7.4. Измерение давлений

При изучении движения жидкости и газа различают понятия статического и полного давлений. Статическое давление в невозмущенном потоке можно определить как давление, которое действовало бы на стенку тела, движущегося вместе с потоком, или стенку, расположенную параллельно движению потока. Полным давлением называется давление заторможенного без потерь потока. Исходя из этого, строятся методы определения указанных параметров.

Измерение полного давления

Если в движущийся поток поместить тело (например цилиндр), то оно будет оказывать тормозящее воздействие на окружающий поток, в результате чего на поверхности тела установится определенное распределение давления. В центральной точке носка, расположенной на оси тела (критическая точка), поток тормозится полностью и его скорость равно нулю. Если в месте расположения критической точки выполнить отверстие и соединить его импульсной трассой с манометром, то прибор покажет величину полного давления. Таким образом мы получим простейший цилиндрический приемник полного давления. Такой приемник, несмотря на свою простоту, имеет достаточно хорошую точностную характеристику ( погрешность измерения давления составляет менее 1%).

Недостатком цилиндрического приемника является его высокая чувствительность к скосу потока ( не более ). Это объясняется тем, что если поток набегает под некоторым углом к оси приемника, то критическая точка перемещается на другое место и манометр, соединенный с отверстием на оси приемника, уже показывает меньшее давление. С целью устранения недостатка обычно меняют форму головки приемника, а именно – выполняют раззенковку приемного отверстия, применяют двойную трубку ( формируют камеру торможения ) и т.п.

В двигателях, чтобы не загромождать проточную часть, приемники полного давления обычно размещают внутри обтекаемых тел ( например внутри сопловых или спрямляющих аппаратов, стоек и т.п.).

При измерениях в сверхзвуковом потоке перед приемником полного давления возникает ударная волна ( скачок). В этом случае измеряемое полное давление из-за потерь в ударной волне будет меньше полного давления в невозмущенном потоке, что необходимо учитывать при обработке результатов измерений. Отношение полных давлений за скачком и перед ним определяется по формуле Рэлея:

,

где – отношение удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении и при постоянном объеме;

– полное давление перед скачком;

– полное давление за скачком.

Форма и геометрические размеры насадка приемника для измерения полного давления определяются в зависимости конкретных условий применения.

Измерение статического давления

Измерение статического давления на поверхности тел и стенок каналов осуществляется с помощью дренажирования то есть с применением специально выполняемых дренажных отверстий в стенках тел и каналов. К форме и расположению дренажных отверстий предъявляются определенные требования: ось отверстия должна быть строго перпендикулярна поверхности; диаметр должен быть в пределах 0,5…1,5 мм ( отверстия меньшего диаметра быстро засоряются, большего дают значительную ошибку измерения ); отношение толщины стенки к диаметру отверстия не должно быть меньше 3; кромки отверстия не должны иметь заусенцев, скруглений и фасок так как иначе возможны заметные погрешности измерения. Для измерения статического давления в потоке применяются Г- образные и дисковые насадки различных конструкций.

Применение Г-образных насадков основано на том, что на поверхности осесимметричного тела вращения с обтекаемой головной частью на расстоянии более 3-х диаметров отверстия от носка давление практически равно статическому. На этом расстоянии осуществляется отбор давления. Эти насадки обеспечивают возможность достаточно точно измерить статическое давление в широком диапазоне изменения дозвуковой скорости ( ).

Дисковые насадки можно изготовить меньших размеров, чем Г-образ-ные. Их конструкция более жесткая. Значительным достоинством дисковых насадков является нечувствительность к углу натекания в плоскости измерения. Однако, при наличии угла скоса между направлением потока и плоскостью измерения более дисковые насадки дают значительные погрешности.

Для измерения статического давления в сверхзвуковом потоке применяют иглообразные насадки, в которых приемные отверстия располагают на значительном расстоянии от головной части. Чтобы избежать большой погрешности измерения, необходимо угол заострения головной части делать меньше предельного угла, при котором возникает отсоединенная волна на конусе. К недостаткам рассматриваемых насадков следует отнести малую жесткость, вследствие чего они подвержены колебаниям ( вибрациям ). Вибрации могут искажать показания величины статического давления и приводить к быстрым поломкам насадков.

Измерение динамического напора

Динамический напор представляет собой разность между полным и статическим давлениями: и может быть измерен с помощью дифференциального манометра, к которому подключены трубки отбора полного и статического давлений.

Широкое распространение получила двойная напорная трубка, так называемая «трубка Прандтля», в которой устройства для отбора статического и полного давлений объединены в одном корпусе. Эта трубка позволяет непосредственно измерить динамическое давление в любой точке поперечного сечения потока и при этом на получаемые значения не оказывает какого-либо сильного влияния угол скоса, который трубка образует с направлением потока. Размеры такого комбинированного насадка определяются по нормалям ( стандартам ) и зависят от его диаметра.