. 1 МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

1.1 Структура потоков. Турбулентность. Основные характеристики турбулентных потоков

Структура потоков. Турбулентность. Все существующие потоки реальной вязкой жидкости или газа по структуре делятся на ламинарные и турбулентные. При ламинарном (или слоистом) движении подкрашенные струйки жидкости остаются резко выделенными в течение всего времени движения, т.е. отдельные частицы жидкости движутся по примерно одинаковым траекториям. При турбулентном движении отдельные частицы жидкости совершают беспорядочное движение по хаотически изменяющимся и переплетенным траекториям. Турбулентное движение сопровождается интенсивным перемещением частиц жидкости . При ламинарном состоянии среды все параметры течения являются упорядоченными гладкими функциями, как времени, так и пространства. Турбулентное течение имеет, как правило, сложную вихревую структуру. Турбулентность является случайным процессом и для ее описания используют статистические методы [3, 4]. От структуры потока существенно зависят свойства течения. Так, турбулентность повышает интенсивность переноса потоком тепла и вещества, интенсивность передачи механической энергии, ускоряет химические реакции, изменяет сопротивление твердых тел при их обтекании и т.д. [3]. Существование двух принципиально различных режимов течения жидкости было установлено в конце 19 века для течений в трубах и каналах. Величиной, определяющей изменение структуры потока, является число Рейнольдса Вектор ускорения жидкой частицы, движущейся со скоростью V, определяется индивидуальной производной . Первое слагаемое в правой части последнего равенства выражает изменение скорости во времени в некоторой фиксированной точке пространства, т.е. местное ускорение. Оно называется локальной составляющей ускорения. Второе слагаемое характеризует изменение скорости частицы при перемещении и называется конвективной составляющей ускорения. При стационарном движении локальное ускорение всегда равно нулю. При нестационарном движении локальное ускорение может обращаться в нуль только тогда, когда в данной точке скорость имеет максимальное или минимальное значение во времени. Индивидуальная производная по времени может быть взята не только от скорости или других векторных величин, но и от скалярных величин (температуры, плотности, концентрации …). Тогда в общем случае индивидуальную производную можно представить в виде [4] . Например, для температуры она будет иметь вид . где V – скорость, характерная для данного движения; l – характерный линейный размер; – кинематическая вязкость жидкости . При движении жидкости в трубах за характерный линейный размер принимают диаметр (или радиус) трубы, а за характерную скорость – скорость на оси трубы. Впервые роль числа Re в формировании структуры потока была установлена в 1883г. О. Рейнольдсом при изучении движения жидкости в круглых трубах. Им было обнаружено, что при изменении числа Re изменяется структура потока (и закон сопротивления). Если число Re < некоторого Reкр, то течение жидкости происходит плавно и подкрашенные частицы жидкости образуют хорошо видимые струйки. При числе Re > Reкр поток становится беспорядочным, а струйки подкрашенной жидкости быстро размываются. В первом случае поток ламинарный, а во втором – турбулентный. Как показали опыты значение Reкр зависит от многих условий (условий входа жидкости в трубу, от формы поперечного сечения трубы, шероховатости внутренних стенок трубы и т.д.). Для круглой цилиндрической трубы наименьшее значение Reкр ? 2200. Критические числа Re для других потоков определяются экспериментально. Основные характеристики турбулентных потоков. Турбулентное движение жидкости или газа характеризуется наличием в потоке флуктуаций скорости V, плотности ?, температуры T, давления р и других параметров среды. Оно является наиболее распространенной формой движения жидкости или газа. Турбулентность возникает в результате гидродинамической неустойчивости течения, когда число Рейнольдса Re превышает критическое значение. Если в установившемся турбулентном потоке измерять скорость безынерционным датчиком скорости, то мгновенная скорость будет беспорядочно пульсировать около своего среднего значения. Таким образом, турбулентный проток является нестационарным.

1.2 Методы измерения скорости и турбулентных пульсаций скорости потоков жидкости

1.2.1 Корреляционный метод измерения скорости

Корреляционный метод широко применяют для измерения скорости потоков различными зондами: термоанемометрами, термопарами, индукционными преобразователями, преобразователями давления и т. д. С помощью корреляционного анализа сигналов, получаемых такими датчиками, находят конвективную скорость потоков или течений [6, 7]. Суть метода сводится к следующему. Выполняют одновременные измерения (или запись) флуктуаций некоторой физической величины (ФВ) в двух точках х1 и х2, расположенных вдоль по потоку. Определяют взаимную корреляционную функцию этих двух флуктуаций. В зависимости от расстояния между точками х1 и х2 нормированная взаимная корреляционная функция изменяет свой вид – происходит смещение её максимума.

