автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.01, диссертация на тему:Элементы и устройства системы моделирования обтекания профиля

РГ6 од

м'лп '000 санкт-петербургсый ордена

i . трудового красного знамени

институт 'сочной механики и оптики

На правах рукописи

т1удак0в юрий леонидович

элементы и устройства системы

вдш1р0ванш обтекашя профиля

Специальность 06.II.01 - Приборы и методи измерений механических ве-личкн

автореоерат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1993г.

Работа выполнена на кафедре авиационных приборов и устройств Н.Новгородского Государственного Технического Университета и Арзамасского филиала НИИСУ,

Научный руководитель :

Официальные оппоненты:

Кандидат технических наук, доцент Вавилов В.Д.

д.т.н., профессор Власов Ю.Б.

к.т.н., профессор

Цеськин И.В.

Ведущее предприятие: указано в решении специализирован-

ного Совета.

Зашита состоится" . июц Я 1993 г. в " " Ц2.

часов на заседании специализированного Совета К.053.26.04 С.Петербургского института точной механики и оптики по адресу : 197.101, г.С.-Петербург, ул. Саблинская,14.

С диссертацией кохцо ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " ^ " ¡¡¿.у<Л 1993г.

Учений секретарь специализированного Совета, кандидат < технических нвук, доцент ^¿^ьс/ Поляков В.И.

ОНЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАГОТЫ

Актуальность работы. В связи с развитием авиационной и ракетной техники возросло значение измерений, как источника объективной информации о величинах, Характеризующих эффектив -ность и качество физических процессов, состояния и свойства исследуемых объектов. Поэтому к методам и средствам измерений предъявляются повышенные требования в отногаеяшт точности, быстродействия измерительных приборов, возможности их работы в автоматическом режиме, повышении надежности, уменьшении массы, габаритов и себестоимости.

Такие требования привели к разработке и промышленному производству средств измерений, основанных на новых принципах измерений и новой элементной базе. Все это в полной мере относится к измерениям, реализованным с использованием моделей прямой аналогии. Такие модели реализуются с помощью электрических и электронных устройств.

Несмотря на широкое распространение метод электрических аналогий нуждается в дальнейшем развитии и совершенствовании, как в инструментовке, так и в методологии измерений, что позволит расширить его применение в заводских лабораториях.конструкторских бюро и научно-исследовательских институтах.

Развитие метода аналогий сдерживается рядом обстоятельств:

- недостаточно освещены вопросы электрического моделирования

по автоматизации процессов измерений полей скоростей и давлений на поверхности исследуемых тел;

- отсутствуют сведения о применении оптоэлектронных устройств в процессе измерений аэродинамических характеристик обтекаемых тел при электрическом моделировании;

- в отечественной и зарубежной литературе нет информации о непосредственном моделировании сил вязкости в процессах обтекания.

Поэтому задача разработки и исследования измерительных устройств, позволяйся* проводить оперативные статистические оценки ВО ткачеству обтекания образцов моделей является актуальной.

-г -

Цель работ». Создание малогабаритной информационно-измерительной системы с вычислительным блоком на базе опто -электронного устройства для конструирования профилей и исследования обтекания лопаток расходомеров в системе измерения мгно -венного и суммарного расхода топлива на самолетах и ракетах, а так же определения зон обледенения крыловых профилей и сигнализаторов обледенения прямого действия.

Задача диссертационной таботы заключается в разработке и исследовании установки и способов, повышающих качество и точ -ность электрического моделирования и приближающих результаты измерений к реальным условиям работы с целью синтеза профиля.

Сформулированная задача решалась в следующих направлениях:

- расширение эксплуатационно-функциональных возможностей обте -кания тел путем разработки структурной схемы вычислительного блока для определения безразмерных коэффициентов давлений;

- теоретические и экспериментальные исследования методик,позво -лянцих повысить стабильность, точность измерений и приблизить результаты синтеза профиля к реальным условиям работы;

- внедрение результатов исследования, определение области использования измерительной установки.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработана графо-аналитическая методика косвенного учета вязкости в результатах электрического моделирования обтекания тел.

