О возможности расширения исследуемых динамических диапазонов в термоанемометрии

Предмет исследования. Представлены результаты исследования возможности расширения динамических диапазонов термоанемометрических методов. Актуальность работы обусловлена востребованностью новых методов измерения теплогидродинамических параметров высокоскоростных газовых потоков для целей научного приборостроения. Новизна представляемого решения состоит в использовании двух термоанемометров с существенно различающейся тепловой инерцией для одновременного измерения скорости потока и коэффициента теплоотдачи.

Метод. Предложенный метод основан на явлении инерционности отклика любой термодинамической системы при ступенчатом тепловом воздействии. Согласно методу в исследуемом потоке, размещают два одинаковых по форме и размерам тела, обладающие разной тепловой инерцией. На тела оказывают ступенчатое тепловое воздействие и выполняют регистрацию нестационарного температурного запаздывания тел друг относительно друга. Используя максимальное значение температурного запаздывания, расчетным путем находят значение коэффициента теплоотдачи тел с исследуемым потоком. Скорость потока определяют по величине момента времени, соответствующего максимальному температурному запаздыванию, при этом используют градуировочную характеристику, полученную предварительно на эталонном потоке.

Основные результаты. Научно обоснован новый метод термоанемометрии, получено уравнение измерения метода, разработаны алгоритм измерений и обобщенная схема устройства, реализующего метод, дано значение ожидаемой неопределенности результатов измерений. Результаты моделирования показали, что относительная неопределенность, обеспечиваемая представленным методом, не превышает 1,5 %.

Практическая значимость. Разработанный метод позволяет существенно повысить точность и расширить исследуемые динамические диапазоны искомых величин для широкой номенклатуры газовых потоков. Метод может найти применение в расходометрии газовоздушных потоков.

1. Измерения в промышленности: справочник. Т. 2 / под ред. П. Профоса. М.: Металлургия. 1990. C. 274–276.

2. Романченко A.Ф., Раздымахо C.В. Способ термоанемометрических измерений. Патент RU 2217765. Бюл. 2003. № 14.

3. Купер В.Я., Рубцов М.Г., Хозинский E.Ф., Шамихин А.Н. Способ измерения скорости потока жидкости или газа. Патент RU 2267790. Бюл. 2006. № 1.

4. Романченко A.Ф. Способ измерения параметров газовых и жидких сред. Авторское свидетельство 637676. Бюл. 1978. № 46.

5. Корзенев A.Н., Гаранин A.В. Способ определения скорости и температуры потока газа и устройство для его осуществления. Патент RU 2347227. Бюл. 2009. № 5.

6. Khamshah N., Abdalla A.N., Koh S.P., Rashag H.F. Issues and temperature compensation techniques for hot wire thermal flow sensor: A review // International Journal of the Physical Sciences. 2011. V. 6(14). P. 3270–3278. https://doi.org/10.5897/IJPS11.630

7. Morris S.C., Foss J.F. Transient thermal response of a hot-wire anemometer // Measurement Science and Technology. 2003. V. 14. N 3. P. 251–259. https://doi.org/10.1088/0957-0233/14/3/302

8. Palma J., Labbé R. Rugged constant-temperature thermal anemometer // Review of Scientific Instruments. 2016. V. 87. N 12. P. 125112. http://dx.doi.org/10.1063/1.4972585

9. Kunkel G.J., Arnold C.B., Smits A.J. Development of NSTAP: nanoscale thermal anemometry probe // Collection of Technical Papers — 36th AIAA Fluid Dynamics Conference. 2006. V. 3. P. 1938–1945. https://doi.org/10.2514/6.2006-3718

10. Fu M.K., Fan Y., Hultmark M. Design and validation of a nanoscale cross-wire probe (X-NSTAP) // Experiments in Fluids. 2019. V. 60. N 6. P. 99. https://doi.org/10.1007/s00348-019-2743-0

11. Valiullin R., Sharafutdinov R., Fedotov V., Ramazanov A., Vakhitova G., Kosmylin D. A new radial-azimuth thermal anemometer for determining the direction and velocity of fluid flow in the wellbore // Proc. of the SPE Russian Petroleum Technology Conference (RPTC). 2018. P. SPE-191565-18RPTC-MS. https://doi.org/10.2118/191565-18RPTC-MS

12. Грек Г.Р., Бойко А.В., Гилев В.М., Зверков И.Д., Сорокин А.М. Автоматизированная система сбора термоанемометрической информации в аэрофизическом эксперименте // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 5-1. С. 11–14.

13. Ligęza P. Advanced temperature compensation and correction techniques in thermal anemometry // Instrumentation Science & Technology. 2015. V. 43. N 1. Р. 21–43. https://doi.org/10.1080/10739149.2014.942915

14. Arlit M., Schleicher E., Hampel U. Thermal anemometry grid sensor // Sensors (Basel). 2017. V. 17. N 7. P. 1663. https://doi.org/10.3390/s17071663

15. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. М.: Гостехиздат, 1954. 408 c.

16. Дульнев Г.Н. Теория тепло- и массообмена: учебное пособие. СПб.: НИУ ИТМО, 2012. 195 с.