CC BY
41
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Том VIII 1 9 77 М2
УДК 533.6.071.082:532.526 533.6.071.08:681.26
ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ПЛОСКОЙ ПЛАСТИНЫ МЕТОДОМ „РАЗДЕЛИТЕЛЬНОЙ ПЛАНКИ"
В. М. Калявкин, В. Г. Колков, И. М. Пиница
Приведены результаты измерения напряжения трения на поверхности пластины, установленной под нулевым углом атаки в потоке аэродинамической трубы. Градуировочная зависимость, необходимая для применения метода „разделительной планки", получена с помощью непосредственного измерения силы поверхностного трения тензорезисторным весовым элементом. Проведено сопоставление с результатами аналогичных исследований, выполненных ранее методом „разделительной планки" по другой методике.
Интерес к методам измерения сил поверхностного трения, возникающих при обтекании воздушным потоком различных аэродинамических тел, несмотря на ряд работ в этой области [1—5], не ослабевает. Выбор того или иного метода измерения определяется поставленной задачей. Для измерения величины силы аэродинамического трения на поверхности лопасти винта некоторые известные методы оказываются неприемлемыми из-за нарушений работоспособности чувствительного элемента вследствие действия больших инерционных нагрузок. Поэтому необходим поиск такого метода измерения силы поверхностного трения, практическая реализация которого, например, на вращающейся лопасти была бы достаточно проста.
Сотрудниками Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина Н. И. Константиновым и Г. Л. Драгныш был разработан метод измерения напряжения поверхностного трения, названный методом „разделительной планки” [3]. Сущность этого метода основана на теоретическом решении Дина задачи о движении вязкой жидкости около пластинки, выступающей в поток по нормали к поверхности обтекаемого тела на высоту Л (фиг. )). При решении задачи предполагалось:
1) движение жидкости вдали от препятствия (пластинки) осуществляется с линейным законом распределения скоростей и(у) = ру, где [л — постоянное число;
2) движение жидкости—медленное, т. е. возможна линеаризация уравнений движения вязкой жидкости путем отбрасывания инерционных членов.
Поскольку высота разделительной планки Л очень мала (0,02-5-0,04 мм), то схема обтекания препятствия приближенно удовлетворяет сделанным выше предположениям. Действительно, даже в турбулентном пограничном слое существует тонкая пристеночная зона медленного движения жидкости (ламинарный подслой), где принятые допущения справедливы. В результате решения задачи о медленном движении вязкой жидкости около вертикального выступа при линейном распределении скоростей и (у) в потоке, обтекающем препятствие (см. фиг. 1), была получена следующая зависимость, связывающая напряжение
трения на пластине т и разность давления Др в потоке между точками Л и В, расположенными до и после выступа:
йр = Кцч0, (1)
где К/1 — коэффициент пропорциональности, величина которого согласно работе [3| зависит от высоты разделительной планки.
Из приведенной формулы следует, что измеренная таким образом разность давления йр пропорциональна напряжению трения на поверхности пластины в окрестности точки, где располагается выступ.
В работе [3] исследования напряжения трения методом .разделительной планки' проводились при нулевом значении угла р между нормалью к плоскости планки ппя и вектором невозмущенного потока £/т. В работе [5] была получена зависимость между величиной перепада Др и углом р в широком диапазоне значений угла скольжения, но при очень небольших скоростях потока. В данной работе экспериментальная зависимость т от Ь,р получена для ряда значений р с целью выявления возможностей применения на вращающейся лопасти винта чувствительного элемента, исследованного в условиях обтекания плоской пластины. Кроме того, с целью более строгого обоснования этой за-
Фиг. 1
висимости, измерение аэродинамической силы трения проводилось не косвенным методом, а путем непосредственного измерения с помощью тензорезистор-ного весового элемента.
Основные геометрические размеры пластины и расположение гнезд, предназначенных для установки в них измерительных элементов, приведены на фиг. 2. Всего на пластине имелось шесть гнезд диаметром 30 мм на различном расстоянии от передней кромки пластины. Гнезда, в которые во время испытаний измерительные элементы не устанавливались, закрывались заглушками. Чистота рабочей поверхности стальной пластины соответствовала седьмому классу.
Принципиальная схема устройства для измерения поверхностного трения по методу .разделительной планки* приведена на фиг. 3. Устройство состоит из разъемного корпуса 1, в котором для установки планки 2 предусмотрена канавка, длина которой в поперечном направлении к потоку равна 10 мм, в направлении по потоку — 0,16 мм. В корпусе выполнены каналы 4 для соединения приемника давления с полостями 3, расположенными до планки 2 и за ней. Планка 2 выступала над исследуемой поверхностью на высоту 0,04 мм, толщина ее была 0,08 мм, ширина 10 мм. Необходимая герметичность в местах стыка планки и корпуса достигалась с помощью клея и стягивания обеих половин корпуса винтами. Отклонение рабочей поверхности измерительного элемента от поверхности пластины контролировалось индикатором и не превышало 0,01 мм. Зазоры между корпусом прибора и пластиной были загерметизированы. Для измерения перепада давления, возникающего при обтекании выступающей в по-
ток планки 2, был применен тензорезисторный приемник низкого давления ТСД-0,35. Рабочие полости приемника давления через каналы 4 соединялись с полостями 3.