- При этом впервые решена задача приборной реализации теоремы об эквивалентном обтекании исходного тела потоком реальной жидко -сти и тела с учетом толщины вытеснения идеальной жидкостью.

- разработана методика и- аппаратное обеспечение электрического моделирования обтекания тел с застойной зоной.

- получена структурная схема вычислительно-измерительного устройства для определения аэродинамических характеристик тел обтекания при электрическом моделировании.

- разработана электрическая модель принудительного приведения эквипотенциалей к аналитическому виду.

- получены аналитические формулы для определения углов атаки при электрическом моделировании косого обтекания тел идельной жидкостью.

Практическая ценность работа

- Разработаны элементы и устройства измерительно-вычислительного блока электрической модели полей обтеканш, для определении аэродинамических характеристик исследуемых тел.

- решения, полученные в результате теоретических и эксперимен -тальных исследований, доведены в работе до практической реализации в элементах и методологии информационно-измерительной установке, применение которых позволило:

- на 80-90$ уменьшить количество продувочных операций по натурным испытаниям для определения оптимального образца модели из ряда подобных, что в свою очередь сократило время работы дорогостоящего оборудования, как, например, аэродинамической трубы.

- большое количество измерений, которые производятся на информационно-измерительной установке, выгодно отличает её от применения с программным обеспечением вычислительных комплексов.

Реализация в промышленности. Выводы,рекомендации и результаты, полученные в диссертации, внедрены на предприятии п/я В-8205, что подтверждается соответствующими документами.

Апробация работы. Диссертация и отдельные её разделы обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и совещаниях:

- на научной межвузовской конференции по применению математи -ческих методов и вычислительной техники в научных исследова -ниях г.Алма-Ата, 1980 год;

- на расширенных заседаниях кафедры АПУ Арзамасского филиала Московского авиационного института, г.Арзамас, 1982 год;

- на техническом совете предприятия п/я В-8205, в 1983г.,1984г., 1987г.

- на техническом Совете предприятия ц/я В-2191 в 1987 году.

На защиту выносятся:

- разработанные элементы и устройство информационно-измерительной системы для исследования полей обтекания;

- результаты экспериментальных исследований электрического моделирования тел обтекания;

- разработанные методики и аппаратное обеспечение электрического моделирования приближающие результаты измерений к реальным условиям работы;

- разработанные на основе проведенных теоретических и экспери -ментальных исследований рекомендации по определению структуры и оптимальных параметров информационно-измерительной системы, а также результаты внедрения.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 10 работ, из них одно авторское свидетельство на изобретение. (Оптоэлектронное устройство для возведения в квадрат)

Объем -работы. Диссертация состоит из введения, трех глав,заключения, список литературы и пяти приложений. Основ -ной текст содержит 116 стр. Иллюстративно-табличный материал 20 стр. Список литературы (I источников ) - стр. Прило -жение - 51 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы и на основе анализа современного состояния электрического моделирования тел обтекания сформулирована цель и задача работы.

В первой главе рассмотрены вопросы развития теории и практики электрического моделирования потенциальных полей обтекания. Приведен обзор методов и приборных средств моделирования физических полей в отечественных и зарубежных работах. Дан анализ аппаратной реализации измерительных установок электрических моделей, выполненных по мостовым,компенсационным, комбинированным и схемам прямого отсчета для замера напряженности и потен--циала электрического поля в исследуемых точках области.

Рассмотрены случаи применения проводящих сред с электронной и ионной проводимостью. Сплошные среды с ионной проводимостью обладают большей однородностью по сравнении с

электропроводными средами, например, электропроводной бумагой и дают возможность снизить погрешность электромоделирования до 1-С/2.

Ионной проводимостью обладают электролиты и газы. В качестве проводимых сред для целей моделирования обычно применяют водопроводную воду, водные растворы щелочей,кислот и солей, а также воздух.

