Введение к работе
Актуальность работы.
Проблема обеспечения безопасности горных работ выдвигает повышенные требования к качеству контроля вентиляции в шахтах, что приводит к необходимости использования более совершенных приборов для измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков. Используемые в горной промышленности анемометры не в состоянии полностью удовлетворить требованиям Правил безопасности в части диапазона измеряемых скоростей, а также требованиям, вытекающим из особых условий эксплуатации шахтных приборов: точности, инерционности, надежности в условиях шахты, коррозионной устойчивости. Как показывает анализ приборного обеспечения контроля скоростей потоков в горных выработках, путем преодоления этих недостатков может быть использование в горной промышлености иных принципов анемометрии, отличных от традиционных тахомстрического и теплового.
В Московском государственном горном \ниверситете (МГГУ) был предложен акустический способ анемометрии, сочетающий высокую точность измерений в нужном диапазоне, чувствительность при измерении низких скоростей, малую инерционность, отсутствие в конструкции движущихся частей и элементов, подверженных коррозии и деформации. В основе работы акустического анемометра, разработанного в МГГУ под руководством проф. С.З.Шкундина, лежит фазовый способ акустической анемометрии, включающий сравілшие характеристик излученных и принятых акустических волн в волноводе с газовоздушным потоком. В основе физического обоснования работы прибора лежит аналитическое описание аэроакустических процессов в первичном преобразователе анемометра. Испытания опытного образца анемометра подтвердили его работоспособность в диапазоне 0.1 -20 м/с.
Экспериментальные исследования позволили определить влияние газового состава и температуры контролируемого потока на точность измерений. Однако для принятия рациональных проектных решений в условиях многовариантности набора параметров необходимо уметь оценивать величину такого влияния в смысле прогнозирования точности измерений. Метрологические характеристики прибора могут быть улучшены в результате оптимизации конструкции первичного анемометрического акустического преобразователя с учетом особенностей аэроакустического взаимодействия в цилиндрическом волноводе-воздуховоде анемометра.
Поэтому разработка математической модели распространения акустических волн в канале анемометра, учитывающей как граничные
условия, так и зависимость скорости звука от внешних условий и позволяющей повысить точность измерения скорости потока, является актуальной научной задачей.
Исследования, отраженные в настоящей работе, выполнялись в соответствии с отраслевой научно-технической программой компании "Уголь России" под названием "Разработка способов и средств обеспечения безопасности и здоровых условий труда на горных предприятиях" (раздел "Безопасность труда и горноспасательное дело").
Цель диссертационной работы заключается в разработке математической модели распространения акустических волн в анемометрическом канале, позволяющей рекомендовать параметры конструкций анемометров, обеспечивающих более точный аэрологический контроль на предприятиях горной промышленности.
Основная идея состоит в том, чтобы с помощью разработки математической модели аэроакустического взаимодействия в анемометрическом канале расширить границы допустимых условий эксплуатации и снизить погрешность акустического анемометра, связанную с изменение" газового состава и температуры контролируемого потока.
Основные научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.
-
Решение краевой задачи для нахождения акустического потенциала в цилиндрическом волноводе конечной длины (много большей радиуса) с равномерным потоком (в анемометрическом канале) приближенно представляется суммой конечного числа распространяющихся первичных нормальных мод и их последовательных отражений на концах, где коэффициенты отражения вычисляются для полубесконечного волновода с потоком (метод обобщенной матрицы рассеяния).
-
Амплитуда принимаемого информативного акустического сигнала в анемометрическом канале при одинаковой мощности излучения снижается в несколько раз при изменении состава газовой смеси и температуры контролируемого потока в результате наложения первичных и отраженных на концах волновода нормальных мод излучения.
-
Скорость звука в спокойной среде по сумме фаз колебаний на приемных кольцах экспериментального анемометрического канала
вычисляется по формуле
(?)'
+ -V
arg(p ) + arg(p )
2/
где а>- угловая частота акустических колебаний, b - радиус канала, / - расстояние между источником и приемником, //2 = 7.0159 - 2-й корень функции Бесселя первого рода первого порядка, р* и р- -акустическое давление на приемных кольцах в правом (по потоку) и левом (против потока) полуканалах. При этом в диапазоне скоростей звука, соответствующем условиям шахты, погрешность вычисления скорости звука не превосходит 2 м/с, что позволяет снизить составляющую погрешности определения скорости потока по разности фаз на приемных кольцах, связанную с изменением условий окружающей среды, с 8 до 1.2%.
4. Оптимальные значения геометрических размеров деталей анемометрического канала при фиксированном соотношении частоты излучения и радиуса канала реализуют max m'm\p(l,z,h,c)\,
/, г, Л с где/> - акустическое давление на приемном кольце, складывающееся из давления первичных и отраженных нормальных мод, с - скорость звука в среде (для шахты колеблется от 330 до 351 м/с), Л - высота кольца-источника, / - длина канала, z - длина прозвучиваемой базы. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и
рекомендаций, содержащихся в работе, подтверждаются:
- совпадением полученных численных значений коэффициентов
отражения нормальных мод на открытом конце полубесконечного
цилиндрического волновода в отсутствии потока с ранее
полученными результатами Л.А.Вайнштейна, Г.В.Джонсона и
К.Огимото;
совпадением экспериментальных и расчетных значений групповых скоростей и амплитуд прямых и отраженных нормальных мод при работе опытного образца анемометрического канала в импульсном режиме;
согласованностью расчетной амплитудно-частотной характеристики с экспериментальной для опытного образца анемометрического канала;
Научное значение диссертации заключается в разработке нового приближенного метода решения краевой задачи, описывающей распространение акустических волн в цилиндрическом волноводе конечной длины с равномерным потоком, использующего обобщенную матрицу рассеяния.
Практическая ценность работы заключается в проведении расчетов, которые использованы для проектирования анемометра с оптимальными значениями параметров конструкции и расширения границ допустимых условий его эксплуатации, что позволяет увеличить точность и надежность измерения скоростей газовоздушных потоков в горных выработках.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Рассчитанные оптимальные параметры конструкции и способ вычисления скорости звука в свободной среде без потока использованы при разработке образцового акустического анемометра, основы метрологического обеспечения шахтной анемометрии, а также при создании экспериментального образца переносного анемометра для угольной промышленности.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на VI сессии Российского акустического общества (1997 г., Москва), на Первом Международном горном симпозиуме через Internet (1996 г., Греция, Афины); обсуждались на научных семинарах кафедр Электротехники и Физико-технического контроля производства МГГУ.
Публикации. Результаты выполненных исследований опубликованы в 4 печатных работах.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, приложения, содержит 20 рисунков, 129 страниц.