izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-7-41-48izmertech-1970Research ArticleМЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMECHANICAL MEASUREMENTSИсследование тензометрического динамометра для измерения силы трения пограничного слоя на стенках аэродинамических трубInvestigation of a strain-gauge dynamometer for measuring boundary layer friction force on the wind tunnel wallhttps://orcid.org/0000-0001-8404-493XАнохинаЕ. Н.AnokhinaE. N.

Елена Николаевна Анохина

г. Жуковский

Elena N. Anokhina

Moscow region, Zhukovsky

elena.anokhina@tsagi.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4186-588XГорбушинА. Р.GorbushinA. R.

Антон Роальдович Горбушин

г. Долгопрудный, Московская обл.

Anton R. Gorbushin

Moscow region, Zhukovsky

Dolgoprudny, Moscow region

gorbushin@tsagi.ruЦентральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. ЖуковскогоРоссияCentral Aerohydrodynamic Institute;Russian FederationЦентральный аэрогидродинамический институт им. Н. Е. Жуковского; Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)РоссияCentral Aerohydrodynamic Institute; Moscow Institute of Physics and TechnologyRussian Federation202331082023074148Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1970

Для измерения нестационарной силы трения воздуха в пограничном слое на стенках аэродинамических труб при очень больших числах Рейнольдса в Центральном аэрогидродинамическом институте им. Н. Е. Жуковского разработан и изготовлен однокомпонентный тензометрический динамометр с диапазоном измерения силы 0–0,33 Н. Изучены статические и динамические характеристики и систематические погрешности динамометра. В процессе калибровки динамометра исследовано влияние температуры, продольной, нормальной и поперечной сил, а также положения точки приложения продольной силы на его показания. Спроектирован и изготовлен блок для калибровки динамометра с помощью грузов в аэродинамической трубе. С целью определения силы трения, действующей на ось блока, проведены специальные опыты в лабораторных условиях. Разработанный динамометр является динамической системой с собственной частотой колебаний. Предложена поправка для учёта собственной динамики динамометра на основе разработанного ранее метода. Для вычисления поправки определены масса метрической части динамометра, его собственная частота колебаний при отсутствии демпфирования в направлении измерения силы трения и коэффициент демпфирования. Поправка верифицирована опытом с приложением ступенчатой силы. Исследовано влияние статической и динамической составляющих температуры (влияние соответственно среднего значения температуры и её изменения во времени) на показания динамометра. На основе разработанного ранее метода предложены поправки для исключения систематических погрешностей, обусловленных влияниемтемпературы. Показано, что поперечная сила не влияет на показания динамометра, а влияние нормальной силы составляет 1,1 % коэффициента чувствительности продольной силы. Чувствительность к температуре коэффициента чувствительности динамометра составляет 0,017 %/°С. Оценена суммарная погрешность измерения динамометром силы трения: среднеквадратическое отклонение результатов измерений от среднего значения не более 0,076 % диапазона измерений; относительная погрешность коэффициента чувствительности не более 0,03 %. При собственных колебаниях чувствительного элемента погрешность измерения нестационарной силы трения не превысит 0,86 % диапазона динамометра. Разработанный однокомпонентный тензометрический динамометр можно применять для определения коэффициента трения пограничного слоя на плоской поверхности.