Моделирующие установки с применением электролитов называются электролитическими ваннами. Схема электролитических ванн отличаются от установок, использующих электронные проводящие среды, тем, что они питаются переменным током. Применение переменного тока на электролитических установках вызвано тем, что постоянный ток в электролитах вызывает ряд электрохимических процессов, которые вносят погрешность в результаты измерений.

Основным преимуществом электролитов перед твердыми проводящими средами ( например, станиолем и электропроводной бумагой ) является возмокность построения пространственных моделей полей обтекания, а также изменения углов атаки простым поворотом модели, тогда как на бумаге необходимо вырезать новую модель. Анализ характеристик проводящих сред для целей моделирования обтекания профилей лопаток и решеток профилей дают возможность выбрать проводящую среду - электролит ( чистая водопроводная вода ).Напряжение питания установки-21 вольт. Частота питания - 100 гц.

Аэрогидродикамический эксперимент прочно вошел в повседневную работу лабораторий высших учебных заведений,исследовательских институтов и заводов. Любое экспериментальное исследование, в том числе и по аэрогидродинамике, может проводиться либо на натурном объекте, либо на модели,выполненной в соответствии с требованиями теории подобия.

Натурные опыты, как правило, очень сложны и требуют большой затраты труда, времени и средств. Поэтому они обычно являются заключительными во всем ряде расчетно-теоретических работ и модельных испытаний,которые предшествуют созданию натурного объекта. Ни одна из этих установок не мояет идти в сравнение с аэродинамической трубой, особенно больших скоростей.

Производство самих моделей также крайне просто и не составляет никакого труда. Целью исследования на установках аналогий является главным образок качественная оценка распределения полей скоростей и давлений на поверхностях моделей, помещенных б среду электрического поля.

Вторая глава посвящена математической модели и синтезу структурных свойств информационно- измерительной системы, позволяющей производить замеры относительных скоростей на поверхностях модулей и на их основе делать вычисления безразмерных коэффициентов давлений.

За основу математической модели положено аналогия меаду электрическим током и скоростью идеальной жидкости

где I - количество электричества, протекающего через

площадку в течение промежутка времени с(£ •

В проекциях на координатные оси

К _ Ч - - А ^

* У

? " Р сЬ

Знак "минус" означает, что приращешж потенциала II направлено противополокно вектору напряженности Е.

Одним из следствий, закона Кирхгофа для электрического паля является дифференциальное уравнение виде:

"а* ^ Эг

подставив вместо

Я "Ц» £ и* значения, получим

- 7 -

-¿X IV + = 0 ЗУ1 эг1

В дальнейшем мы будем рассматривать плоскую задачу.

Воктор напряженности поля £ направлен перпендикулярно к линии равного потенциала, ш по касательной к линии тока

Еу = Е^Е.У))

tí^ajr.J ^ щ D

Интегрируя 4лг mosho получить уравнение равного потенциала

Поступая аналогичным образен, можно получить уравнение тока, т.е. V=Cortít-

Течение идеальной жидкости характеризуется двумя функциями:

1. потенциальной функцией У зли потенциалом скорости;

2. функция тока^.

Каздая их этих функций подчиняется уравнению Лапласа:

•££+■>!£ = О/ -и1 -ъ^-

поэтому можно сделать следующий вывод:

»MíUf V«-vCvE ,

где К\р , К у , Ку - коэффициент пропорций.

Из величин, характеризующих поле скоростей, моано вычислить

поле давлений 2.

Г Afo /

где А.1? - разность потенциалов в изучаемой точке на поверхности тела;

Л'Роо ~ разность потенциалов в невозмущенном электрическом поле.

Конструкция моделирующей измерительной системы для определения Р рис. I

Рис. I Электрическая модель.

состоит кз олекту.гческо.": модели I, в качестве которой выбрана электролитическая, мкгсд пли медоль из проводяцего листа бумагс внрезанкк:.: в центре и¿оисследуемого тела 2; линейных 1х:п 3 для подвода п::?эг.:я; двухигольчатого щупа 4; масстабгаго ус::л::?еля 5; •1с."-™1Ч>мгеля модуля 6; квадратичного апярокспмзтсга 7; погсг^юметра о для загэшя масштаба Д1Р ; потеиг'.омйт^.а II для задзглл масштаба аналогового сумматора 10 :: цгл.евого вольтметра 9.

