Способ измерения пульсаций скорости потока текучей среды

Способ измерения пульсаций скорости потока текучей среды

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения пульсаций скорости потока текучей среды. Целью изобретения является расширение области применения. С помощью излучателя 1 и отражательных экранов 3 и 4 в потоке образуют стоячую акустическую волну, перпендикулярно фронту которой располагают плоский диск 11. При этом вблизи поверхности 12 диска 11 возникают течения Релея, имеющие замкнутый вихревой характер, причем размер вихрей в течениях Релея обусловлен частотой акустических колебаний, образующих стоячую волну. Пульсации скорости исследуемого потока вызывают в результате взаимодействия вихрей исследуемого турбулентного потока с течениями Релея (взаимодействие типа за1 вихренность - завихренность) изменения круговой скорости и завихренности этих течений. Эти изменения, в свою очередь, обусловливают изменение амплитуды колебаний акустического давления в стоячей волне, измеряя которые с помощью приемника 5 и электронной схемы 6, можно судить о пульсациях скорости заданного масштаба. Поскольку во взаимодействие вступают вихри сравнимых размеров, изменяя частоту генератора 2, можно изменять размеры регистрируемых вихрей.2 ил. w Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э G 01 P 5/00

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4673919/10 (22) 05.04,89 (46) 15.04.91. Бюл. М 14 (72) В.А. Бледный, В.Н, Данилов и С.В. Ковтуненко (53) 532.574 (088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

hh 1016746, кл. G 01 P 5/00, 1982.

Патент Великобритании

ЬЬ 2140160, кл. G 01 P 5/00, 1984. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПУЛЬСАЦИЙ

СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и.может быть использовано для измерения пульсаций скорости потока текучей среды. Целью изобретения является расширение области применения. С помощью излучателя 1 и отражательных экранов 3 и 4 в потоке образуют стоячую акустическую волну, перпендикулярно фронту которой располагают плоский диск 11. При этом

„„!Ж,„, 1642402 А1 вблизи поверхности 12 диска 11 возникают течения Релея, имеющие замкнутый вихревой характер, причем размер вихрей в течениях

Релея обусловлен частотой акустических колебаний, образующих стоячую волну.

Пульсации скорости исследуемого потока вызывают в результате взаимодействия вихрей исследуемого турбулентного потока с течениями Релея (взаимодействие типа "завихренность — завихренность") изменения круговой скорости и завихренности этих течений. Эти изменения, в свою очередь, обусловливают изменение амплитуды колебаний акустического давления в стоячей волне, измеряя которые с помощью приемника 5 и электронной схемы 6, можно судить о пульсациях скорости заданного масштаба.

Поскольку во взаимодействие вступают вихри сравнимых размеров, изменяя частоту генератора 2, можно изменять размеры регистрируемых вихрей. 2 ил.

1642402

30 акустических колебаний расстояние между, 35

45

55

3 Vo

16 С

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения пульсаций скорости турбулентных течений. и может быть использовано в лабораторных и натурных условиях при исследованиях свойств текучих сред в океанологии, метеорологии, медицине и др, Цель изобретения — расширение области применения.

На фиг. 1 изображена схема расположения и соединения элементов, используемых для осуществления способа; на фиг. 2 — кривая распределения амплитуды колебательной скорости в стоячей акустической волне (а) и линии тока течений Релея (б).

B соответствии с фиг. 1 для осуществления способа измерения пульсаций скорости потока текучей среды в пространстве, находящемся ниже линии MN, через которое протекает текучая среда, устанавливают направленный электроакустический излучатель 1. Частота излучаемых акустических колебаний задается генератором 2 акустических колебаний, соединенным с излучателем 1, и может составлять десятки и сотни килогерц. Перпендикулярно направлению излучения акустических колебаний в пространстве, через которое протекает текучая среда, устанавливают два отражающих акустических экрана 3 и 4 тэк, что излучатель 1 находится между ними..Экраны 3 и 4 представляют собой стальные пластины.

