Моделювання процесу обробки сигналів датчика у вихровому потоковимірювачі (стр. 2 из 16)
Рисунок 1.4 – Відфільтрований та оброблений сигнал.
Безпосередньо завданням для даної роботі було проведення моделювання процесу обробки сигналу від датчику для з’ясування наскільки покращується сигнал після різних типів обробки та визначити найкращій алгоритм обробки або комбінацію алгоритмів.
2 Опис принципів вихрового обліку потоку рідини або газу
2.1 Турбулентні течії
Течії рідких і газоподібних середовищ бувають двох типів: 1) спокійні, плавні і 2) нерегулярні, зі значним перемішуванням об’ємів середовища і хаотичною зміною швидкостей і інших параметрів. Перші називають ламінарними, а для других англійський фізик У. Томсон запропонував термін "турбулентні" (від англ. turbulent - бурхливий, безладний). Більшість течій у природі й техніку ставляться саме до другого, найменш вивченій групі. У цьому випадку застосовують статистичні (пов'язані з усередненням за часом і простором) способи опису. По-перше, тому, що практично неможливо встежити за пульсаціями в кожній точці течії, а по-друге, ці дані марні: їх не можна використати в конкретних прикладних програмах [2].
Оскільки турбулентність - одне з найглибших явищ природи, при самому загальному підході до його вивчення воно змикається з філософським проникненням у суть речей. Знаменитий учений Т. Кишеня дуже образно це охарактеризував, сказавши, що, коли стане перед Творцем, перше одкровення, про яке буде просити, - розкрити таємниці турбулентності.
Найбільший практичний інтерес представляють такі плини, які відповідають досить більшим числам Рейнольдса.
Число Рейнольдса визначає співвідношення інерційних сил і сил тертя (в'язкості).
Re = v0R/
, (2.1)де Re – число Рейнольдса;
v 0 – середня швидкість;
R – поперечний розмір каналу;
- коефіцієнт в’язкості.З ім’ям англійського фізика і інженера О. Рейнольдса нерозривно пов’язана наука о турбулентних течіях. Йому належить основні початкові результати в даній області, з його робіт почався важливий етап дослідження турбулентності.
Інженерні задачі гідродинаміки потребували систематизації відомостей про важливі макроскопічні властивості турбулентних течій. Така систематизація проводилася. Встановлювалися емпіричні закономірності (для середньої швидкості і розподілення середніх швидкостей по перерізу труби для ефективної в’язкості та ін.), добре узгоджуваний в той чи іншій області вимірювання параметрів з експериментальними даними. Встановлення та використання емпіричних законів – необхідний етап в вивченні та освоєнні будь-якого явища, однак на цьому етапі багато численних “як?” і “чому?” не тільки не знаходять відповіді, але, як правило, не дуже часто і виходять на перший план. Саме працям, які в 1876 р. почав Рейнольдс, було призначено з часом покласти край емпіричній течії у вивченні турбулентності. Систематизуючи та аналізуючи дані про течію рідини по трубах, він основну увагу приділяв переходу ламінарної течії води у турбулентне. Рейнольдс виявив, що перетворення “прямого” руху рідини у “звивистий” відбувається за де якої критичної швидкості
, яка зменшується зі збільшення радіусу труби і зі зменшенням в’язкості. Але Головним було те, що йому вдалося встановити закон: безрозмірне відношення. 
, (2.2)де R – радіус труби;
- швидкість течії; 
- коефіцієнт в’язкості.Число Рейнольдса повинно досягти приблизно 2000, щоб ламінарний потік став турбулентним. Наведене відношення – назване на честь Рейнольдса його ім’ям, - дозволяє записати встановлений критерій у вигляді:
, (2.3)де Re – число Рейнольдса;
- критичне значення числа Рейнольдса, що розділяє ламінарні та турбулентні потоки.Рейнольдс робив спроби теоретично оцінити
і навіть отримав правдоподібні оцінки, але йому не вдалося зробити цього строго.2.2 Вихороутворення при обтіканні нерухомих тіл
Вихрові об’ємні витратоміри з об’єктом обтікання застосовуються для вимірювання витрат рідини та газів широкому динамічному діапазоні. За основу перетворювачів для вимірювань взяли ефект вихороутворювання у досліджувальному потоці. Згаданий ефект вигідно відрізняється від відомих методів відсутністю рухливих елементів у вимірювальному середовищі, природним частотним виходом сигналу, який легко, без додаткової похибки погоджується з інформаційною системою та обчислювальною технікою, результатами, що добре відтворюється.
