способ определения суммарных сил давления, действующих на поверхность модели аппарата, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения суммарных сил давления, действующих на поверхность модели аппарата, основанный на измерении статического давления в измеряемых точках на всей поверхности модели аппарата и последующем определении суммарных сил давления, действующих на модель аппарата, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения суммарного вектора силы давления, действующей на поверхность модели аппарата, омываемого жидкостью или газом, измерение статического давления производят на участках с одинаковой ориентацией поверхности модели внутри участка и определяют среднее значение статического давления для каждого измеряемого участка модели с последующим суммированием средних значений величин статического давления участков поверхности модели аппарата.

2. Устройство для определения суммарных сил давления, действующих на поверхность модели аппарата, содержащее n каналов измерения давления, каждый из которых включает заборные отверстия, размещенные на поверхности модели, датчик статического давления, соединенных через усилительный блок с соответствующим входом блока регистрации, и блок вычисления суммарной силы давления, вход которого соединен с выходом блока регистрации, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения суммарных сил давления, действующих на модель аппарата, в каждый канал измерения давления введены m блоков усреднения статического давления, при этом K входов каждого блока усреднения статического давления соединены с K заборными отверстиями, размещенными на участках поверхности с одинаковой ориентацией поверхности модели внутри каждого участка, а каждый выход m блоков усреднения статического давления соединен с соответствующим датчиком статического давления, выход которого соединен через усилительный блок с соответствующим входом блока регистрации.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что каждый блок усреднения статического давления выполнен в виде коллектора с K каналами подключения к заборным отверстиям и посадочным местом для датчика статического давления, при этом в каждом канале подключения сечение канала одинаково по всей длине канала, а отношение гидравлического диамметра канала к его длине постоянно для всех каналов подключения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к экспериментальной аэрогазодинамике, а именно к определению суммарных сил давления, действующих на поверхность модели аппарата, омываемого жидкостью или газом, которыми могут быть блоки ракет-носителей, корпуса автомобилей.

Известны способы определения суммарных сил давления, действующих на тела, омываемые жидкостью или газом, заключающиеся в измерении статического давления в отдельных точках на поверхности этих тел и дальнейшем интегрировании этих сил по омываемой поверхности. Известны также устройства для определения суммарных сил давления, включающие аппарат или его геометрически подобную модель, на омываемой поверхности которого расположены заборные отверстия статического давления, которые в свою очередь подключены к датчикам статического давления и далее к анализирующему устройству.

Недостатками известных способов и устройств является их относительно низкая производительность.

Наиболее близкими техническими решениями, выбранными в качестве прототипа, являются следующие способ и устройство.

Известный способ заключается в измерении статического давления на поверхности тела в ряде точек посредством отбора давления через дренажные трубки и дальнейшем интегрировании сил давления по поверхности тела.

Известное устройство представляет собой модель аппарата, на поверхности которого имеются заборные отверстия, которые при помощи дренажных трубок подключены к датчикам давления. Датчики через усилительно-согласующее устройство подключены к регистрирующему и затем к анализирующему устройству.

Недостатком известного способа является необходимость измерять статическое давление для каждого заборного отверстия в отдельности.

Недостатком известного устройства является то, что в каждый момент времени к одному заборному отверстию подключен один датчик. Все это вместе приводит к снижению точности измерений, поскольку одновременно можно использовать только ограниченное количество датчиков.

Целью изобретения является повышение точности определения суммарного вектора силы, действующей на поверхность модели аппарата, омываемого жидкостью или газом.

Это достигается тем, что в способе определения суммарных сил давления, действующих на поверхность модели аппарата, основанном на измерении статического давления в исследуемых точках на всей поверхности модели аппарата и последующем определении суммарных сил давления, действующих на модель аппарата, измерение статического давления производят на участках с одинаковой ориентацией поверхности аппарата, омываемого жидкостью или газом, измерение статического давления производят на участках с одинаковой ориентацией поверхности модели аппарата внутри участка. После этого определяют среднее значение статического давления для каждого измеряемого участка модели с последующим суммированием средних значений величин статического давления участков поверхности модели аппарата.

Это достигается тем, что в устройстве для определения суммарных сил давления, действующих на модель аппарата, содержащем n каналов измерения давления, каждый из которых включает заборные отверстия, размещенные на поверхности модели, датчик статического давления, соединенный через усилительный блок с соответствующим входом блока регистрации и блок вычисления суммарной силы давления, вход которого соединен с выходом блока регистрации, в каждый канал измерения давления введены m блоков усреднения статического давления, при этом К входов каждого блока усреднения статического давления соединены с К заборными отверстиями, размещенными на участках поверхности с одинаковой ориентацией поверхности модели внутри каждого участка, при этом каждый выход m блоков усреднения статического давления соединен с датчиком статического давления, выход которого через усилительный блок соединен с соответствующим входом блока регистрации.