A one-component strain-gauge dynamometer with a measuring range of 0-0.33 N was developed and manufactured at the Central Aerohydrodynamic Institute to measure directly the unsteady friction force of the boundary layer on the wall of a wind tunnel at very high Reynolds numbers. The subject of this study is to investigate the static and dynamic characteristics of the dynamometer and its systematic errors. The effects of the temperature, longitudinal, normal, and side forces and position of the longitudinal force application were investigated during the calibration. A block was designed and manufactured to calibrate the dynamometer using the dead weights in a wind tunnel. The calibration was carried out in laboratory conditions to determine friction force in the block. The developed dynamometer is a dynamic system with its own natural frequency of oscillations. The correction for the dynamometer's own dynamics is suggested on the basis of the method developed earlier. To calculate the correction to dynamometer dynamics the mass of the metric part of the dynamometer, its natural frequency in the absence of damping and the damping coeffi cient were determined. The correction is verifi ed by experiment with application of a step force. Effect of static and dynamic temperature components on dynamometer readings is investigated. Corrections are proposed to eliminate the systematic errors due to the effect of temperature on the basis of the previously developed method. It is shown that the side force does not affect the dynamometer readings, while the effect of the normal force is 1.1 % of the main sensitivity coeffi cient. The effect of the static temperature component on the sensitivity coeffi cient of the dynamometer is 0.017 %/°C. The total measurement uncertainty of the friction force dynamometer is estimated – the standard deviation of the measurement results does not exceed 0.076 % of the measurement range and the relative standard deviation of the main sensitivity coeffi cient is 0.03 %. The standard deviation of measurement of the nonstationary friction force will not exceed 0.86 % of the range of the dynamometer in the presence of oscillations of the sensitive element at its natural frequency.