1.2.2 Оптический метод измерения скорости потока

       Рисунок 1.1 - Корреляционные функции сигналов для различных условий Оптическими называют измерители, основанные на зависимости от скорости потока того или иного оптического эффекта. Основные среди оптических приборов – доплеровские измерители. В основе их работы лежит известный из физики эффект Доплера, заключающийся в измерении частоты излучения, рассеиваемого движущимися относительно источника излучения объектами [6]. Если поток, движущийся со скоростью V, рассеивает пакет волн, имеющих частоту ? и распространяющихся в среде со скоростью С, то частота рассеянных волн, достигающих наблюдателя изменится на величину доплеровского сдвига , где - угол между падающим лучом и вектором скорости; - угол между падающим лучом и направлением рассеянных волн, достигающих наблюдателя. .

1.2.3 Термодинамический метод измерения скорости потока

изготовленной из нихрома или другого материала с малым температурным коэффициентом сопротивления, припаивается термопара 2 (медь-константан, нихром-константан). Стержни нити 4 и выводы термопары заделываются в эбонитовую пробку 3 и соединяются с измерительной схемой. Нагрев нити осуществляется от источника тока. Регулировкой силы тока можно изменять нагрев нити, чувствительность прибора и пределы измерения скорости потока. До начала измерений преобразователь должен быть обязательно отградуирован. Термоэлектроанемометры чаще всего применяют для измерения малых скоростей газовых потоков [5, 6].

Существует два принципиально различных режима работы чувствительного элемента термоанемометра — режим постоянного тока и режим постоянной температуры. Соответственно различают и 2 метода работы термоанемометров (методов измерения): метод постоянного тока и метод постоянной температуры [ 5 ]. В первом случае ток, нагревающий нить, поддерживается неизменным. Изменяется температура нити и ее сопротивление при изменении скорости потока. Измеряемой величиной является напряжение на чувствительном элементе (ЧЭ) преобразователя термоанемометра (ТА). Во втором случае, когда реализуется метод постоянной температуры, ток нагрева нити регулируется таким образом, чтобы выделяющееся в ней количество тепла обеспечивало постоянную температуру нити. В такой системе поддерживается постоянным сопротивление ЧЭ с помощью усилителя, включаемого в цепь обратной связи (ОС) измерительной системы. Практически, и в том, и в другом случае, нить находится в промежуточном состоянии, когда ток нагрева и температура нити слегка изменяются. Однако изменение одного из этих параметров стремятся свести к минимуму, а его остаточное влияние учитывают в виде поправки. Общий недостаток ТА постоянного тока: постоянная времени нагретой нити зависит от условий работы, т.е. от скорости исследуемого потока в первую очередь. При работе в высоко турбулентных потоках большие пульсации скорости вызывают заметные пульсации постоянной времени нити и всей системы, что приводит к погрешности воспроизведения высокочастотных сигналов. От такого недостатка свободны ТА постоянной температуры, поскольку в них компенсация осуществляется автоматически. Для компенсации изменений постоянной времени нити в системе постоянной температуры используется усилитель, коэффициент усиления которого в области высоких частот регулируется напряжением самой нити. Поэтому на практике при измерениях в турбулентных потоках всегда отдают предпочтение системе постоянной температуры. К достоинствам данного метода следует отнести также относительную простоту линеаризации градуировочной характеристики (ГХ) ТА.

1.2.4 Акустические измерители скорости

Действие акустических (ультразвуковых) измерителей скорости основано на том, что скорость распространения звуковой волны в движущейся среде равна геометрической сумме скорости звука в неподвижной среде и скорости среды . Если измерять суммарную скорость, то при известном значении скорости и известным угле между векторами и можно определить скорость потока . Не смотря на то, что в неподвижной среде скорость звука определяется температурой и плотностью среды, существуют методы компенсации этого влияния и принципиальных ограничений на разработку и применение акустических анемометров нет. Более того, ряд преимуществ по сравнению с другими существующими методам инициирует разработку приборов, работающих на этом принципе [6, 7]. Наиболее существенными преимуществами являются следующие: – акустические приборы могут измерять абсолютную скорость потока и не требуют градуировки; – измерение скорости акустическими методами не требует введения в поток каких-либо деталей, загромождающих его и искажающих картину течения. Измерение скорости звука в движущейся среде обычно осуществляется путем определения интервала времени , в течение которого звуковая волна проходит известное расстояние . На практике получили распространение 2 метода измерений: время - импульсный и фазовый. При время - импульсном методе измерения сигнал в виде ультразвукового импульса формируется излучателем И и улавливается приемником . Интервал времени между моментами приема и излучения сигала .

