эксперимента

Дозвуковой конфузор представляет собой суживающийся канал (рис.1а), дозвуковой диффузор – расширяющийся канал. На рис. 1,б представлен дозвуковой комбинированный канал, состоящий из конфузора и диффузора, называемый трубой Вентури.

Рисунок 1- Схема течения газа в дозвуковом конфузоре и диффузоре.

Движение газа в них осуществляется вследствие разности статических давлений на входе и выходе при подаче газа под повышенным давлением на вход или при создание разрежения на выходе.

При изучении движения газа рассматривают его как сплошную среду, характеризуемую не движением конечного числа отдельных частиц, а полями различных физических величин: скорости, плотности, давления и т.д. Математически эти поля описывают системой функций от координат и времени. Если физические величины не зависят от времени, то поле называется стационарным или установившемся. В общем случае поле является пространственным (трехмерным), однако иногда можно упростить задачу и изучать плоские (двухмерные) или одномерные поля. Переход от пространственных к одномерным потокам, когда рассматривается изменение осредненных в сечении параметров газового потока в одном направлении (например, вдоль потока) существенно упрощает все исходные уравнения и позволяет учесть и проанализировать влияние различных внешних воздействий на структуру потока. При этом полученные результаты будут приближенными, но они в целом достаточно хорошо согласуются с экспериментальными данными Если из-за малости пренебречь теплообменом движущегося газа с окружающей средой через стенки канала (внешняя механическая работа - ℓ_мех, подвод и отвод тепла – q_H отсутствуют), то течение воздуха в конфузоре и диффузоре можно считать энергетически изолированным. В этом случае полная энергия газового потока остается величиной постоянной, причем независимо от наличия или отсутствия потерь на трение.

Связь между параметрами при движении одномерного установившегося энергоизолированного газового потока в каких – либо двух его произвольных живых сечениях(например, сечениях 1-1 и 2-2 рис.1) выражается уравнениями неразрывности (1), энергии, записанном с помощью энтальпии i (2) и (3), в форме Бернулли (4) и (5), состояния газа(6):

, (1)

, (2)

, (3)

(4)

(5)

, (6)

где S – площадь живого сечения потока,-гидравлические потери удельной энергии на рассматриваемом участке.

В этом случае температура торможения Т^* вдоль оси конфузора и диффузора не изменяется. Давление торможения р^* будет уменьшаться в результате внутреннего трения в потоке, трения газа о стенки , местных гидравлических потерь на входе в конфузор и в горловине канала.

Отличительной особенностью газовых течений является одновременная и неразрывная связь механических процессов (например, ускорение, торможение ) с термодинамическими процессами (например, расширение, сжатие) в условиях внешних воздействий. При геометрическом воздействие (сужение, расширение канала) при движение реального (вязкого) газа в дозвуковом конфузоре имеет место политропный процесс расширения газа, при котором скорость с потока вдоль оси канала возрастает, а статическое давление , температура Т и плотность ρ уменьшаются. В сечении, перпендикулярном оси конфузорного канала, статическое давление не изменяется (изменение пренебрежимо мало), а давление торможение у стенок канала меньше, чем на оси, из-за потери на трение в пограничном слое. В результате скорость движения у стенок канала меньше, чем на оси. На рисунке 1 диффузором является участок 2-3. В нем имеет место политропный процесс сжатия газа, при котором скорость потока уменьшается, а статическое давление, температура и плотность возрастает. В поперечном сечение диффузора, так же как и в конфузоре, статическое давление можно считать постоянным, а давление торможение у стенок канала меньше, чем на оси. Разница в том, что в диффузорном канале уменьшение давления

торможения и скорости по направлению к стенке более значительное, чем в конфузорном.