Аэродинамическая установка

Аэродинамическая установка, на которой выполняются лабораторные работы и исследования, представляет собой модель двух параллельно соединенных горных выработок, выполненную в масштабе 1: 75 (рис. 1). Блок установок включает 4 модели, отличающиеся параметрами крепи, площадями поперечного сечения и периметрами выработок, аэродинамическими сопротивлениями ветвей и типами вентиляторов (табл. 1).

Во всех четырех установках сечение коллектора S_к=S₁=0,0021м² , сечение выработки в точке 8 S₈=0,0020 м² . Аналогичную величину сечения следует принимать во всех выработках модели без крепи (S=0,0020 м²).

Побудителем тяги в модели является центробежный вентилятор В, работающий на всасывание и обеспечивающий движение воздуха в модели от коллектора К к выходному отверстию вентилятора. Электродвигатель Э вентилятора включается черной кнопкой «Пуск» П, а выключается красной кнопкой «Стоп» С.

Таблица 1

Номер установки	Выработка	Тип крепи	Диаметр крепи d, м	Продольный калибр крепи Δ	Площадь поперечного сечения выработки в свету S, м	Периметр поперечного сечения выработки P, м
	Верхняя   Нижняя	Без крепи   Крепежные рамы	-   0,002	-   3,15	0,0020   0,0017	0,180   0,165
	Верхняя   Нижняя	Крепежные рамы   То же	0,003   0,003	3,50   4,00	0,0016   0,0016	0,160   0,160
	Верхняя   Нижняя	То же   То же	0,003   0,003	5,40   6,25	0,0016   0,0016	0,160   0,160
	Верхняя   Нижняя	То же   То же	0,003   0,003	1,00   2,13	0,0016   0,0016	0,160   0,160

Для измерения депрессии в выработках модели в точках 1-8 установлены приемники давления. Приемники ПСД, установленные в точках 1-6 и 8, служат для измерения статической депрессии, а приемник ТПД, установленный в точке 7, служит для измерения полной депрессии. Приемники ПСД представляют собой отверстия в стенке (почве) выработки, а приемник ТПД представляет собой Г-образную трубку, выступающую в выработку и направленную входным отверстием навстречу потоку воздуха. Это отверстие находится в одной плоскости (сечении) с ПСД, установленным в точке 6.

Все приемники давления (ПСД и ТПД) соединены резиновыми шлангами со штуцерами, выведенными на переднюю панель установки и обозначенными соответствующими приемникам номерами. К этим штуцерам подключаются приборы, служащие для измерения депрессии, в качестве которых могут быть использованы депрессиометр, микроманометр или тягомер. При подключении этих приборов к установке необходимо иметь в виду, что вентилятор установки работает на всасывание и поэтому давление воздуха в любой точке модели меньше атмосферного.

Рис. 1. Схема аэродинамической установки

0-атмосфера; 1,2,3,4,5,6,8 - приёмники статического давления; 7 – приёмник полного давления; К – коллектор; Ш₁, Ш₂ – шиберы 1 и 2; В – вентилятор; Э – электродвигатель; М – микроманометр; Т – тягомер; П, С – кнопки «Пуск» и «Стоп»; L – длины участков, м (L₁=0,03, L₂=0,10, L₃=0,10, L₄=0,04, L₅=0,13, L₆=0,46, L₇=0,60, L₈=0,25, L₉=0,17, L₁₀=0,46, L₁₁=0,60, L₁₂=0,25, L₁₃=0,45)

Сопротивление выработок (ветвей) модели и, следовательно, расход воздуха в них регулируется шиберами Ш₁ и Ш ₂ .При закрытом шибере 2 и открытом шибере 1 весь воздух идет по пути 0-1-2-3-4-8; при закрытом шибере 1 и открытом шибере 2 весь воздух идет по пути 0-1-5-6-8; если открыты оба шибера, то воздух идет по обоим ветвям.

Параметры, полученные при работе на любой установке, будут использоваться в последующих лабораторных работах. Поскольку эти параметры на разных установках различны, то весь цикл лабораторных работ следует выполнять на одной и той же установке.