При этом каждый блок усреднения статического давления выполнен в виде коллектора с К каналами подключения к заборным отверстиям и посадочным местом для датчика статического давления, при этом в каждом канале подключения сечение канала одинаково по всей длине канала, а отношение гидравлического диаметра канала к его длине постоянно для всех каналов подключения.

На фиг.1 изображена поверхность аппарата, разбитая на участки с одинаковой ориентацией; на фиг. 2 - устройство для определения суммарной силы давления действующей на модель аппарата; на фиг.3 - блок для усреднения статического давления.

Поверхность аппарата разбита на К участков S_i с одинаковой ориентацией поверхности внутри участка N_i, где - единичный вектор нормали к данной площадке. При этом

=S , где i = 1,...,К (1)

S_i - площадь i-го участка.

Пусть каждый участок, например i-й, будет разбит на L_i элементарных площадок площадью

S_il = S_i/L_i; l = 1,...,L_i

и на каждой из этих площадок будет расположено заборное отверстие и измеряться давление P_il. Тогда суммарная сила давления, действующая на i-й участок

=P_ilS/L_i= P_i/L_i= P_iср, (2) где Р_iср среднее по i-му участку статическое давление.

Теперь суммарная сила определяется как

F_сум=F_i (3)

Таким образом, для нахождения суммарной силы не обязательно знать распределение давления на поверхности каждого участка, достаточно знать среднее давление по поверхности этого участка, т.е. задача сводится к получению среднего давления по ряду заборных точек.

Согласно изобретению предлагается измерять статическое давление в коллекторе, соединенном с заборными отверстиями каналами, отношение перепада давлений к величине протекающего расхода для которых одинаково. В этом случае измеряется среднее давление. Допустим, что для коллектора с каналами для каждого i-го канала

P_i/G_i = const, (4) где P_i = P_i - P_ср;

G_i - расход, протекающий через канал со знаком (+) или (-) в зависимости от направления движения;

i = 1,...,К - номер канала.

Из (4) следует, что

Pi = const G_i (5) и, суммируя по i, получают

P_i= constG_i= 0, (6) поскольку в установившемся режиме суммарный расход в коллекторе равен нулю. Раскрывая левую часть (6), получают

(7) или

P_ср=(1/K)P_i (8)

Таким образом, согласно предлагаемому способу, действительно измеряется среднее давление.

Устройство содержит поверхность 1 аппарата, участок 2 под номером i этой поверхности, характеризующейся одним вектором нормали; заборные отверстия 3, расположенные на i-ом участке, блок 4 усреднения статического давления, датчик 5 статического давления, усилительный блок 6, блок 7 регистрации, блок 8 вычисления суммарной силы давления, усилительно-преобразующее устройство 9, группу 10 блоков усреднения статического давления, подключенную к одному датчику, коллектор 11, каналы 12 для подключения к заборным отверстиям, имеющие одинаковые сечения и отношение длины к гидравлическому диаметру, посадочное место 13 в коллекторе под датчики замера давления в коллекторе.

Устройство работает следующим образом.

Давление Pil, действующее на площадку 2, через заборные отверстия 3 попадает в устройство 4 усреднения давления, где преобразуется в среднее давление Р_ср. Датчик 5 давления преобразует давление в электрический сигнал и через усилитель 6, а также регистратор 7, которые вместе представляют собой усилительно-преобразующее устройство 9, попадает в анализирующее устройство 8. В анализирующем устройстве по формулам (2) и (3 происходит вычисление силы давления, действующей на поверхность 1 аппарата, используя известные значения S_i и NVec_i.

Датчики статического давления, усилительно-преобразующее устройство широко известны. В качестве анализирующего устройства может использоваться специализированная ЭВМ, например СМ 1809.

Способ усреднения давления поясняется на примере работы устройства, изображенного на фиг.3.

На установившемся режиме в коллекторе 11 реализуется среднее по всем заборным отверстиям давление. Для доказательства достаточно подтвердить справедливость условия (4) для каждого канала. Как известно, перепад давления в канале постоянного сечения для ламинарного течения в жидкости равен

P=(1/d)V_ср2/2 (9) где I - длина канала;

d - гидравлический диаметр канала;

- коэффициент сопротивления;

- плотность жидкости.

При этом = 64/Re, где Re - число Рейнольдса. Учитывая, что расход жидкости через канал равен

G = V_ср d2/4 (10)

из (9) можно получить

P/G = (1281)/(d₄) (11)

Т. е. при одинаковых сечениях каналов и одинаковых отношениях длин к гидравлическим диаметрам каналов в соответствии с изобретением выполняется соотношение (4) и действительно измеряется среднее давление.

Режим ламинарного течения в каналах легко реализуется путем уменьшения проходного канала и увеличения их длины. Поскольку при малых перепадах давления газа также можно считать несжимаемыми жидкостями, то изобретение будет реализовано и для газов.