способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта, включающий испытание тракта на переходном режиме, измерение давления на выходе тракта и измерение давления газа в замкнутой камере с фиксированным объемом, определение площади поперечного сечения перед входом в тракт, вычисление значения коэффициента гидравлического сопротивления, отличающийся тем, что перед началом испытания тракта, до заполнения камеры газом, в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ - жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт, а коэффициент гидравлического сопротивления определяют по формуле

где - коэффициент гидравлического сопротивления;

p·(t)=p _r(t)+gh(t)-p _H - текущее значение перепада полного давления на тракте, Па;

V₁(t)=(dh(t)/dt)/e - текущее значение скорости жидкости на входе в тракт, м/с;

Re₁ (t)=(V₁d₁)/ - текущее значение числа Рейнольдса на входе в тракт;

d ₁ - гидравлический диаметр поперечного сечения на входе в тракт, м;

, - динамическая вязкость, м²/с, и плотность, кг/м ³, жидкости;

е=F₁/F_б - степень сужения сечения на входе в тракт,

F_б, F ₁ - соответственно площади поперечного сечения бака и на входе в тракт, м²;

t - текущее время проливки тракта, с;

h(t) - текущее значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

g=9,81 м/с² - ускорение земного притяжения;

р_н - давление на выходе из тракта, Па.

2. Устройство для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта содержит замкнутую камеру фиксированного объема с источником давления газа, держатель тракта, измеритель давления газа в камере и установленный на выходе испытуемого тракта запорный элемент, соединенный гибкой связью с держателем тракта, отличающееся тем, что устройство содержит источник жидкости, измеритель уровня жидкости в камере, предохранительный клапан, сливную емкость, систему перекачки жидкости из сливной емкости в камеру при повторном использовании жидкости, при этом запорный элемент снабжен пробкой для удаления газовых включений из внутренних полостей тракта при заполнении камеры жидкостью перед проливкой тракта.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области определения гидравлического сопротивления трактов различных силовых, энергетических и технологических установок в авиации, космонавтике, в газовой, нефтехимической и др. отраслях промышленности.

Известен "Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления", авторское свидетельство № 1439421 от 06.04.87 г., в котором при испытании на выходе камеры включают вентилятор и на стационарном режиме засасывают воздух из атмосферы через вход испытуемого тракта, при этом с помощью датчика измеряют силу аэродинамического сопротивления и по формуле определяют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

Недостатками данного технического решения являются сложность устройства при больших материальных затратах, высокий расход продуваемого воздуха и невозможность определять коэффициент гидравлического сопротивления тракта при использовании в качестве рабочего тела жидкости.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является "Способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления", авторское свидетельство № 1830474 от 04.03.91 г., при котором исследуемый тракт продувают газом на переходном режиме из замкнутой камеры с заданным объемом, измеряют давление газа в этой камере и время истечения газа из нее и по формуле вычисляют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

Основным недостатком принятого за прототип технического решения является невозможность определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта при использовании в качестве рабочего тела не газа, а жидкости.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности определения коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с сохранением при проливках натурных жидкостей.

Технический результат достигается тем, что перед началом испытания тракта, до заполнения камеры газом, в камеру заливают фиксированный объем жидкости с образованием поверхности раздела газ-жидкость, измеряют площадь поперечного сечения камеры, начальную высоту газовой подушки в камере, начальную и изменяющуюся по времени проливки тракта высоту столба жидкости в камере над входом в тракт и по формуле определяют коэффициент гидравлического сопротивления тракта.

На чертеже приведена схема устройства для определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта.

Предлагаемое устройство содержит замкнутую камеру 1, источник 2 давления газа, держатель 3 тракта 4, установленный неподвижно на выходе камеры 1, измеритель 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1 и запорный элемент 7 с пробкой 8, установленный на выходе тракта 4. Запорный элемент 7 прикреплен к держателю 3 тракта 4 гибкой связью 9. Камера 1 соединена с источником 2 давления газа магистралью 10 с краном 11. Устройство также содержит источник 12 жидкости, измеритель 13 высоты 14 столба жидкости в камере 1, измеритель 15 перепада полного давления на тракте 4, сливную емкость 16 и систему перекачки в камеру 1 жидкости из сливной емкости 16, состоящую из всасывающей магистрали 17 с краном 18, насоса 19 и напорной магистрали 20 с краном 21. На камере 1 установлен предохранительный клапан 22. Источник жидкости 12 соединен с камерой 1 магистралью 23 с краном 24.

Пробка 8 в запорном элементе 7 предназначена для удаления газовых включений в каналах тракта 4 при заливке в камеру 1 жидкости.