4. Приборы для измерения депрессии и давления

1. Депрессиометр (рис.2) представляет собой U-образную стеклянную трубку 2, прикрепленную к плоской опоре 1 (доске). Оба колена трубки параллельны и имеют одинаковый внутренний диаметр. Трубка или доска, к которой она прикреплена, снабжена шкалой 3 с делениями. Нуль шкалы размещен посредине длины трубки и отсчет по шкале ведется вверх и вниз от нуля. Трубка до нулевого деления заполняется жидкостью 4 (водой, спиртом, керосином….), которая для лучшего видения может подкрашиваться.

Рис. 2. Депрессиометр.

Депрессия представляет собой разность давлений воздуха между двумя точками (пунктами) воздушного потока. Поэтому для измерения депрессии один конец трубки с помощью резинового шланга присоединяют к одной, а другой конец – к другой точке, разность давлений между которыми требуется измерить. При этом очевидно, что уровень 5 жидкости в колене трубки, которое присоединено к точке с бóльшим давлением, опустится, а в другом колене – поднимется (уровень 6). Таким образом разность давлений уравновесится весом избыточного столба жидкости. Если трубки вертикальны, то эта разность давлений (депрессия) определится как

h = p₁ - p₂ = γ_ж h_ж (10)

где: p₁ и p₂ – величина давления в точках, между которыми измеряется депрессия; γ_ж - удельный вес жидкости; h_ж – высота избыточного столба жидкости, т. е. разность между уровнями жидкости в правом и левом коленах трубки.

Если один конец трубки депрессиометра открыт (сообщается с атмосферой), а другой присоединен к пункту замера, то прибор покажет разность между атмосферным давлением и давлением в пункте замера. Для того, чтобы показания депрессиометра были правильными, его трубки должны быть в вертикальном положении.

Размерность измеренной таким образом депрессии зависит от градуировки шкалы депрессиометра. Так как 1 кгс / м² = 1 мм водяного столба[1], то давление (депрессию) можно измерить непосредственно в миллиметрах водяного столба. При этом в формуле (10) h_ж измеряется в миллиметрах, а γ_ж - в относительных единицах (плотность или удельный вес жидкости относительно плотности или удельного веса воды, равных единице). Если трубка депрессиометра заполнена водой, то величина измеряемой депрессии будет численно равна высоте избыточного вертикального столба воды в одном из колен депрессиометра (т.е. расстоянию между менисками в обоих коленах), выраженной в миллиметрах, (т.к. для воды γ_ж=1, то h=h_ж ; на рисунке 2 изображен именно этот случай).

Удельный вес воды γ=1, если его измерять в г/см³. При такой размерности удельный вес воды и любой другой жидкости численно совпадает с их плотностью. Поэтому величина γ (γ_ж,γ_с , γ_сс ) может выражаться в относительных единицах плотности или удельного веса жидкости, используемой в измерительном приборе (депрессиометре, микроманометре, тягомере) или этими же показателями, выраженными в г/см³, кг/литр, т/м³.

2. Микроманометр служит для измерения депрессии и имеет аналогичный с депрессиометром принцип действия. В отличие от депрессиометра одно колено микроманометра представляет собой широкий резервуар, а второе – узкую стеклянную трубку (рис 3), угол наклона β которой к горизонту можно менять. Чем меньше угол наклона, тем с большей точностью может быть измерена депрессия.

Рис. 3. Схема микроманометра

Для измерения депрессии резервуар микроманометра присоединяют к пункту с бóльшим давлением, а трубку – к пункту с меньшим давлением. При этом уровень жидкости в резервуаре опускается, а в трубке поднимается (жидкость вытесняется из резервуара в трубку). Так как площадь сечения резервуара в несколько сотен раз превышает площадь сечения трубки, то изменением уровня жидкости в резервуаре можно пренебречь и брать отсчет только по наклонной трубке.

Наиболее распространенным является многопредельный микроманометр бачкового типа ММН, позволяющий измерять перепады давления (депрессию) до 200 мм водяного столба. Внешний вид ММН иллюстрируется рис. 4.

