ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Измерения поверхностного трения из "Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях" Предсказание распределений поверхностного трения в сложных пространственных течениях, формирующихся, например, в продольно обтекаемых угловых конфигурациях, а также в потоках, характеризующихся отрывом и существенной (по Клаузеру) неравновесностью, является весьма сложной проблемой даже в рамках численных расчетов, основанных на использовании современных моделей турбулентности. Поэтому вопросы разработки эффективных методов и средств измерений поверхностного трения с целью последующего использования полученных результатов для создания адекватных методов расчета и моделей турбулентности таких течений по-прежнему остаются актуальными. Информация о величинах поверхностного трения представляет большой интерес и с практической точки зрения. Известно, например, что доля сопротивления трения в общем балансе полного сопротивления магистральных пассажирских самолетов при крейсерском режиме полета в диапазоне околозвуковых скоростей достигает 50 %. Поэтому умение прогнозировать величину трения при конструировании перспективных самолетов несомненно является важной практической задачей. [c.48] В рамках настоящего раздела невозможно рассмотреть не только все проблемы измерений поверхностного трения, в особенности в сложных турбулентных течениях, но даже сколько-нибудь подробно изложить существующие методы. Не случайно в обзорной статье [158] упоминается 152 работы, в той или иной степени имеющие отношение к измерениям трения на стенке. Поэтому мы ограничимся простым перечислением распространенных методов, акцентируя внимание на одном из них, который представляется как наиболее перспективный. Предварительно сошлемся на рис. 1.12 [159], на котором в наглядной форме систематизированы наиболее распространенные косвенные методы измерения поверхностного трения, основополагающий принцип которых состоит, в частности, в использовании соответствующих аналогий (пленочный анемометр) (а), законов подобия в пограничном слое (планка-выступ, трубка Престона, фиксированный термоанемометр) (б—г) и распределении скорости вблизи стенки в обобщенной форме (модифицированный метод Престона, двойной фиксированный термоанемометр) (д, ё). Здесь показан также вид соответствующей калибровочной зависимости, если таковая требуется, и приведены случаи, когда в калибровке необходимости нет. [c.48] Некоторые прямые и косвенные способы измерения трения и оценка погрешности этой величины рассмотрены также в [17, 160, 161J, а применительно к сжимаемым течениям в [162]. [c.48] Большинство сушествующих до последнего времени методов определения поверхностного трения можно условно разделить на шесть основных групп. [c.48] В рамках закона стенки работает большинство пневмометрических датчиков, в основе применения которых лежит связь между измеренным ими динамическим давлением и локальным напряжением трения, которая устанавливается по результатам калибровки. Сюда относятся поверхностные трубки Престона [51, 171 —178], пристенные проволочные термоанемометры, в том числе с пульсирующей нитью [179], датчики Стантона [62, 180—182], а также планки-выступы [159, 183—187 ] и трубки-выступы [34]. Здесь мы не делаем принципиальной разницы между последними из этих методов и трубкой Престона по той причине, что область их использования также захватывает область действия закона стенки с той лишь разницей, что распространяется только на линейную часть профиля скорости. [c.51] Конкретная зависимость между этими безразмерными комплексами устанавливается в процессе калибровки датчика. [c.52] Датчик термоанемометра с пульсирующей нитью также устанавливается на фиксированном расстоянии от стенки, иногда до 10 мм. Данный метод базируется на известном принципе, основанном на измерении местной скорости путем определения времени пробега теплового импульса (тепловой метки), генерируемого периодически нагреваемой электрическим током нитью [188]. Дрейфуя вместе с потоком, тепловой импульс регистрируется одной из двух дополнительных чувствительных проволочек, которые устанавливаются на одинаковом фиксированном расстоянии от обтекаемой поверхности, располагаясь под прямыми углами к пульсирующей нити по каждую сторону от нее. По времени задержки между посланной и принятой тепловыми метками можно определить величину местной скорости. В качестве термометра сопротивления обычно используется платиновая проволока диаметром 2—5 мкм, закрепленная на токоподводах датчика. Такой инструмент может быть использован в высокотурбулентных течениях, включая области, в которых направление течения меняется по знаку. Вместе с тем датчики такого типа весьма громоздки, непросты в эксплуатации, а сама электронная схема сложна и частотный диапазон системы довольно узкий. Все это существенно ограничивает применение импульсного термоанемометра в практике эксперимента. Детали конструкции таких датчиков и возможные ошибки измерений изложены в [21, 179]. [c.52] Рассмотрим кратко еще один способ измерения поверхностного трения, основанный на использовании пленочного датчика термоанемометра. Грубую схему простейшего поверхност1Юго пленочного термоанемометра можно представить в виде тонкой металлической пленки из никеля или хрома, нанесенной на обтекаемую поверхность и нагретой электрическим током. На практике для уменьшения потерь тепла в стенку металлическая пленка наносится сначала на теплоизоляционную основу, которая, в свою очередь, приклеивается на поверхность. Возможные ошибки, обусловленные