قياس التدفقات المضطربة
المصدر: ريكاردو ميخيا ألفاريز وحسام حكمت جبار ، قسم الهندسة الميكانيكية ، جامعة ولاية ميشيغان ، إيست لانسينغ ، ميشيغان
تظهر التدفقات المضطربة تقلبات ت…
- قم بقياس عرض الشق ، W ، وسجل هذه القيمة في الجدول 1.
- اضبط مقياس شدة الريح على مسافة من المخرج تساوي x = 1.5W على طول خط الوسط. سجل هذا الموضع المتدفق في الجدول 2. الخط المركزي هو أصل الإحداثيات الامتانية (y = 0).
- ابدأ برنامج الحصول على البيانات لاجتياز الطائرة. اضبط معدل العينة على 500 هرتز ليصبح المجموع 5000 عينة (أي 10 ثوان من البيانات).
- سجل الموضع الممتدي الحالي للسلك الساخن في الجدول 3.
- الحصول على البيانات.
- سيقوم نظام الحصول على البيانات بحساب متوسط السرعة وشدة الاضطراب لمجموعة البيانات هذه باستخدام المعادلتين (1) و (4).
- سجل هاتين القيمتين في الجدول 3.
- حرك السلك الساخن إلى الموضع التالي (الموجب) (
مم). - كرر الخطوات من 5 إلى 8 حتى لا يكون هناك أي تغيير ملحوظ في كل من متوسط السرعة وشدة الاضطراب.
- حرك السلك الساخن مرة أخرى إلى خط الوسط.
- حرك السلك الساخن إلى الموضع التالي (السلبي) (
مم). - الحصول على البيانات.
- سيقوم نظام الحصول على البيانات بحساب متوسط السرعة وشدة الاضطراب لمجموعة البيانات هذه باستخدام المعادلتين (1) و (4).
- سجل هاتين القيمتين في الجدول 3.
- كرر الخطوات من 11 إلى 14 حتى لا يكون هناك أي تغيير ملحوظ في كل من متوسط السرعة وشدة الاضطراب.
- حرك السلك الساخن مرة أخرى إلى خط الوسط للطائرة.
- حرك السلك الساخن على طول الخط المركزي للطائرة في اتجاه المصب إلى موضع جديد (على سبيل المثال x = 3W ).
- كرر الخطوات من 4 إلى 17 لأكبر عدد ممكن من المواضع المتيارة حسب الرغبة (على سبيل المثال x = 1.5} W, 3 W, 6W, 9W).
الجدول 1. المعلمات الأساسية للدراسة التجريبية.
| Parameter | القيمة |
| عرض الشق (W) | 19.05 ملم |
| كثافة الهواء (r) | 1.2 كجم/م3 |
| ثابت معايرة محول الطاقة (m_p) | 76.75 باسك/ف |
| ثابت المعايرة A | 5.40369 V2 |
| ثابت المعايرة B | 2.30234 V2(m/s)-0.65 |
الشكل 4. التحكم في التدفق في نظام التدفق. يخدم المكدس الموجود أعلى الجلسة العامة الغرض من تحويل التدفق من الشق النفاث مما يسمح بالتحكم في سرعة خروج الطائرة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
تلعب التدفقات المضطربة دورا مهما في مجموعة متنوعة من الأنظمة الهندسية والطبيعية. نتيجة لذلك ، غالبا ما يكون من الضروري إجراء قياسات داخل النظام من أجل توصيف التدفق. تظهر التدفقات المضطربة تقلبات عالية التردد للغاية ، لذا فإن أي أداة تستخدم لقياس وتوصيف الاضطراب يجب أن يكون لها دقة زمنية عالية بما يكفي لحل هذه التغييرات. غالبا ما تستخدم مقاييس شدة الريح بالأسلاك الساخنة لهذه القياسات لأنها صغيرة وقوية وسريعة بما يكفي لتحقيق نتائج مفيدة. سيوضح هذا الفيديو كيفية استخدام مسبار مقياس شدة الريح بالأسلاك الساخنة المعايرة للحصول على قياسات السرعة والاضطراب في مواقع مختلفة داخل طائرة حرة ثم إجراء تحليل إحصائي أساسي للبيانات لتوصيف المجال المضطرب.