Рис. 4. Микроманометр ММН

На силуминовой подставке 9 неподвижно укреплен герметически закрытый резервуар 2, заполняемый, как правило, спиртом, и шарнирно присоединенная оправа, в которой закреплена стеклянная измерительная трубка 8 со шкалой, имеющей миллиметровые деления. На крышке резервуара находится трехходовой кран 5 со штуцером 3, обозначенным знаком «+», и штуцером 4, обозначенным знаком «-». Штуцер «+» соединен с внутренней полостью резервуара, а штуцер «-» соединен резиновым шлангом 7 с измерительной трубкой. Рукоятка трехходового крана может занимать два положения: «0» – при проверке начального положения мениска спирта в трубке и «+» – при измерениях. На крышке резервуара размещены также регулятор 6 для установки мениска спирта в трубке в нулевое положение, уровни 11 для контроля установки микроманометра в горизонтальное положение с помощью установочных винтов 1 и пробка, закрывающая отверстие для заливки спирта в резервуар. К подставке прикреплен кронштейн 10 с пятью отверстиями для фиксации наклона трубки, помеченными цифрами 0,8; 0,6; 0,4; 0,3; 0,2, которые обозначают фактор прибора К_м.

Фактор прибора переводит показания наклонной трубки, заполненной спиртом в миллиметры вертикального водяного столба: К_м = ρ_ссsin β,где ρ_сс =0,8095 – стандартная плотность спирта, г/см³, (такую плотность имеет спирт крепостью 96 % при температуре 18˚С); β – угол наклона измерительной трубки к горизонту, град.

Правила работы с микроманометром ММН

1. Установить подставку прибора в горизонтальное положение с помощью установочных винтов и уровней.

2.С помощью шлангов, одетых на штуцеры «+» и «-», присоединить микроманометр к точкам замера (соответствующим штуцерам аэродинамической установки); при этом штуцер «+» (резервуар ММН) соединяется с областью бóльшего, а штуцер «-» (трубка) – с областью меньшего давления.

3. Установить трубку в верхнем положении (фактор К_м = 0,8)

4. Поставить рукоятку трехходового крана в положение «0» и установить регулятором мениск спирта в трубке на нулевой отметке. Если столбик спирта в трубке стоит значительно выше нуля, то зафиксировать (записать) его начальное положение h_o.

5. Поставить рукоятку трехходового крана в положение «+» (измерение).

6. Включить черной кнопкой вентилятор установки.

7. Записать положение мениска спирта в трубке при работе вентилятора h_к.

8. Измерить температуру воздуха t и атмосферное давление p₀ в лаборатории.

Особенности работы

Если столбик спирта в наклонной трубке при работе вентилятора поднимается меньше, чем на 10 мм (h_к. - h_o <10 мм), то для большей точности замера следует уменьшить угол наклона измерительной трубки с таким расчетом, чтобы (h_к. - h_o ≥ 10 мм).

Если мениск спирта в трубке при работающем вентиляторе сильно колеблется, то зафиксировать его среднее положение, относительно которого происходят колебания.

Необходимо следить за тем, чтобы в столбике спирта не было воздушных пузырьков, а при их наличии обратиться к руководителю лабораторных занятий.

Обработка результатов измерений

Величина депрессии при измерениях микроманометром ММН вычисляется в миллиметрах водяного столба (мм. вод. ст.) по формуле:

h = К_м h_н П_с (11)

где: К_м – фактор прибора при данном измерении (принимается в зависимости от принятого наклона трубки); h_н = h_к – h_о – изменение (подъем) уровня спирта в наклонной трубке, мм; П_с– поправочный коэффициент, учитывающий изменение стандартной плотности спирта ρ_c под действием температуры, (о размерности ρ_с сказано в комментариях к депрессиометру).