Для определения напряжения трения, входящего в формулу (1), проводилось непосредственное измерение силы поверхностного трения с помощью тен-зорезисторного весового элемента, устанавливаемого в то же гнездо, где ранее был установлен измерительный элемент по методу „разделительной планки". Измерительная поверхность в форме круглого диска диаметром 29,7 мм устанавливалась на весовом элементе, выполненном в виде статически неопределимой симметричной прямоугольной рамы, у которой два звена выполнены жесткими, а два других -являются упругими балками. На балки с двух сторон наклеиваются четыре тензорезистора. Весовой элемент устанавливался на пластине таким образом, чтобы между торцевой поверхностью весового измерительного элемента и пластиной обеспечивался равномерный зазор, равный 0,15 мм. Расстояние от
Пластина 1 2 3 Ь
Л.
Фиг. 3
Фиг. 4
передней кромкл пластины до центра исследуемого участка поверхности было равно 0,14 м. Величина отклонения измерительной поверхности элемента от поверхности пластины не превышала 0,01 мм. '
Измерительный мост, составленный из тензорезисторов, через П-образный фильтр подключался к преобразователю Ф-537, который преобразовывал входное напряжение в частоту следования импульсов, измеряемую частотомером-хронометром Ф-599. Диапазон преобразования по напряжению в данном эксперименте был выбран равным от 0 до 10 мВ, что обеспечивало выходную частоту преобразования при измерении входного сигнала, равную 10 000 Гц. Градуировка датчика давления ТСД-0,35 производилась с помощью микроманометра. Градуировочный коэффициент в диапазоне измерения был постоянен и равен 0,267 Па/Гц. Средняя квадратичная погрешность при измерении перепада давления не превышала 1,5%. Градуировочная зависимость для тензорезисторного весового элемента была линейной и имела градуировочный коэффициент, равный 0,16 Н/Гц. На основании многократных измерений было установлено, что средняя квадратичная погрешность измерения сил поверхностного трения с помощью тензорезисторного весового элемента не превышала 2,5%.
Испытания проводились при нулевом угле атаки пластины и углах скольжения р-= ± 15°, +10°, ±5°, 0. Скорость потока в аэродинамической трубе была равна £7^= 10, 15, 20, 25 и 30 м/с. Степень турбулентности потока трубы, в которой проводились испытания, равна 0,5%. При этих условиях пограничный слой в месте измерений был переходным от ламинарного к турбулентному. Зависимость Д/> = /(/Дел)> полученная при калибровках приемника низкого давления ТСД-0,35 совместно с примененной в эксперименте аппаратурой, и зависимость F = f^^лeл), которая была получена в результате калибровок весового тензорезисторного элемента, предназначенного для непосредственного измерения сил поверхностного трения, линейны.
На основании материалов испытаний гладкой пластины при нулевом угле атаки методом непосредственного измерения сил трения весовым тензорезис-торным элементом была получена зависимость величины напряжения т от скорости потока их, приведенная на фиг. 4.
Результаты испытаний с помощью метода „разделительной планки", полученные как при Р = 0, так и при (5 = + 5°, +10° и + 15°, также представлены в виде зависимости Др=/(иа^) на фиг. 4. Из графиков видно, что изменение
угла скольжения пластины от р = 0 до 8 = + 15° приводит лишь к некоторому уменьшению величины Ар при том же значении ит. Так, при £7^=30 м/с изменение угла скольжения р от 0 до + 15° вызывает уменьшение перепада давления Др на о%.
На фиг. 5 представлена зависимость т=/(Др) при а н р = 0, из которой следует, что коэффициент пропорциональности Ки в формуле (1) практически не изменяется в исследованном диапазоне значений скорости потока. На этой же фиг. 5 нанесены для сопоставления результаты испытаний по измерению напряжения трения, полученные в работах [3] и [5] при той же высоте „разделительной планки". Сравнение показывает, что, несмотря на различия в методике проведения испытаний, результаты практически совпадают. Учитывая то обстоятельство, что изменение угла скольжения пластины в диапазоне значений — 15°<:Р<;150 приводит к весьма небольшому изменению зависимости Дp=f(Uco), можно предположить, что метод „разделительной планки*, в том виде как он использован в данной работе, применим для исследования напряжения трения на лопастях несущего винта, работающего на режиме висения или в полете с малой горизонтальной составляющей скорости.
ЛИТЕРАТУРА
. 1. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., „Наука", 1969.
2. Мартынов А. К. Экспериментальная аэродинамика. М., Оборонгиз, 1958.
3. Константинов Н. И., Драгныш Г. Л. К вопросу об измерении напряжения трения на поверхности. Труды Ленинградского политехнического ин-та им. Калинина, № 176, 1955.
4. Rechenberg 1. Zur Messung der turbulenten wandspannung. Z. Flugwiss., 11, 1963.
5. V a g t I. D., Fernholz H. Use of surface fences to measure wall shear stress in three-dimensional boundary layers. Aeronaut. Quarterly, vol. 24, p. 2, 1973.
Рукопись поступила lOjll 1976 г.