Принцип де:'.с:5;:я пзмеу^тольпо-жчислптельного устройства заключается в сле;о--^е:л:лзух'.:голх,читый цуп устанавливается в одну из точек на поье^хисст:; исследуемого тела.

Плотность тока вокруг к;«вол-.пю":то:: поверхности тела зависит от его Тоу.ты. Поотому рэзгость потенциалов между иглами супа з кзадой точке поверхности тела является функцией его (Го;;:.:;;. Разгссть потенциалов й^оо медду иглами щупа, установлекгого в иезез-^лггом поле является величиной постоянной.

Сигнал Д-У .снимаемый с щупа,усиливается с помощью масштабного усилителя и подается на вход формирователя модуля.

Формирователь представляет собой точный двухполупериод -ный выпрямитель на операционных усилителях. Он осуществляет выдачу на выходе только положительных изменений напряжения, и исключает зависимость полярности напряжения на выходе от ориентации игл щупа относительно шин питания. Выход квадратичного аппроксиматора нагружен потенциометром калибровки 8, сигнал с потенциометра, усиленный и возведенный в квадрат складывается аналоговым сумматором с отрицательным постоянным сигналом,сни -маемым со второго потенциометра калибровки II. Инвертированный сигнал с выхода сумматора подается на вход цифрового фольтметра.

Общая сут.марная погрешность составляет 1% и находится путем сравнения результатов с эталоном, выполненным по известным теоретическш решениям.

На рис. 2 приведена полная принципиальная схема разрабо -тайного измерительно-вычислительного устройства, а на графиках и таблицах приведены экспериментальные результаты для выбора рабочего участка характеристики оптрона, примененного в квадраторе и результаты решения контрольной задачи с помощью устройства для случая моделирования обтекания цилиндра бесконечной длины. Общая ошибка в сравнении с теоретическим решением составляет менее 1% т.е. находится, в соответствии с поставленными требованиями.

Быстродействие разработанного устройства определяется бы -стродействием цифрового вольтметра, так как переходные процессы в активных узлах усилителей и квадратора на 5+6 порядков ниже необходимого времени для зрительного отсчета показаний.

Приоритет полученного решения защищен авторским свидетельством В 711592 от 28 сентября 1979 года. Здесь же разработана методика снижения ошибок при приведении эквипотенциалей к аналитическому виду.

Теоретическое обоснование атому методу заключается в рас -пределении потенциалов, которое описывается следующим дифферен -циальным уравнением: а г. . ^Г^/ \ ЗУ ч

где С?С*I- удельная проводимость среды в точке.

В случае однородной по проводимости среды или скорректированной принудительно, электрический потенциал удовлетворяет уравнению Лапласа: О

3x1 * О

Допуская задачу одномерной т.е. ~ /

граничные условия для приведенного потенциала на шинвхможно задать в следующем виде:

где *Р - значение приведенного потенциала;

И - ддина ванны; решение будет иметь следующий вид: у

Варьируя делителем напряжения, экспериментальные эквипотен-циали принудительно приводятся к теоретическим. В качестве задачи приведены данные распределения эквипотенциалей вдоль ванны для случаев: без делителя, с делителем и теоретическое распределение. Использование разработанной схемы повышает точность моделирования в 8 - 12 раз.

Проведен анализ и синтез влияния различных факторов на точность и воспроизводимость результатов измерений. В качестве электролита выбрана дисцилированная вода с 10 дневной выдержкой, для насыщения газом. В контакте с водой работает 2-х игольчатый зонд с материалом из нержавеющей стали, исключающей дрейф нуля. На основании замеров, а также многочисленных экспериментов по исследования обтекания профилей и решеток профилей установлено, что при исследовании обтекания тел,имеющих контур большой кривизны (до 8 %), расстояние между иглами щупа должно быть не более 4 - 5 мм при диаметре игл 0,5 + 1,0 мм. С целью исключения погрешностей, обусловленных наличием токов утечки в виде:

- утечки через поверхность изоляции элементов схемы;

- утечек, обусловленных наличием в схеме емкостей;

- утечек, обусловленных наличием в схемах индукционных токов.