1.2.5 Магнитогидродинамический метод измерения скорости жидкости

Магнитогидродинамический (или электромагнитный) метод измерения скорости потока жидкости основан на явлении электромагнитной индукции. Из электродинамики известно, что при движении проводящей среды в поперечном магнитном поле в ней индуцируется электродвижущая сила (э.д.с.), которая действует в направлении, перпендикулярном вектору скорости движения среды и вектору индукции приложенного поперечного магнитного поля. Причем, э.д.с. пропорциональна скорости движения среды и значению индукции приложенного магнитного поля и не зависит от физических свойств среды (проводимости, температуры, вязкости и т.п.) [4, 8, 9]. Если в жидкость, движущуюся в поперечном магнитном поле, ввести 2 электрода, то под действием индуцируемой в потоке э.д.с. на электродах появляется разность потенциалов, пропорциональная скорости потока жидкости. Т. е. по величине разности потенциалов электродов можно судить о скорости течения жидкости. Приборы, использующие описанный принцип для измерения скорости , называют кондукционными измерителями. В принципе работы таких приборов заложены наилучшие возможности для реализации измерителей локальных скоростей, что очень важно при исследовании структуры турбулентных потоков. Электромагнитные кондукционные измерители (МГД - измерители) скорости имеют линейную зависимость выходного сигнала от скорости жидкости, определяемую конструктивными параметрами преобразователя и независящую от свойств жидкости. Неизменность конструктивных параметром первичного измерительного преобразователя (геометрических размеров и напряженности магнитного поля) во времени и под воздействием внешних влияющих факторов определяет высокую стабильность градировочной характеристики измерителя в сложных условиях эксплуатации. Высокие эксплуатационные и метрологические показатели МГД - измерителей по праву выдвигают их в число наиболее перспективных приборов для измерения средних скоростей и турбулентнтых пульсаций скорости в натурных исследованиях и изучении турбулентных течений в гидротехнических сооружениях [8, 9]. 1.3 Сравнительная характеристика методов измерения скорости.

Выбор метода измерений. На основе приведенного выше анализа существующих методов и средств измерений локальной скорости и турбулентных пульсаций скорости потоков жидкости можно сделать следующие выводы:

1.3.1. Корреляционный метод, несмотря на достоинства, отмеченные в р.1.2.1, не может быть использован для измерений турбулентных пульсаций скорости русловых потоков в связи со значительной длительностью процесса вычисления корреляционной функции сигналов от двух источников.

1.3.2. Оптический метод на основе лазерной доплеровской анемометрии позволяет создавать высокоточные и быстродействующие измерители локальной скорости (ЛДИС), не требующие градуировки. Однако эти приборы имеют высокую чувствительность к воздействию вибраций и очень критичны к юстировке оптической системы. Они незаменимы при выполнении лабораторных исследований и не могут применяться в натурных исследованиях, в том числе и при изучении турбулентности натурных русловых потоков.

1.3.3. Термоанемометрический способ измерения скорости (разновидность термодинамического метода) широко применяется для исследования турбулентности холодных потоков газа. Приборы, работающие на основе этого метода, при эксплуатации в натурных потоках реальной вязкой жидкости характеризуется плохими показателями надежности по причинам, указанным в р.1.2.3. Они применяются в качестве образцовых средств измерения пульсаций скорости при градуировке рабочих средств, использующих другие методы измерений, но сами практически не применяются в качестве рабочих средств измерения турбулентных пульсаций скорости в натурных исследованиях русловых потоков.

1.3.4. Акустические (ультразвуковые) приборы предпочтительны для применения в качестве измерителей расхода и малопригодны для измерения локальных скоростей ввиду значительных размеров зоны формирования сигнала таких приборов.