Показатели ρ_с и П_с могут определяться двумя способами. При первом способе показатель ρ_с принимается по графику, имеющемуся в лаборатории, в соответствии с зафиксированной температурой воздуха, а показатель П_с вычисляется по найденному значению ρ_с через стандартную плотность спирта:

П_с = ρ_с: 0,8095

При втором способе показатель П_с вычисляется по эмпирической формуле: П_с=1,0082 - 0,00108 (t – 10), где t – зафиксированная температура воздуха, ^оС, а показатель ρ_с вычисляется через стандартную плотность спирта по найденному значению П_с:

ρ_с= 0,8095 П_с

Оба способа применимы лишь в том случае, когда микроманометр заправлен спиртом со стандартной плотностью. Если микроманометр заправлен нестандартным спиртом или другой жидкостью, то значения ρ_с или ρ_ж и П_с сообщает преподаватель.

При замере микроманометром, заправленным водой, величина депрессии рассчитывается по упрощенной формуле:

h = К_м h_н (12)

Для систематизации и удобства обработки результатов измерений все необходимые данные следует заносить в табл.3, которая будет использоваться в каждой лабораторной работе.

3. Тягомер. Принцип устройства и действия тягомера аналогичен микроманометру ММН. Тягомер представляет собой стеклянный резервуар с длинной трубкой, которые размещены в металлическом кожухе и снабжены шкалой с миллиметровыми делениями. Кожух и трубка укреплены на вертикальной опоре (доске аэродинамической установки) в наклонном положении. Угол наклона трубки тягомера на каждой аэродинамической установке фиксирован и (в отличие от микроманометра) не может меняться в процессе измерений, поэтому фактор тягомера К_т имеет постоянное значение.

Резервуар тягомера, расположенный в нижней части трубки, снабжен штуцером со знаком «+», а верхняя часть трубки – штуцером со знаком «-». Для измерения разности давления (депрессии) штуцер со знаком «+» с помощью шланга соединяется с областью большего давления, а штуцер со знаком «-» - с областью меньшего давления. При этом жидкость из резервуара выдавливается в трубку, причем длина выдавленного столба жидкости пропорциональна величине измеряемой депрессии. В качестве жидкости используется спирт, керосин, вода или другая жидкость.

Правила работы с тягомером

1. Измерить температуру воздуха t и атмосферное давление p₀ в лаборатории.

2. Присоединить тягомер шлангами к тем точкам (штуцерам) установки, разность давления между которыми нужно измерить.

3. Записать начальное положение мениска жидкости в трубке h_o .

4. Включить вентилятор аэродинамической установки.

5. Записать положение мениска жидкости при работе вентилятора h_к.

6. При колебаниях мениска и наличии пузырьков воздуха поступить так же, как и при работе с микроманометром.

Величина депрессии, замеренной тягомером, вычисляется в мм. вод. ст. по формуле

h= К _т h_нт γ_ж (13)

где: h _нт = h _к – h ₀ – длина наклонного столба жидкости, выдавленной из резервуара в трубку тягомера, мм; γ_ж – удельный вес жидкости, для воды γ_ж = 1, для спирта величина γ_ж = γ_с определяется по графику в зависимости от температуры или вычисляется через показатель П_с так же, как при измерении микроманометром. При использовании другой жидкости значение γ_ж сообщает преподаватель (о размерности показателя γ_ж сказано выше).

4. Барометр - анероид в рассматриваемом цикле лабораторных работ служит для измерения атмосферного (аэростатического) давления. Принцип работы прибора основан на изменении толщины соединенных в один блок полых анероидных коробок при повышении или понижении атмосферного давления. Изменение толщины коробок посредством системы рычагов передается стрелке, которая перемещается относительно круговой шкалы прибора. Шкала градуирована в килопаскалях или миллиметрах ртутного столба. Величина давления определяется в соответствии с показаниями стрелки. Перед снятием отсчета следует слегка постучать согнутым пальцем по стеклу барометра для преодоления инерционных сил и трения.

К снятому отсчету алгебраически прибавляются три поправки: шкалы, температурная и добавочная. Значения этих поправок приведены в поверочном свидетельстве барометра.

