Оценка скорости турбулентного течения жидкости в трубопроводе на основе поверхностных измерений шума потока

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.