1. Постановка задачи

Целью данной работы является создание учебной лабораторной установки для лаборатории гидравлики и теплотехники кафедры 34, МГИУ и разработка соответствующих методических материалов.

Лабораторная работа предназначена для ознакомление студентов с таким явлением как отрыв потока при внутреннем течении в канале, которые встречаются довольно часто.

При течении жидкости или дозвуковом течении газа в канале пристеночный слой жидкости или газа обладает небольшой кинетической энергией вследствие работы сил вязкого трения. При течении жидкости или газа в расширяющемся канале на поток действует обратный градиент давления (увеличение давления вниз по потоку), в результате кинетической энергии пристеночного слоя жидкости или газа оказывается недостаточно для преодоления сил давления. Вследствие чего происходит отклонение потока от стенки канала и образование возвратно-циркуляционных зон. Это явление носит название отрыв потока или отрыв пограничного слоя.

В работе поставлена задача создания лабораторной работы, включающей в себя информативное методическое содержание, а также демонстрирующей явление с помощью выполнения измерений на современном регистрирующем оборудовании.

2. Описание решения

Конструкция учебного лабораторного стенда состоит из (рис. 1): вентилятор 1 ресивер 2, 3, рабочая часть 4

Общая схема установки (вид спереди) Рис. 1

Измерительная часть включает в себя:

панель с датчиками (датчики давления HONEYWELL), закрепленная на задней стороне лабораторного стенда

аналого-цифровой преобразователь (устройство сбора данных М-серии USB-6218 компании National Instruments)

устройство двухкоординатного позиционирования, осуществляющее перемещение трубки Пито-Прандтля (измерение скоростного напора) по рабочей части диффузора.

Цель измерений: в процессе проведения эксперимента осуществляется измерение статического давления на боковых стенках диффузора и скоростного напора в необходимых контрольных точках рабочей области.

Схема измерений: контрольные точки являются точками, в которых измеряются параметры потока (статическое давление и скоростной напор). Статическое давление измеряется на стенках канала (рис. 2), а скоростной напор - в трех сечениях рабочей области. В соответствие с координатами контрольных точек по стенкам диффузора располагаются приемники статического давления. Скоростной напор измеряется в соответствие с координатами контрольных точек в рабочей области посредством трубки Пито-Прандтля. Измерение осуществляется с опорой на статическое давление во входном сечении диффузора. Температура потока воздуха измеряется на протяжении всего эксперимента с помощью резистивного термодатчика, закрепленного на входе в конфузор. От датчиков аналоговый сигнал поступает в АЦП.

Измерения проводятся в цикле изменения угла раскрытия диффузора. Каждый цикл начинается выбором угла и заканчивается занесением значений полей статического давления в файл. Полный алгоритм сбора данных описан ниже.

Для работы с параметрами потока на стенках используется приложение 1 (рис. 2), написанное в среде лицензионной версии пакета LabVIEW 8.2.

Рис.2 Интерфейс приложений для сбора и обработки данных.

Для исследования поля скорости в нескольких поперечных сечениях канала используется приложение 2 (рис. 2).Ниже приведен алгоритм реализации программы в среде пакета LabVIEW:

1. Выбор каналов АЦП

2. Выбор максимального и минимального значений напряжения на датчиках

3. Выбор кол-ва опросов на канал и частоты опроса

4. Открытие задачи сбора данных с АЦП

5. Открытие цикла While для забора данных с АЦП.

6. Извлечение данных в виде двумерного массива

7. Индексирование двумерного массива для извлечения оттуда элементов в виде одномерного массива, соответствующего необходимым каналам АЦП.

8. По канальное усреднение получаемых значений элементов одномерного массива.

9. Пересчет усредненных значений в соответствии с тарировочными коэффициентами

10. Объединение пересчитанных значений с каналов АЦП, соответствующих статическому давлению, в одномерный массив.

11. Вывод значений массива в режиме реального времени на два графика (значения давления по двум стенкам канала)

12. Пересчет значений с каналов АЦП, соответствующих температуре и скоростному напору, в скорость потока.

13. Вывод значений скорости потока и температуры на столбчатую диаграмму

14. Реализация опроса по нажатию кнопки осуществляется в уже открытом цикле с добавлением оператора выбора Case

15. Выход из операторов выбора и цикла

16. Закрытие задачи сбора данных с АЦП.

17. Обработка возможных ошибок приложения

В результате проведения эксперимента получены графики распределения статического давления по подвижной и противоположной ей стенкам диффузора при углах раскрытия диффузора от 0..20.Получен профиль скорости в одном из сечений диффузора (рис. 3).

В качестве материала для работы дома студентам выдается текстовый файл с записанными туда во время эксперимента значениями статического давления, температуры и скоростного напора. Студентам предлагается построить графики изменения статического давления по стенкам диффузора, а также рассчитать и построить профиль скорости в трех поперечных сечениях диффузора. Рассчитанные данные сверяются преподавателем с данными, рассчитанными в LabVIEW в процессе эксперимента.

Результаты эксперимента при угле раскрытия канала α=20°

3. Используемое оборудование и ПО

При решении поставленной задачи использовалось следующее оборудование и программное обеспечение:

- Плата сбора данных М-серии USB 6218 National Instruments

- Программный комплекс LabVIEW 8.2

4. Внедрение и развитие решения

Учебный лабораторный стенд с написанным под него программным обеспечением используется для проведения лабораторной работы на кафедре «Электротехника, теплотехника, гидравлика и энергетические машины» ГОУ МГИУ. Перспектива внедрения заключается в ознакомлении студентов с современными методами проведения эксперимента, а также сбора, анализа и обработки данных. В дальнейшем предполагается внедрение сетевых технологий при проведении лабораторной работы и соответствующая корректировка программного обеспечения.