материалом основы, иллюстрируются в [178 . [c.53] Во-вторых, по сравнению с обычными (зондовыми) методами пленочные датчики вносят незначительные возмущения в поток и потому могут в первом приближении рассматриваться как бесконтактные. Кроме того, они в меньшей степени подвержены загрязнению и разрушающему воздействию инородных частиц. Однако использование пленочной анемометрии в ряде сложных типов течений, в частности, при наличии областей возвратно-рециркуляционного течения и в некоторых других случаях по-прежнему затруднительно. [c.54] Многие проблемы панорамных измерений трения и пульсаций этой величины с помощью пленочных датчиков термоанемометра обсуждаются, например, в трудах [200]. [c.54] Сравнительные достоинства и возможность применения большинства рассмотренных выше косвенных методов измерений касательного напряжения можно оценить, если воспользоваться табл. 1.1, заимствованной из [201 ]. [c.55] В настоящее время при исследовании одно- и двухфазных течений большое распространение получил электродиффузионный (электрохимический) метод измерения поверхностного трения [202, 203 ], принцип действия которого во многом схож с термоанемометрическим. В отличие от термоанемометра, в основе которого лежит связь между коэффициентом конвективной теплоотдачи нагретой проволочки или пленки и скоростью набегающего потока, в данном случае подобная зависимость связывает со скоростью течения коэффициент массоотдачи помещенного в поток датчика. Наиболее существенным ограничением электродиффу-зионного метода является необходимость применения в качестве рабочей жидкости раствора электролита специального состава, к которому предъявляются весьма жесткие требования. Кроме того, частотная характеристика используемых датчиков существенно хуже, чем у термоанемометров, и, как правило, ограничена величиной порядка 1—2 кГц. Это обстоятельство, а также некоторые другие накладывают ряд серьезных ограничений на использование таких датчиков для измерения турбулентных пульсаций скорости. К основным достоинствам метода относятся возможность применения датчиков очень малых размеров, отсутствие принципиальной необходимости в калибровке датчика, простота первичной электронной аппаратуры, доступность проведения измерений в непосредственной близости от твердой поверхности. Относительная простота изготовления датчиков и электронной аппаратуры открывает возможность применения многоканального варианта метода, когда измерения осуществляются одновременно во многих точках потока. [c.55] Очевидно, первое упоминание о практических измерениях с использованием электродиффузионного метода следует отнести к работе [204], а несколько позднее подобный метод был применен в [205] для изучения двухфазных газожидкостных потоков. [c.55] Примечание, В таблице примяты следующие обозначения — дочолмительная калибровка термоанемометра — основано на использовании компьютера преимущество О — недостаток. [c.57] Фарадея, которое переводит электрическую величину в диффузионную. При достаточно точном знании физических свойств рабочей жидкости формулами (1.9) и (1.10) можно воспользоваться для определения величины непосредственно по измеренному току датчика. Во всех других случаях целесообразно получение калибровочной зависимости используемого датчика. [c.57] Следует подчеркнуть, что электродиффузионный метод позволяет также проводить измерения напряжения трения на стенке в тех счучаях, когда направление пристенного течения меняется по знаку. С этой целью применяется двойной электрохимический датчик трения. Примеры, в которых подобные датчики оказались удачными для иных целей, приведены в [203 ]. Для нас важным моментом является тот факт, что данный метод применим для измерений локального напряжения трения в аюжных гидродинамических условиях, где использование других подходов сопряжено с большими трудностями. Метод имеет большой потенциал своего развития, которое должно, по-видимому, привести к созданию компактных многокомпонентных датчиков скорости, которые могут успешно использоваться для измерений других характеристик турбулентных течений. [c.57] Можно назвать две основные конструктивные схемы приборов для измерения силы трения. В первой из них вырезанный элемент, отклоняющийся под действием силы трения, возвращается в исходное положение с помощью, например, электромагнитного усилия (нуль-метод). Во второй схеме элемент отклоняется и остается в некотором фиксированном положении. В первом случае сила трения пропорциональна восстанавливающей силе в цепи электромагнита во втором искомая величина определяется по величине отклонения элемента от первичного положения и зависит от жесткости упругих звеньев. Поскольку при нуль-методе измеряемая сила регистрируется в условиях обеспечения равномерного зазора, такой подход имеет определенные преимущества. Анализ возможных погрешностей, связанных с неточностью установки элемента, спецификой использования этого метода при низких значениях измеряемой нагрузки, можно найти, например, в [20]. Обзор различных ошибок по результатам девяти экспериментов приведен также в [217]. Пример использования этого метода с демонстрацией средней квадратической ошибки, полученной по результатам многократных измерений, показан на рис. 1.15. [c.58] Дальнейшее развитие методики нашло отражение в работах [236, 237 ], где основные соотношения для определения поверхностного трения распространены на более общий случай течения, характеризующийся наличием в исследуемой области произвольного градиента Су и криволинсйностью предельных линий тока. [c.61] Вернуться к основной статье