Необходимо:

- выполнение надежной изоляции всех, элементов схем;

- питание схемы осуществлять череа разобщающий трансформатор;

- Элементы схемы, обладающие индукционными свойствами, должны быть достаточно удалены друг от друга и от гальванометра;

- элементы электрической ванны должны быть изготовлены из материалов с близкими диэлектрическими постоянными.

Линейные размеры модели и ванны должны быть выполнены из следующих соображений:

- опоры показывают, что длина ванны должна быть в 4-5 раз, а ширина в 3-4 раза больше размеров модели.

Это обусловлено тем, что возмущение электрического поля, вызванного установкой модели , должно затухать вблизи шин. Проведенные эксперименту с различными по размерам моделям показали, что наибольшая точность замеров у модели профеля с длиной хорды равнрй 200 мм, при длине ванны 800 мм.

В третьей главе разработаны методы и приведены экспериментальные исследования аппаратных решений, приближающих результаты электромоделирования к реальным условиям работы. Для этого разработан метод электрического моделирования косого обтекания тел идеальной жидкостью. В основе которого лежит изменение угла мевду хордой профиля "а-в" и направлением вектора напряженности , посредством изменения разницы потенциалов +ТУг и -Ii» . При нулевой разности потенциалов вектор напряженности однородного поля E« направлен по нормали к шинам % и li^, а угол атаки соответственно равен нулю. При увеличении разности потенциалов между электродами шин Ид и lil^ увеличивается поперечная составляющая Еу и соответственно вектор напряженности Ее» отклоняется относительно нулевого положения под углом к хорде профиля. Величина угла «i равна L— aia~to

„/ Е* ' Alf, 21'

где: ¿h - расстояние между шинами UIj и Е^;

gj^ - расстояние мезду шинами Шд и Ш^;

.дТГ? ~ Разн0СТЬ потенциалов между электродами шин lilj и Ш2;

¿.JJ^ - разность потенциалов между электродами шин Ш3 и

По дзшому методу угол атаки монет быть изменен в пределах сС +90°, - 90°. При моделпхюваши отрицательных углов атаки полярность источника питания на шинах 11^ и меняется на обратную.

Разработан метод электрического моделирования обтекания тел с учетом толщины вытеснения. Под толщиной вытеснения в аэрогидродинамике принято вытеснение свободных линий тока по отношению к поверхности тола в результате наращивания к его поверхности пограничного слоя. Определяющей в методике построения электрически:: моделей с учетом толщины вытеснения послужила теорема ¿о^цлнского Л.Г. эквивалентности обтекания тела конечных размеров реальной кидкостью, обтеканию этого же тела потоком идеально"; жидкости с учетом толиины вытеснения. Одни из возможных методов определения граничных линий эквивалентного полутела мокет быть основан на принципе оптимизации площади, замоченной мевду граничной лишек эквивалентного полутела и граничной линией исходного тела. Для оптимизации поставленном задачи используем вариационное уравнение Эйлера, в координатах » У. , сР " , ^ _ _ л

г =

где г - функция условного экстремума.

Сункциа условного экстремума можно представить в следующем

виде: Г - ^ ^ ¿Г,

где А - постоянный множитель Лагранжа. Толщина вытеснения в окончательном виде мокет быть представлена в следующем виде: ^ _ ^ ^ Хо

где 3.о ~ длина граничной линии исходного тела;

2 - длина ;линии исходного тела от точки разветвления потока До текущей точки. После определения границ эквивалентного полутела проводится построение новой модели с учетом толщины вытеснения.Численные зпзчешя найденных безразмерных коэффициентов давления с контура эквивалентного полутеласносятся по норма/и к поверхности исходного тела.

