Інформаційно-вимірювальна система динамічних характеристик на поверхнях обтікання
Автор: Дмитрів Тарас Васильович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Інформаційно-вимірювальні технології у робототехніці
Інститут: Інститут комп'ютерних технологій, автоматики та метрології
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2021-2022 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Дослідження дотичних напружень і швидкостей потоку на поверхні обтікання середовищем, яке підпорядковуються законам Ньютона, є актуальним завданням для приладобудування й машинобудування, задач інформаційно-вимірювальних технологій. Розроблення математичних залежностей швидкості та дотичних напружень, які виникають на поверхнях обтікання є актуальною задачею сучасних технологій аеродинаміки поверхонь. Об’єкт дослідження – процес функціонування інформаційно-вимірювальної системи вимірювання дотичних напружень та структурно-функціональна схема реалізації інформаційно-вимірювальної системи. Предмет дослідження – закономірності аналітичного та експериментального визначення дотичних напружень в залежності факторів що характеризують процес обтікання поверхонь та система аналогового-імпульсного перетворення з використанням цифрової системи опрацювання інформації на мікроконтролері високої інтеграції. Метою магістерської роботи є підвищення інформативності і ефективності дослідження процесів обтікання поверхонь потоками газо-повітряних середовищ шляхом дослідження й розроблення інформаційно-вимірювальної системи дотичних напружень аеродинамічних потоків пограничного шару на обтічних поверхнях. У першому розділі проведено огляд і аналіз методів і засобів вимірювання дотичних напружень на поверхнях обтікання. Кількісне вимірювання дотичних напружень у реальному часі є важливим параметром для наукових досліджень і промислових застосувань. Напруження, як функція тертя поверхні значно впливає 7 на загальний опір транспортного засобу, а здатність вимірювати уможливить оптимізацію конструкції поверхонь і економічність для транспортування середовища або переміщення транспортного засобу. Розглянуто і проаналізовано метод масляної плівки для вимірювання дотичного напруження - залежність товщини маслянистої плівки від величини напруження на поверхні обтікання. Це явище описується рівнянням тонкої масляної плівки. Дотичне напруження визначають за допомогою інтерферометрії вимірювання висоти масляної плівки. Проаналізовано рідкокристалічні покриття для визначення миттєвого розподілу дотичних напружень на поверхні. Рідкі кристали створюють колірний спектр при освітленні білим світлом, і колір змінюється залежно від дотичного напруження. Кольори калібрують врахуванням кутів освітлення. Термоанемометричний метод використовує співвідношення між тепловою конвекцією від нагрітого елемента і напруження зсуву, викликане потоком, що охолоджує елемент. Проаналізовані способи і засоби вимірювання дотичних напружень на поверхні обтікання показали, що використання непрямих вимірювань вимагають калібрування по місцю їх встановлення. Для реалізації поставленої мети магістерської роботи поставлені задачі. У другому розділі розроблені аналітична модель пограничного шару на поверхні за ламінарного режиму обтікання, математичні залежності швидкості і дотичних напружень. Приведено чисельне моделювання товщини ламінарного пограничного шару, моделювання швидкості по висоті пограничного шару і дотичних напружень на поверхні обтікання у відносних параметрах. Теоретичні дослідження проведено на віддалі 1,16 – 1,26 м від входу на поверхню, товщина пограничного шару є у межах 0,825•10-3 - 0.94•10-3 м за подачі повітря до 0,1 м3 /с. Інтервал товщини пограничного шару не перевищує 7,6 % на інтервалі подачі повітря до 0,025 м3 /с, а на інтервалі подачі від 0,0667 до 0,1 м3 /с 8 товщина пограничного шару змінюється у межах 2,86 %. Наведений метод моделювання товщини пограничного шару визначає параметри пограничного шару за ламінарного потоку Ньютонівських середовищ з достатньою точністю, враховує динаміку за напрямком руху, коефіцієнти поверхневого тертя і дотичні напруження між шарами У третьому розділі "Розроблення інформаційно-вимірювальної системи та дослідження дотичних напружень на поверхні обтікання" приведена програма досліджень на інформаційно-вимірювальна система для вимірювання дотичних напружень на поверхнях обтікання. Наведена методика калібрування вимірювальної системи. Вимірювальна характеристика сенсора має найвищу чутливість за низьких швидкостей потоку. Розроблена методика дослідження дотичних напружень на поверхні обтікання, приведена методика проведення планованого факторного експерименту. Товщина пограничного шару на поверхні обтікання із збільшенням швидкості потоку повітря на вході поверхні - зменшується. Для швидкостей потоку повітря на вході поверхні від 1 м/с до 5 м/с - товщина пограничного шару зменшується від 19 мм до 8,7 мм. За швидкості потоку на вході поверхні v0 = 5 м/с, максимальні дотичні напруження є ? = 5,18•1014 Н/м2 при x = 0,01 м і ? = 5,18•1013 Н/м2 при x = 0,01 м за умови y ?0. Мінімальні дотичні напруження відповідно є ? = 143,496 Н/м2 при x = 0,01 м і ? = 14,348 Н/м2 при x = 0,01 м на віддалі від поверхні 0,005•? м. Приведено результати досліджень для швидкостей v0 = 3 м/с і v0 = 1 м/с. У четвертому розділі проведено економічну оцінку. Обґрунтовано сумірні витрати на проведення досліджень, які становлять 21751,5 грн. Ключові слова: сенсор, інформаційно-вимірювальна система, мостова схема, швидкість, поверхня обтікання, дотичні напруження.