Серия «Машиностроение»

В работе приводятся результаты численного и экспериментального исследования, которое направлено на повышение точности неинтрузивных измерений температуры жидкой среды в трубопроводах, являющихся обязательными элементами гидросистем машин и механизмов. Решается вспомогательная задача оценки скорости потока жидкости путем измерения интенсивности шума на поверхности трубопровода. Источником шума в трубопроводе являются флуктуации скорости жидкости в турбулентном потоке, которые мы воспринимаем в виде флуктуаций давления и звука, при этом для больших скоростей потока распределение средней скорости в поперечном сечении трубы достаточно равномерно и имеет логарифмический характер, а общая температура потока близка к температуре в центре трубы. Однако при малых и умеренных скоростях потока распределение температур неравномерно и составляющая от неравномерности может давать существенный вклад в общую погрешность измерений, особенно при измерениях с помощью сравнительно точных термометров сопротивления. Поэтому, для повышения точности неинтрузивных измерений температуры необходимо вводить поправку, являющуюся функцией средней скорости потока и способную компенсировать погрешность измерений от недостаточной степени однородности потока.

В работе проведен обоснованный выбор среды численного моделирования, подходящей для требований данной задачи, и рассчитана величина плотности энергии турбулентности в трубопроводе с двумя коленами (термокомпенсаторами), а также порождающей ее диссипацией энергии турбулентности, представлены распределения энергии турбулентности в поперечном сечении потока в районе одного из колен. Это исследование позволяет сказать, что максимальные величины плотности энергии турбулентности возникают на боковых стенках колен в пограничном слое потока, а зависимость энергии от скорости описывается полиномом третьей степени, что согласуется с результатами других авторов. Кроме того, введение логарифмической шкалы для зависимости энергии турбулентности от скорости позволяет линеаризовать эту зависимость и построить тем самым линейную шкалу измерений для диапазона умеренных и больших чисел Рейнольдса.

Экспериментальное исследование проведено на проливном стенде в диапазоне расходов до 0,1 кг/с на трубопроводе ДУ50 и температурах 20 и 80 °С, при этом в качестве датчика акустического сигнала использованы пьезопленочные датчики, обладающие равномерной полосой пропускания от единиц герц до мегагерцовых частот. Определены спект­ральные характеристики сигналов на поверхности трубопровода и, в частности, выявлено, что для поверхностного шума, как и для шума в центре трубопровода, свойственно наличие трех характерных зон спектра, причем первая зона (энергонесущая) является информационной и должна являться объектом измерений. Ширина этой зоны пропорциональна скорости потока и может определяться методами частотного детектирования. Для определения интенсивности энергии шумового сигнала в энергонесущей полосе частот спектра можно использовать квадратичный амплитудный детектор.

Nekrasov, S.G. The Problems of Non-intrusive Measurements of Fluid Flow Parameters in Pipelines / S.G. Nekrasov, S.A. Fomchenko, A.M. Sukharev // 2nd International Ural Conference on Measurements (UralCon). – Chelyabinsk, 2017. – P. 428–437.

Patent US 2017/0212065A1. Non-intrusive process temperature calculation system / J.H. Rud, Y.N. Kuznetsov, S.S. Garipov, A.A. Krivonogov, S.A. Fomchenko, V.V. Repyevsky, M.V. Palkin. – Заявл. 25.03.2016; опубл. 27.07.2017.

Ландау, Л.Д. Теоретическая физика. Гидродинамика: учеб. пособ. / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. – М.: Наука, 1986. – Т. 6. – 736 с.

Дорофеева, А.А. Изучение зависимости уровня шума турбулентного потока от параметров течения / А.А. Дорофеева, Т.В. Жариков // Ученые записки физич. факультета Моск.

ун-та. – 2017. – № 5. – C. 1750601-1– 1750601-5.

