Исследование тензометрического динамометра для измерения силы трения пограничного слоя на стенках аэродинамических труб

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.

1. Корнилов 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.

2. Österlund J. M. Experimental studies of zero pressure-gradient turbulent boundary-layer fl ow, Doctoral dissertation of Technical Sciences (Royal Institute of Technology, 1999).

3. 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/rpdztp

4. 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).

5. 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).

6. 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).

7. Winter 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).

8. 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).

9. 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-y

10. Ferreira M. A., Rodriguez-Lopez E., Ganapathisubramani B. Experiments in Fluids, 2018, vol. 59, 155. https://doi.org/10.1007/s00348-018-2612-2

11. Gorbushin A., Osipova S., Zametaev V. Flow Turbulence Combust, 2021, 107, pp.31–50. https://doi.org/10.1007/s10494-020-00232-z

12. Clauser F. H. Advances in Applied Mechanics, 1956, vol. 4, pp. 1–51. https://doi.org/10.1016/S0065-2156(08)70370-3

13. Устройство 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.

14. Буров 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/mtgyml

15. Schlichting H. Boundary layer theory, McGraw-Hill, New York, 1979.

16. Gorbushin A. R., Bolshakova A. A. Measurement, 2020, vol. 152, 107381. https://doi.org/10.1016/j.measurement.2019.107381

17. Способ определения нестационарной силы и устройство для его реализации: пат. RU 2743778 C1 / А. Р. Горбушин // Изобретения. Полезные модели. 2021. № 6.

18. 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/kwkfmf

19. Ewald B. F. R. Measurement Science and Technology, 2000, vol. 11, issue 6, pp. 81–94. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/6/201

20. Богданов 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.

21. Горбушин 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.2021-10-8-13

22. Calibration 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