5. Приемники давления. Как уже указывалось в разделе 1, в воздушных потоках действует статическое, динамическое (скоростное) и полное давление. Статическое давление p_ст действует одинаково в пределах плоскости сечения выработки на все поверхности в потоке воздуха (стенки выработок, трубопроводов, поверхности тел, находящихся в потоке). Динамическое (скоростное) давление p_ск действует только на поверхности, на которые набегает воздушный поток. Так как скорость движения воздуха в различных точках поперечного сечения неодинакова, то неодинакова в этих точках и величина скоростного давления. Полное давление равно алгебраической сумме статического и скоростного давления, т. е. p _п = p _ст + p _ск.

В качестве приемников указанных видов давления используются воздухомерные трубки (трубки Пито). Эти трубки помещаются в поток воздуха, а к ним присоединяются приборы для измерения депрессии. Трубка Пито (рис. 5) имеет наконечник 1, державку 2 и два конца 3 и 3’, обозначенных знаками «+» и «-» и служащих для подключения к ним измерительного прибора (депрессиометра, микроманометра или тягомера).

Центральное отверстие 4 наконечника трубки Пито направляется навстречу потоку и через него по внутреннему каналу 4’ к концу 3 со знаком «+» передается полное давление p_п. Щелевое отверстие 5 на боковой поверхности наконечника, параллельной потоку, воспринимает статическое давление p_ст, которое по внутреннему каналу 5’ передается к концу 3’ со знаком «-».

Рис. 5. Воздухомерная трубка (трубка Пито)

На рис.6 показаны схемы подключения депрессиометра к трубке Пито при измерении статической h _ст, полной h _п, и скоростной h _ск депрессии в любой точке всасывающего трубопровода.

На рис.6, а) показано измерение статической депрессии h _ст. Для этого один конец трубки депрессиометра оставляют открытым, а второй конец соединяют шлангом с тем концом введенной в воздухопровод трубки Пито, который обозначен знаком «-». При этом на открытый конец трубки депрессиометра действует атмосферное (аэростатическое) давление p _о , а на второй конец – статическое давление p _ст в потоке воздуха, воспринимаемое щелевым отверстием на наконечнике трубки Пито. Так как давление во всасывающем трубопроводе меньше атмосферного, то жидкость в открытом колене депрессиометра опустится, а во втором – поднимется. Разность уровней жидкости в обоих коленах покажет величину статической депрессии h _ст=p _о–p _ст.

Рис. 6. Схемы измерения депрессии депрессиометром во всасывающем трубопроводе (1 – воздухопровод, 2 – трубка Пито, 3 – депрессиометр).

При измерении полной депрессии h_п (рис. 6, б) один конец трубки депрессиометра также оставляют открытым и на него действует атмосферное давление p _о, а второй соединяют с концом трубки Пито со знаком «+», куда передается полное давление p_п .Так как для всасывающего трубопровода p _п < p _o , то в открытом колене депрессиометра жидкость опустится, а во втором – поднимется, и разность их уровней покажет величину полной депрессии h _п = p _о – p _п . Поскольку p _п > p _ст , то h _п < h _ст.

При измерении скоростной депрессии h _ск (рис.6,в) один конец трубки депрессиометра соединяют с концом «+», а другой – с концом «-» трубки Пито. Так как на конец «+» передается полное давление p_п, а на конец «-» – статическое давление p_ст , причем p_п>p_ст , то разность уровней жидкости покажет величину скоростной депрессии h _ск = p _п – p _ст .

На рис.7 показаны аналогичные рис.6 схемы подключения микроманометра к трубке Пито при измерениях h _ст (рис.7,а), h _п (рис.7,б) и h _ск (рис.7,в) во всасывающем трубопроводе.

Рис. 7. Схемы измерения микроманометром во всасывающем трубопроводе

В аэродинамических установках, на которых выполняются лабораторные работы, роль трубки Пито выполняют совместно точки 6 и 7 (рис.1): точка 6 служит приемником статического давления (подобна щелевому отверстию 5 на рис.5), а точка 7 – приемником полного давления (подобна центральному отверстию 4 на рис.5).

Дата добавления: 2015-07-16