Филиппов, А.С. Турбулентность и ее моделирование / А.С. Филиппов. – http://:www.ibrae. ac.ru/docs/Kafedra/Филиппов%20МТТ%20март16.pdf (дата обращения: 15.09.2019).

Turbulence Modeling Effects on the CFD Predictions of Flow over a Detailed Full-Scale Sedan Vehicle / C. Zhang, C.P. Bounds, L. Foster, M. Uddin // Fluids. – 2019. – Vol. 4. – P. 148–156. DOI: 10.3390/fluids4030148

Huang, J. Assessment of Turbulence Models in a Hypersonic Cold-Wall Turbulent Boun-dary Layer / J. Huang, J.-V. Bretzke, L. Duan // Fluids. – 2019. – Vol. 4. – P. 37–43. DOI: 10.3390/fluids4010037

He, X. Stability Analysis on Nonequilibrium Supersonic Boundary Layer Flow with Velocity-Slip Boundary Conditions / X. He, K. Zhang, C. Cai // Fluids 2019. – Vol. 4. – P. 142–150. DOI: 10.3390/fluids4030142

Колмогоров, А.Н. Уравнения турбулентного движения несжимаемой жидкости / А.Н. Колмогоров // Известия АН СССР. Физика. – 1942. – Т. 6. – № 2. – С. 56–58.

Гарбарук, А.В. Моделирование турбулентности в расчетах сложных течений / А.В. Гарбарук, М.Х. Стрелец, М.Л. Шур. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2012. – 88 с.

Wilcox, D.C. Turbulence Modeling for CFD / D.C. Wilcox. – DCW Industries, La Canada,

California, 1998. – 477 p.

Wang, S. Modeling and Analysis of the Effects of Noise Barrier Shape and Inflow Conditions on Highway Automobiles Emission Dispersion / S. Wang, X. Wang // Fluids. – 2019. – Vol. 4. – P. 151–157. DOI: 10.3390/fluids4030151

Gong, L. Numerical Study of Noise Barriers’ Side Edge Effects on Pollutant Dispersion near Roadside under Various Thermal Stability Conditions / L. Gong, X. Wang // Fluids. – 2018. – Vol. 3. – P. 105–112. DOI: 10.3390/fluids3040105

Wind noise spectra in small Reynolds number turbulent flows / S. Zhao, E. Cheng, X. Qiu, I. Burnett, J.C.-C. Liu // J. Acoust. Soc. Am. – 2016. – Vol. 140. – P. 4178–4182. DOI: 10.1121/1.5012740

Manhard B. Numerical Simulation of Turbulent Flows and Noise Generation / B. Manhard, J. Munz // J. Acoust. Soc. Am. – 2014. – Vol. 104. – P. 3117–3122. DOI: 10.1121/1.2012532

Xu, J. Numerical Simulation of In-Pipe Turbulent Noise / J. Xu, Z.R. Hao, Z.H. Zhou // Applied Mechanics and Materials. – 2014. – Vol. 607. – P. 565–568. DOI: 10.4028/AMM.607.565

Радиотехнические цепи и сигналы: учеб.-метод. комплекс / сост.: С.И. Малинин, В.С. Токарев. – СПб.: Изд-во CЗТУ, 2010. – 224 с.

Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для вузов. Стандарт третьего поколения / под ред. В.Н. Ушакова. – СПб.: Питер, 2014. – 336 с.

Нефедов, В.И. Радиотехнические цепи и сигналы: учеб. для СПО / В.И. Нефедов, А.С. Сигов. – М.: Изд-во Юрайт, 2019. – 266 с.

Savaux, Louet. MMSE-Based Algorithm for Joint Signal Detection, Channel and Noise Variance Estimation for OFDM Systems / Louet Savaux. – USA, ISTE Ltd, 2014. – 129 p.

ГОСТ Р ИСО 15665-2007. Шум. Руководство по акустической изоляции труб и арматуры трубопроводов. – М.: Стандартинформ, 2008. – 39 с.