однокомпонентный тензометрический динамометркоэффициент чувствительностистатическая калибровкадинамическая калибровкасобственная частотакоэффициент демпфированиясила тренияпограничный слойаэродинамическая трубапогрешность измерения силыпогрешность измерения температурыпоправкаверификацияone-component strain-gauge dynamometersensitivity coeffi cientstatic calibrationdynamic calibrationnatural frequencydamping coeffi cientfriction forceboundary layerwind tunneltemperature uncertaintyforce measurement uncertaintycorrectionverifi cationИсследование выполнено в ЦАГИ при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-19-00041, https://rscf.ru/project/23-19-00041/. Обзор литературы выполнен в МФТИ.ReferencesКорнилов В. И., Литвиненко Ю. А. Измерение поверхностного трения в несжимаемом турбулентном пограничном слое. Часть 1. Неблагоприятный градиент давления // Теплофизика и аэромеханика. 2001. Т. 8. № 4. С. 507–525.Kornilov V. I., Litvinenko Yu. A., Skin friction measurements in an incompressible turbulent boundary layer. Part 1. Adverse pressure gradient. Thermophysics and aeromechanics, 2001, no. 4, pp. 475–491.Österlund J. M. Experimental studies of zero pressure-gradient turbulent boundary-layer fl ow, Doctoral dissertation of Technical Sciences (Royal Institute of Technology, 1999).Österlund J. M. Experimental studies of zero pressuregradient turbulent boundary-layer fl ow, Doctoral dissertation of Technical Sciences (Royal Institute of Technology, 1999).Озеров В. Н. Определение местного коэффициента сопротивления трения по результатам измерений турбулентных профилей скорости при околозвуковых скоростях // Учёные записки ЦАГИ. 1976. Т. VII. № 2. С. 67–72. https://elibrary.ru/rpdztpOzerov V. N., Opredelenie mestnogo koeffi cienta soprotivleniya treniya po rezul’tatam izmerenij turbulentnyh profi le skorosti pri okolozvukovyh skorostyah. Uchenye zapiski TsAGI, 1976, vol. 7, no. 2, pp. 67–72. (In Russ.)Иванов А. И., Хонькин А. Д., Шаповалов Г. К. Экспериментальное исследование характеристик турбулентного трения при трансзвуковых скоростях // Инженерно-физический журнал. 1982. Т. XLIII. № 1. С. 25–31. 5. Dhawan S. Direct measurements of skin friction. NACA Report 1121, 1953, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/ 19930092157 (accessed: 12.07.2023).Ivanov A. I., Khon’kin A. D., Shapovalov G. K., Experimental study of the turbulent friction characteristics with transonic speeds. Journal of Engineering Physics and Thermophysics, 1982, vol. 43, no. 1, pp. 25–31.Coles D. E. Journal of Fluid Mechanics, 1956, vol. 1, pp. 191– 226. https://doi.org/10.1017/S0022112056000135 7. Hakkinen R. J. Measurement of turbulent skin friction on a fl at plate at transonic speeds. NACA TN 3486, 1955, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19930084308 (accessed: 12.07.2023).Dhawan S. Direct measurements of skin friction. NACA Report 1121, 1953, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19930092157 (accessed: 12.07.2023).Smith D. W., Walker J. H. Skin friction measurements in incompressible fl ow. NASA TR R-26, 1959, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19980227359 (accessed: 12.07.2023).Coles D. E. Journal of Fluid Mechanics, 1956, vol. 1, pp. 191–226. https://doi.org/10.1017/S0022112056000135Winter K. G., Gaudet L. Turbulent boundary-layer studies at high Reynolds numbers at Mach numbers between 0.2 and 2.8, Royal Aircraft Establishment RAE, 1973, available at: https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A435c7823-4fe2- 43a6-b29d-908a76531464 (accessed: 12.07.2023).Hakkinen R. J. Measurement of turbulent skin friction on a fl at plate at transonic speeds. NACA TN 3486, 1955, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19930084308 (accessed: 12.07.2023).Watson R. D., Anders J. B., Hall R. M. Skin Friction at Very High Reynolds Numbers in the National Transonic Facility, NASA/TP-2006-214497, 2006, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20060046371 (accessed: 12.07.2023).Smith D. W., Walker J. H. Skin friction measurements in incompressible fl ow. NASA TR R-26, 1959, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/19980227359 (accessed: 12.07.2023).Baars W. J., Squire D. T., Talluru K. M., Abbassi M. R., Hutchins N., Marusic I. Experiments in Fluids, 2016, vol. 57, 90. https://doi.org/10.1007/s00348-016-2168-yWinter K. G., Gaudet L. Turbulent boundary-layer studies at high Reynolds numbers at Mach numbers between 0.2 and 2.8, Royal Aircraft Establishment RAE, 1973, available at: https://repository.tudelft.nl/islandora/object/uuid%3A435c7823-4fe2-43a6-b29d-908a76531464 (accessed: 12.07.2023).Ferreira M. A., Rodriguez-Lopez E., Ganapathisubramani B. Experiments in Fluids, 2018, vol. 59, 155. https://doi.org/10.1007/s00348-018-2612-2Watson R. D., Anders J. B., Hall R. M. Skin Friction at Very High Reynolds Numbers in the National Transonic Facility, NASA/TP-2006-214497, 2006, available at: https://ntrs.nasa.gov/citations/20060046371 (accessed: 12.07.2023).Gorbushin A., Osipova S., Zametaev V. Flow Turbulence Combust, 2021, 107, pp.31–50. https://doi.org/10.1007/s10494-020-00232-zBaars W. J., Squire D. T., Talluru K. M., Abbassi M. R., Hutchins N., Marusic I. Experiments in Fluids, 2016, vol. 57, 90. https://doi.org/10.1007/s00348-016-2168-yClauser F. H. Advances in Applied Mechanics, 1956, vol. 4, pp. 1–51. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70370-3Ferreira M. A., Rodriguez-Lopez E., Ganapathisubramani B. Experiments in Fluids, 2018, vol. 59, 155. https://doi.org/10.1007/s00348-018-2612-2Устройство для измерения силы трения пограничного слоя потока газа на обтекаемых поверхностях: пат. RU 2780307 C1 / Л. Л. Чернышев, В. Д. Вермель, А. Р. Горбушин, К. Ф. Лацоев, А. О. Шардин, И. В. Розин, Д. С. Руденко, И. Н. Качарава // Изобретения. Полезные модели. 2022. № 27.Gorbushin A., Osipova S., Zametaev V. Flow Turbulence Combust, 2021, 107, pp. 31–50. https://doi.org/10.1007/s10494-020-00232-zБуров В. В., Волобуев В. С., Глазков С. А., Чумаченко Е. К. Измерительно-вычислительный комплекс трансзвуковой аэродинамической трубы Т-128 // Датчики и системы. 2010. № 5(132). С. 20–24. https://elibrary.ru/mtgymlClauser F. H. The turbulent boundary layer. Adv Appl Mech, 1956, vol. 4, pp.1–51. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70370-3Schlichting H. Boundary layer theory, McGraw-Hill, New York, 1979.Chernyshev L. L., Vermel V. D., Gorbushin A. R., Latsoev K. F., Shardin A. O., Rozin I. V., Rudenko D. S., Kacharava I. N. Patent RU 2780307 C1, Inventions. Utility models, no. 27 (2022).Gorbushin A. R., Bolshakova A. A. Measurement, 2020, vol. 152, 107381. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381Burov V. V., Volobuev V. S., Glazkov S. A., Gorbushin A. R., Chumachenko E. K. Automation and Remote Control, 2011, vol. 72, pp. 634–641. https://doi.org/10.1134/S0005117911030143Способ определения нестационарной силы и устройство для его реализации: пат. RU 2743778 C1 / А. Р. Горбушин // Изобретения. Полезные модели. 2021. № 6.Schlichting H. Boundary layer theory, McGraw-Hill, New York, 1979.Лойцянский Л. Г., Лурье А. И. Курс теоретической механики. М.: Наука, 1983. 640 с. 21. Горбушин А. Р. Метод учёта влияния веса модели и веса динамометра на показания тензометрических весов // Учёные записки ЦАГИ, 2009. Т. XL. № 4. С. 63–70. https://elibrary.ru/kwkfmfGorbushin A.R., Bolshakova A.A., Measurement, 2020, vol. 152, 107381. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381Ewald B. F. R. Measurement Science and Technology, 2000, vol. 11, issue 6, pp. 81–94. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/6/201Gorbushin A. R. Patent RU 2743778 C1, Inventions. Utility models, no. 6 (2021). 20. Loitsyaenskii L. G., Lur’e A. I. Kurs teoreticheskoi mekhaniki [Course of theoretical mechanics], Moscow, Nauka Publ., 1983, 640 p. (In Russ.) 21. Gorbushin A. R. TsAGI Science Journal, 2009, vol. 40, iss. 4, pp. 485–495. https://doi.org/10.1615/TsAGISciJ.v40.i4.70Богданов В. В., Волобуев В. С., Горбушин А. Р. Исследование тепловой динамики тензометрических весов и разработка методов снижения их температурных погрешностей // Учёные записки ЦАГИ. 2009. Т. XL. № 5. C. 74–81.Ewald B. F. R. Measurement Science and Technology, 2000, vol. 11, iss. 6, pp. 81–94. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/6/201Горбушин А. Р., Крапивина Е. А., Тытык М. Н. Статическая составляющая температурной погрешности тензометрических весов: определение коэффициента температурной чувствительности // Измерительная техника. 2021. № 10. С. 8–13. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2021-10-8-13Bogdanov V. V., Gorbushin A. R., Volobuyev V. S. TsAGI Science Journal, 2009, vol. 40, iss. 5, pp. 619–629. https://doi.org/10.1615/TsAGISciJ.v40.i5.80Calibration and Use of Internal Strain-Gage Balances with Application to Wind Tunnel Testing, AIAA Rec. Practice, 2020, AIAA R-091A-2020. https://doi.org/10.2514/4.106019.001Gorbushin A. R., Krapivina E. A., Tytyk, M. N. Measurement Techniques, 2022, vol. 64, no. 10, pp. 794–800. https://doi.org/10.1007/s11018-022-02006-7Calibration and Use of Internal Strain-Gage Balances with Application to Wind Tunnel Testing, AIAA Rec. Practice, 2020, AIAA R-091A-2020. https://doi.org/10.2514/4.106019.001Calibration and Use of Internal Strain-Gage Balances with Application to Wind Tunnel Testing, AIAA Rec. Practice, 2020, AIAA R-091A-2020. https://doi.org/10.2514/4.106019.001

The authors declare that there are no conflicts of interest present.