Принцип действия измерителя 13 высоты столба 14 жидкости в камере 1 основан на измерении разности статических давлений в газовой полости 6 камеры 1 и в сечении на входе в тракт 4.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. При закрытых кранах 11, 18, 21, 24 к держателю 3 камеры 1 прикрепляется тракт 4 с заранее установленным на нем запорным элементом 7 и ввернутой в его корпус пробкой 8. Выворачивается пробка 8, открывается кран 24 и из источника жидкости 12 через магистраль 23 в камеру заливается жидкость. При этом часть жидкости через отверстие пробки 8 сливается в сливную емкость 16. С появлением сплошной струи жидкости без газовых включений пробку 8 закрывают. Заполнение камеры 1 жидкостью прекращается закрытием крана 24 в момент достижения заданной начальной высоты h_о столба жидкости 14 в камере 1, регистрируемой измерителем 13. Затем открывается кран 11 и из источника давления газа 2 по магистрали 10 камера 1 с залитой ранее жидкостью 14 заполняется газом. При достижении заданного начального значения давления p_го газа в газовой полости 6 камеры 1, регистрируемого измерителем 5, кран 11 закрывается. Далее открывается запорный элемент 7 и под действием изменяющегося по времени t перепада давления начинается проливка исследуемого тракта 4. Момент открытия запорного элемента 7 принимается за начальный момент времени t=0 изоэнтропического расширения газа в камере 1 с показателем политропы n. По мере вытеснения жидкости 14 из камеры 1 объем газовой полости 6 увеличивается, а давление газа р_г и высота столба h жидкости 14 в камере 1 уменьшаются. Следовательно, при неизменном давлении р_н на выходе из тракта 4 происходит уменьшение по времени t как перепада давления p ^*(t) на исследуемом тракте 4, так и определяемой им скорости жидкости V₁(t), а следовательно, и числа Рейнольдса Re₁(t), на входе в тракт 1. Причем изменение V₁(t) и Re₁(t) будет происходить в очень широких интервалах значений, что позволяет в процессе одиночной проливки тракта определить зависимость коэффициента , гидравлического сопротивления тракта от числа Re в широком диапазоне его изменения. Изменения p_г(t) и h(t) в процессе проливки тракта непрерывно регистрируются соответственно измерителем 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1 и измерителем 13 высоты столба жидкости 14. Выходные сигналы измерителей 5 и 13 поступают на вход вычислительного устройства (на схеме не показано), которое позволяет в темпе проведения проливки тракта 4 определить зависимость =[Re(V ₁(t)], по формуле:

где - коэффициент гидравлического сопротивления;

текущее значение перепада полного давления на тракте, Па,

текущее значение скорости жидкости на входе в тракт, м/с.;

Re₁(t)=(V₁d₁)/ - текущее значение числа Рейнольдса на входе в тракт, d1 - гидравлический диаметр поперечного сечения на входе в тракт, м;

, - динамическая вязкость, м²/с, и плотность, кг/м ³, жидкости;

е=F₁/F_б - степень сужения сечения на входе в тракт;

F_б, F ₁ - соответственно площади поперечного сечения бака и на входе в тракг, м²;

t - текущее время проливки тракта, с;

h(t) - текущее значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

g=9,81 м/с² - ускорение земного притяжения;

р_н - давление на выходе из тракта, Па.

Выражения (2), (3) записаны для случая одновременного использования выходных сигналов измерителя 5 давления газа в газовой полости 6 и измерителя 13 высоты столба жидкости 14 в камере 1.

В случае использования выходного сигнала только одного измерителя 5 давления газа в газовой полости 6 камеры 1, вычисление входящих в соотношение (1) значений p ^*(t) и V₁(t) следует проводить по формулам:

где - относительное давление газа в камере;

L_го , p_го - начальная высота (в момент времени t=0) газовой подушки в камере, м, и начальное давление газа в камере, Па;

h_о - начальное значение уровня столба жидкости в камере над входом в тракт, м;

n - показатель политропы процесса расширения газа в камере.

При одновременном использовании выходных сигналов измерителя 5 давления газа в камере 1 и измерителя 15 перепада полного давления на тракте 4, входящее в соотношение (1) значение р ^*(t), непосредственно определяется по выходному сигналу измерителя 15 перепада полного давления на тракте 4, а значение V₁(t) вычисляется, как и в предыдущем варианте, по соотношению (5).

Для увеличения достоверности результатов определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта предлагаемым способом целесообразно использовать все три рассмотренных варианта вычисления по соотношению (1) [Re(V ₁(t)] одновременно.

Соотношение (1) для определенности записано применительно к случаю автомодельного течения жидкости через тракт, т.е. при числах Re>2000. Как правило, за редким исключением, тракты силовых и энергетических установок, а также всевозможных промышленных агрегатов работают именно в области автомодельных, развитых турбулентных течений. Предлагаемый же способ и соотношения (2)...(5) позволяют экспериментально определять зависимость коэффициента трактов не только в области автомодельности течения с квадратичной зависимостью от скорости V₁ потока жидкости, но и в области ламинарных течений, а также в переходной области, т.е. и при числе Re<2000.

В случае необходимости проливки тракта 4 натурной жидкостью, например какой-либо кислотой, жидким азотом или какой-либо другой криогенной жидкостью, для предотвращения вредного воздействия на окружающую среду камеру 1 вместе с исследуемым трактом 4 и сливной емкостью 16 следует заключить в герметичную барокамеру (на схеме не показана). В этом случае представляется возможным осуществлять проливку исследуемого тракта не только натурной жидкостью, но и при натурном значении противодавления р_н на выходе из тракта, что может оказать существенное влияние на точность определения величины гидравлического сопротивления тракта, через который в составе натурного объекта прогоняется, например, криогенная жидкость с низкими антикавитационными свойствами.

При вычислении по соотношениям (2)...(5) в темпе проведения испытаний должны использоваться хорошо разработанные в настоящее время методы, основанные на замене дифференциальных уравнений уравнениями в конечно-разностной форме.

Предлагаемый способ определения коэффициента гидравлического сопротивления тракта и устройство для его осуществления обеспечивает возможность экспериментального определения коэффициента гидравлического сопротивления полноразмерных трактов любой сложности с сохранением при проливках натурных жидкостей и натурных режимных параметров. Достоинством данного способа является возможность определения в процессе одной проливки тракта на переходном режиме зависимости коэффициента гидравлического сопротивления тракта в широком диапазоне изменения числа Рейнольдса (Re), что существенно снижает стоимость и сокращает время проведения экспериментальных исследований. При этом затраты на создание установки для реализации предлагаемого способа оказываются минимальными.