1.3.5. Приборы, определяющие скорость путем измерения разности полного и статического давления жидкости в потоке, пригодны для измерения только осредненной по времени скорости в локальном объеме жидкости. Это обусловлено динамическими характеристиками приемника полного давления. Для измерения пульсаций скорости такие приборы не применяются.

1.3.6. Идея измерения скорости потока жидкости, движущейся в поперечном магнитном поле, по величине индуцируемой в жидкости э.д.с. принадлежит М.Фарадею. Этот метод положен в основу создания различных измерительных устройств: расходомеров для измерения скорости кровотока, электромагнитных расходомеров для различных отраслей промышленности, магнитогидродинамических устройств для атомной энергетики, магнитогидродинамических измерителей скорости морских течений, электромагнитных лагов и т.д. Для натурных исследований турбулентности русловых потоков перспективны магнитогидродинамические (МГД) преобразователи пульсаций скорости с локальным магнитным полем благодаря их высоким эксплуатационным и метрологическим показателям. Они обеспечивают независимое измерение одновременно нескольких составляющих вектора пульсаций скорости потока, чего нельзя сказать об измерителях на основе методов, рассмотренных в р1.2. Кроме того, МГД - преобразователи обладают высокой пороговой чувствительностью, линейной зависимостью выходного электрического сигнала от скорости, не зависящей от свойств рабочей жидкости (температуры, проводимости, плотности, вязкости и т.п.), характеризуются высокой надежностью и пригодностью эксплуатации в потоках агрессивных жидкостей. С учетом отмеченного выше в данной работе для разработки электронного устройства измерения турбулентных пульсаций скорости русловых потоков выбран электромагнитный (магнитогидродинамический) метод измерения скорости.

2 МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛИ СКОРОСТИ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ

2.1 Принцип работы магнитогидродинамических измерителей скорости

Принцип работы электромагнитных или магнитогидродинамических (МГД) измерителей скорости основывается на использовании явлений и эффектов, происходящих в электропроводящей жидкости, движущейся в магнитном поле [8, 9]. Вследствие явления электромагнитной индукции в проводящей жидкости, движущейся в поперечном магнитном поле, индуцируется электрическое поле, напряженность которого пропорциональна скорости жидкости и индукции приложенного магнитного поля и не зависит от свойств движущейся среды: , где — вектор напряженности индуцируемого электрического поля; — вектор скорости потока жидкости; — вектор индукции приложенного к потоку магнитного поля (см. рис. 2.1). Неравномерность распределения локальных гидродинамических параметров потока приводит к неравномерному распределению индуцированного электрического поля и индуцируемых в потоке э.д.с. Это приводит к возникновению в жидкости уравнительных циркуляционных токов, создающих вторичное магнитное поле, напряженность которого также пропорциональна скорости потока жидкости , где K — коэффициент, зависящий от конструкции прибора; — проводимость жидкости. Вторичное магнитное поле, взаимодействую с основным полем, вызывает появление силы Лоренца, величина которой пропорциональна скорости жидкости: 2.2 Обзор конструкций МГД - преобразователей пульсаций скорости для натурных измерений По конструкции магнитной системы, создающей магнитное поле, различают первичные измерительные преобразователи с внешним магнитным полем [4, 8, 9] и локальным, создаваемым только в области измерения [8, 12 - 14]. Первые применяются в гидродинамических лабораторных исследованиях в небольших каналах, в которых можно создать однородное магнитное поле нужной протяженности; вторые нашли более широкое применение в натурных измерениях. Преобразователи второго вида в свою очередь можно разделить на два типа — преобразователи с проточным рабочим участком и преобразователи обтекания. Схема преобразователя проточного типа с локальным полем [12]

Выводы по работе

С учетом отмеченного выше в данной работе для разработки электронного устройства измерения турбулентных пульсаций скорости русловых потоков выбран электромагнитный (магнитогидродинамический) метод измерения скорости. МГД - преобразователи обладают высокой пороговой чувствительностью, линейной зависимостью выходного электрического сигнала от скорости, не зависящей от свойств рабочей жидкости (температуры, проводимости, плотности, вязкости и т.п.), характеризуются высокой надежностью и пригодностью эксплуатации в потоках агрессивных жидкостей.

Список  литературы:

1. Гринвальд Д.И. Турбулентность русловых потоков. –Л.: Гидрометеоиздат, 1974. – 168с.

     Автор:сахбани Самир