Звичайна в’язкість – це макроскопічне проявлення молекулярного руху та перемішування.
Тіло з дуже сильно вираженими розмірами за умов, коли його обтікає речовина, слугує джерелом вихрових коливань.
В’язкість середовища, що обтікає нерухоме тіло, призводить до утворення вихорів у початковому потенціальному потоку. Швидкість потоку на поверхні тіла через приставання рідини дорівнює нулю. Подалі від поверхні вона набуває значення близьке до швидкості набігаючого потоку. Ця зміна швидкості відбувається у межуючому шарі, у якому дія в’язких напруг можливо порівняти зі значенням ефекту, який викликається інерцією.
Товщина межуєчогошару залежить від числа Рейнольдса та довжини шару
. 
, (2.4)де
- товщина межуєчого шару; - довжина межуєчогошару;Re - числа Рейнольда.
Існування прикордонного шару призводить до помітних змін течії позаду тіла. Там з’являється зворотна течія, що має назву точка відриву прикордонного шару. Зворотна течія утворює вихор, що поступово збільшується приблизно до розмірів тіла, який в решті решт відривається від тіла. Те саме має місце і у нижній точці відриву. Але розвиток вихору з одного боку заважає його утворенню з іншого. Тому розвиток вихорів та їх відрив відбувається по черзі то з одного боку то з іншого. Вихорі, що відриваються, утворюють позаду тіла подвійний ланцюжок Кармана. Позаду тіла обтікання потік набуває хвилеподібного характеру течії через періодичні утворення по черзі з протилежних боків. Регулярні вихрові доріжки утворюються, коли число Рейнольда приблизно знаходиться в інтервалі віл 60 до 50000. Для обтікання циліндру і для тіл з гострими гранями до 10000. Для чисел Рейнольдсаа нижче 60 течія позаду циліндру ламінарна, а понад 5000-10000 відбувається повне турбулентне перемішування.
При скінченній довжині тіла, що обтикається, з урахуванням характеру обтікання у місцях закладання порушується когерентність частоти вихороутворення на окремих ділянках тіла. З іншого боку, процес вихороутворення залежить від стану потоку перед тілом обтікання, тому що характер попередніх збурень потоку впливає на місце та час відриву прикордонного слою. Для підвищення стабільності процесів вихороутворення, зменшення лобового спротиву та збільшення інтервалу чисел Рейнольдса, при яких відбувається регулярне вихороутворення, в тілі обтікання передбачають пристрій для підсосу пограничного слою. З цією метою у стінці тіла, що обтикається, паралельно утворюючій циліндра прорізають вузьку щілину, через яку призупинена рідина, що тече у прикордонному шарі, відсмоктується усередину тіла.
Цей спосіб суттєво стабілізує формування завихрень та робить їх незалежними від зовнішніх збурень, зменшує лобовий спротив тіла, що обтикається, тому повне згорнення та відрив вихрової формації не відбувається.
У загальному вигляді частоту перетоків у каналі можна визначити відношенням (2.5) по методу розмірностей з величин, що характеризують потік, який обтікає тіло.
, (2.5)де
- частота вихороутворення; 
- безрозмірний критерій, що характеризує потік, який обтікає тіло (число Струхаля); 
- швидкість потоку; 
- характерній розмір.Для шару та циліндру під
мають на увазі їх діаметри. Для пластинки, що має ширину та товщину 
, яка стоїть під кутом атаки 
до потоку,
, (2.6)