Излучатель 1 и экраны 3 и 4 располагают таким образом, что при заданной частоте излучателем 1 и экраном 4 и между экранами 3 и 4 кратно половине длины волны этих колебаний. При таком расположении излучателя 1 и экранов 3 и 4 между этими экранами возникает стоячая акустическая волна. Это происходит в результате наложения колебаний, излучаемых излучателем 1,. и колебаний, отраженных от экранов 3 и 4, В районе одной из пучностей колебаний устанавливают электроакустический приемник 5, например микрофон или гидрофон, соединенный с электронной схемой 6 измерения амплитуды колебаний акустического давления. Эта схема представляет собой последовательно соединенные усилитель 7, детектор 8, интегратор 9 и устройство 10 регистрации уровня электрического сигнала, например осциллограф или осциллоскоп.

В области образования стоячей акустической волны устанавливают препятствие в виде плоского диска 11, имеющее поверхность 12, перпендикулярную фронту стоячей волны, т, е. направлению колебаний частиц среды в стоячей волне.

На фиг, 2а имитируется распределение амплитуды U< скорости колебательного движения частиц среды в стоячей волне между двумя точками пучности, обозначенными А1 и А2, Буквой Б обозначена узловая точка. На фиг, 2б схематически представлен участок пространства, через которое протекает текучая среда, вблизи поверхности 12 части препятствия 11.

Измерение пульсаций скорости потока текучей среды осуществляют следующим образом.

В пространстве, через которое протекает исследуемый поток, с помощью генератора 2 и излучателя 1 генерируют достаточно интенсивные направленные акустические колебания, вызывающие возникновение между экранами 3 и 4 стоячей акустической волны.

Распространение интенсивных акустических волн в газах и жидкостях сопровождается образованием вихревых потоков, называемых акустическими течениями. Акустические течения, вызываемые стоячей акустической волной вблизи поверхности, перпендикулярной фронту волны, вне акустического пограничного слоя, называются течениями Релея, Эти течения имеют замкнутый вихревой характер. Размер вихрей обусловлен частотой акустических колебаний, образующих стоячую волну.

Акустические колебания, генерируемые излучателем 1, имеют достаточно большую интенсивность для того, чтобы стоячая волна, образованная между экранами 3 и 4, вызывала возникновение течений Релея вблизи поверхности 12 вне акустического пограничного слоя. В соответствии с фиг.

2б, на которой прямая у = д соответствует внешней границе акустического пограничного слоя, вихри течений Релея расположены вне пограничного слоя между каждыми двумя соседними узлом и пучностью колебаний. Эти вихри имеют размеры, приблизительно равные четверти длины А волны акустических колебаний. Каждые два соседних вихря течений Релея вращаются в противоположных направлениях.

Течения Penes могут быть описаны вектором круговой скорости и вектором завихренности.

Круговая скорость течений Penes связана с колебательной скоростью соотношением

1842402 (4) 50 получают где VR — линейная (круговая) скорость частиц, двигающихся по окружности вихря течений Реля, Vo — амплитуда колебательной скорости частиц среды в стоячей волне;

С вЂ” скорость звука в среде.

Эта зависимость получена из анализа выражений для х — и у — компонент скорости релеевских течений. Колебательная скорость частиц среды связаны с давлением B акустической волне соотношением: где Чк — скорость колебательного движения частиц среды;

P — давление в акустической волне; р — плотность среды;

С вЂ” скорость звука в среде, Из (1) и (2) следует

М,, (33)

3P„16р С где Ро — амплитуда давления в стоячей волне.

Из (3) следует, что круговая скорость течений Релея пропорциональна квадрату амплитуды давления в.стоячей волне.

3авихренность. представляющая собой ротор вектора скорости, связана с угловой скоростью и круговой скоростью соотношением где Q — завихренность, Й= rptV; со — угловая скорость;

V — круговая скорость;

R — радиус окружности, по которой происходит движение.

С учетом того, что размер вихря течений

Релея примерно равен четверти длины волны акустических колебаний, т. е.

2 VR 8 3 Ро

IMARI — — г — — . д р" С где QR — завихренность течений Релея;

А — длина волны акустических колебаний, образующих стоячую волну.