Ги рис. 3 и рис. 4 показаны результаты электрического :лодолировагил и продувки профиля идсд- £672 и решетки

NAC А-№12

«V М II |М «/

и Ш I

м

профиль сопло 2094

Рис* 4 Распределение скоростей.

профилей С0Ш10 2094 с погреыностью не превышающей 5 %. Таким образом, проведенные экспериментальные исследования позъолюш получить реальные аэродинамические характеристики тел обтекания с погрешностью в Б %, что вполне удовлетворяет для отбора лучших образцов моделей из ряда подобных.

В приложениях к работе приведены результаты экспериментальных исследований и графическое построение эпюр давлений тел обтекания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработанная графо-аналитическая методика косвенного учета вязкости в результаты электрического моделирования позволила приблизить результаты измерения к реальным с точностью

в 5 %.

2. Приведенная структурная схема вычислительно-измерительного устройства для определения безразмерных коэффициентов давлений снизила погрешность электрического моделирования до 0,1%.

3. Приборная реализация электрической модели принудительного приведения эквипотенциалей к аналитическому виду позволила увеличить точность моделирования в 8-12 раз.

4. Полученные аналитические формулы для определения углов атаки при моделировании косого натекания увеличили точность установки углов на 20 % и сократили время в 3-5 раз по сравнению

с компенсационными схемами ручного уравновешивания.

Опыт эксплуатации и результаты испытаний подтверждают правильность основных теоретических поселок, положенных в основу разработки измерительной системы и методик при решении различных задач обтекания профилей.

По основным положениям диссертационной работы сделаны доклады и публикации в следующих работах:

1. Вавилов В.Д., Чумаков В.И., Чудаков Ю.Л. Электрическое моделирование обтекания тел с застойной зоной.

В сборнике тезисов,докладов. Межвузовская конференция по применению вычислительной техники и математических методов в научных исследованиях г.Алма-Ата, 1980г.

2. Вавилов В.Д., Чудаков Ю.Л., Вычислительное устройство для установки ЗГДА.. Технология авиационного приборо и агрегато-строения й 3. 1979 г.Саратов.

3. Вавилов В.Д., Чумаков В.И., Чудаков Ю.Л. Электрическое моделирование полей обтекания тел с учетом толщины вытеснения. Технология авиационного приборо и вгрегатострое-ния JS I. 1980г.

4. Вавилов В.Д., Чудаков Ю.Л. Снижение ошибок при элек -трическом моделировании полей обтекания на электропроводной бумаге. Технология авиационного приборо и агрегатостроения !Ь 4. 1978г.

5. Вавилов В.Д,, Сарычев C.B., Чудаков П.Л. Оптоэлектронное устройство для возведения в квадрат. Авт.свидетельство .'S 7II592 от 28 сентября 1979 года бюллетень изобретений.

6. Чудаков П.Л. Косвенный метод учета в результатах электромоделирования. В сборнике научных трудов Московского ордена Ленина и ордена Октябрьской революции авиационного института имени С.Орднонжздзе "Авиационные приборы и устройства". Москва, "АН IS8Cr.

7. Вавилов В.Д., Сарычев C.B., Чумаков В.И., Чудаков Ю.Л. Исследование характеристик датчика давления с силовой компенсацией. Технология авиационного приборо и агрегатостроения НТНБ, НИТИ, й I 1980г. Саратов.

8. Вавилов В.Д., Чумаков В.И., Чудаков Ю.Л. Линеаризация передаточных функций термочувствительных мостов с термисторами ПТНБ, НИТИ, № 2. 1980г. Саратов.

9. Вавилов В.Д., Сарычев C.B., Чудаков Ю.Л. Устройство для обработки и регистрации сигналов частотных датчиков.

НТНБ, НИТИ, J3 I. 1982г. Саратов.

10. Вавилов В.Д., Поздяев В.И., Чудаков Ю.Л. Оценки тре -бований к усилителю цифроаналогового преобразователя. ПНТБ, НИШ, й 3. 1983г. Саратов. , "