Из (4) следует, что завихренность течений Релея пропорциональна квадрату амплитуды давления в стоячей волне.

Пульсации скорости исследуемого потока вызывают в результате взаимодействия вихрей исследуемого турбулентного потока с течениями Релея (взаимодействие типа

"завихренность — завихренность") изменения круговой скорости и завихрен ности этих течений. Эти изменения, в свою очередь, обуславливают изменение амплитуды колебаний акустического давления в стоячей волне, Поскольку в стоячей волне энергия не переносится, то изменение амплитуды колебаний акустического давления, вызванное изменением круговой скорости и завихренности течений Релея, происходит только вблизи места образования вихря течений

Релея, а следовательно, и взаимодействующего с ним вихря исследуемого погока, Таким образом, по изменениям амплитуды колебаний давления в стоячей волне можно судить о пульсациях скорости исследуемого потока в местах образования вихрей течений Релея.

Пульсации давления, создаваемого акустическими колебаниями, воспринимаются приемником 5. Для исключения искажающего влияния приемника на вихри течений

Релея, приемник должен отстоять от поверхности 12 на расстояние, превышающее толщину д пограничного слоя более чем на четверть длины Л волны акустических колебаний. Изменения электрического сигнала на выходе приемника 5, соответствующие пульсациям давления, поступают на измерительную схему 6 и регистрируются устройством 10 регистрации. Указанные изменения электрического сигнала, регистрируемые устройством 10, интегрируются как пульсации скорости и завихренности исследуемого потока.

Во взаимодействие друг с другом (обмен энергией) вступают лишь вихри сравнимых размеров, в то время как вихри существенно различных размеров оказывают относительно небольшое влияние друг на друга, Таким образом, при заданной частоте излучаемых акустических колебаний, определяющей длину стоячей волны и размер вихрей течений Релея, предлагаемым способом можно измерить пульсации скорости, вызванные вихрями определенного размера (масштаба), а именно размера, соизмеримого с размером вихрей течений Релея.

Для измерений пульсаций скорости, вызванных вихрями других размеров, изменяют частоту генератора 2 так, чтобы условие возникновения стоячей волны сохранялось.

1642402

I

I

Составитель Ю.Власов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М.Демчик

Редактор А.Огар

Заказ 1145 Тираж 350 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по. изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r, Ужгород, ул.Гагарина, 101

При уменьшении частоты излучаемых колебаний измеряют пульсации скорости, вызванные вихрями относительно больших размеров, а при увеличении этой частоты измеряют пульсации скорости, вызванные вихрями меньших размеров. Поэтому предлагаемый способ позволяет измерять пульсации скорости, вызванные вихрями очень малых размеров. Минимальные размеры вихрей, обнаруживаемых предлагаемым способом, не зависят от взаимного расположения излучателя 1 и приемника 5, а ограничиваются лишь диссипативными свойствами среды, Минимальные размеры вихрей течений Релея определяются колмогоровским микромасштабом турбулентности и составляют в зависимости от вязкости исследуемой среды от 10 до 0,1 мкм. Минимальный размер таких вихрей определяется мощностью излучателя 1.

Кроме того, поскольку амплитуда пульсаций давления в стоячей волне изменяется вблизи места образования вихря исследуемого потока, то по изменениям электрического сигнала на выходе приемника 5 можно судить о пульсациях скорости, вызванных вихрем, образованным в определенном ме5 сте, а именно вблизи места установки приемника, Это повышает разрешающую способность способа, Формула изобретения

10 Способ измерения пульсаций скорости потока текучей среды, заключающийся в создании в исследуемой среде стоячей акустической волны и измерении одного из ее параметров, отличающийся тем, что, 15 с целью расширения области применения, перпендикулярно фронту стоячей акустической волны устанавливают плоский диск, измеряют амплитуду пульсаций давления в образовавшихся в окрестности диска аку20 стических течениях Релея и по измеренной амплитуде пульсаций давления судят о величине пульсаций скорости потока текучей среды заданного масштаба.