يمكن إثبات التدفق المضطرب من خلال التقلبات العشوائية العالية في متغيرات التدفق مثل السرعة والضغط والدوامة. هذه التقلبات هي نتيجة للتفاعلات غير الخطية بين الحركات المتماسكة داخل مجال التدفق ، لذا فإن التذبذبات عالية التردد التي شوهدت في قياسات الاضطراب هي من تأثيرات فيزيائية حقيقية وليست نتيجة للضوضاء الإلكترونية العشوائية. يتضمن الوصف الكلاسيكي للتدفق المضطرب تحديد متوسط قيمة متغيرات التدفق والتقلبات المقابلة لها بمرور الوقت. على سبيل المثال ، يتم العثور على متوسط السرعة ، المشار إليه بشريط فوق ، من خلال دمج السرعة اللحظية خلال وقت القياس والقياس حسب حجم مجال التكامل. في حالة القياسات المنفصلة مثل تلك الموجودة في أنظمة الاقتناء الرقمية ، يجب حل التكامل عدديا. بمجرد العثور على متوسط السرعة ، يمكن طرحها من الإشارة الأصلية لإنتاج التذبذب والسرعة المعتمدة على الوقت المشار إليها بالعدد الأول. من هذه التعريفات ، من السهل إظهار أن متوسط حقل التذبذب يساوي صفرا. نتيجة لذلك ، هناك حاجة إلى واصف إحصائي أكثر ملاءمة لحقل التذبذب. مقياس شائع جدا هو مربع متوسط الجذر أو RMS للتقلبات. هذا المقياس مشابه للمتوسط ، باستثناء أن المتغير يتم تربيعه قبل التكامل ويتم أخذ الجذر التربيعي للنتيجة. يتم إعطاء شدة الاضطراب بواسطة RMS للسرعة وسيتم توضيح هذا القياس على نفاثة حرة في القسم التالي. متوسط سرعة الطائرة الحرة له مظهر جانبي مسطح في البداية ينعم مع انتشار النفاثة بسبب احتباس الهواء المحيط في الطائرة. يتسبب هذا التقييس أيضا في انتشار الزخم الخطي للنفاثة من حيث الامتداد حيث تتدفق النفاثة في اتجاه مجرى النهر مما يؤدي إلى اتساع النفاثة أثناء انتشارها. تسمى منطقة التفاعل بين النفاثة والهواء المحيط بطبقة الخلط وتنمو هذه المنطقة باتجاه خط الوسط مع تحرك النفاثة في اتجاه مجرى النهر. يترك هذا منطقة داخل النفاثة تعرف باسم النواة المحتملة التي يتم تحديدها في اتجاه التيار بواسطة مخرج النفاثة والنقطة التي تصل عندها طبقة الخلط إلى خط المركز. النواة المحتملة هي إذن منطقة لم تتأثر بالتفاعلات مع البيئة المحيطة. على خط الوسط ، يمتد اللب المحتمل في اتجاه مجرى النهر إلى حوالي أربعة أضعاف عرض مخرج النفاثة. الآن بعد أن أصبحت على دراية بأساسيات قياسات الاضطراب ، دعنا نلقي نظرة على كيفية استخدام ذلك لتوصيف طائرة مجانية.
قبل البدء في الإعداد ، تعرف على تخطيط وإجراءات السلامة الخاصة بالمنشأة. سيتم إجراء هذه التجربة على نفس نظام التدفق الذي تم استخدامه لمعايرة مقياس شدة الريح بالأسلاك الساخنة ويجب إعداد نظام الحصول على البيانات بنفس الطريقة. في برنامج الحصول على البيانات ، اضبط معدل أخذ العينات على 500 هرتز وإجمالي العينات على 5,000. قم بتحديث الثوابت n و A و B لمطابقة القيم المحددة من المعايرة. الآن قم بإعداد مرفق التدفق. استخدم فاصلا معايرا لضبط عرض الشق على 19.05 ملم أو ثلاثة أرباع البوصة ثم قم بترجمة مقياس شدة الريح للسلك الساخن إلى الوريد للنفاثة 1.5 ضعف عرض الشق بعيدا عن المخرج. بدءا من مقياس شدة الريح فوق الشق ، اخفض الارتفاع حتى تصل الإشارة الموجودة على راسم الذبذبات إلى الحد الأدنى من التذبذب. سجل هذا الوضع الرأسي الذي يتوافق مع الخط المركزي للطائرة. الآن قم بترجمة مقياس شدة الريح احتياطيا حتى يصبح تذبذب الإشارة أقصى ويتوافق هذا الموضع مع طبقة القص العليا للنفاثة. أدخل لوحة الفتحة الفارغة في المكدس بحيث يتم زيادة سرعة التدفق إلى أقصى حد ثم قم بتشغيل مرفق التدفق. بمجرد إنشاء التدفق الثابت ، استخدم نظام الحصول على البيانات لقياس متوسط السرعة وشدة الاضطراب في هذه المرحلة من الطائرة وتسجيل هذه القيم. الآن حرك مقياس شدة الريح لأسفل بمقدار ملليمترين وقم بقياس متوسط السرعة وشدة الاضطراب مرة أخرى. استمر في خفض مقياس شدة الريح بزيادتين ملليمترين وأخذ القياسات حتى لا يكون هناك تغيير ملحوظ في كلا القياسين. بعد تسجيل الارتفاع النهائي ، قم بترجمة مقياس شدة الريح لأسفل حتى يصبح أسفل خط الوسط بنفس المسافة. استأنف أخذ القياسات والترجمة حتى يعود مقياس شدة الريح إلى خط الوسط. عند الانتهاء ، قم بترجمة مقياس شدة الريح في اتجاه مجرى النهر حتى يصل إلى ثلاثة أضعاف عرض الشق من مخرج النفاثة. قم بإجراء قياسات لملف تعريف الطائرة في هذا الوضع الجديد الحكيم باتباع نفس الإجراء الذي استخدمته في الموقع الأول. كرر قياساتك لملف تعريف الطائرة عند ستة وتسعة أضعاف عرض الشق من مخرج النفاثة. بعد الانتهاء من القياسات، قم بإيقاف تشغيل مرفق التدفق.
ألق نظرة على بياناتك. في كل موضع من حيث التيار ، لديك قياسات لمتوسط السرعة وشدة الاضطراب المأخوذة في سلسلة من النقاط الممتدة. أولا ، ارسم متوسط السرعة كدالة لموضع الامتداد. قم بقياس القيم حسب قيمة الخط المركزي وابحث عن النقاط التي يتقاطع فيها المنحنى مع عتبة 50٪ ، مع الاستيفاء حسب الضرورة. تحدد هذه النقاط عرض النفاثة دلتا في هذا الموضع الحكيم. احسب العرض بأخذ الفرق. في هذه الحالة ، يبلغ العرض حوالي 21.5 ملم. قارن الآن متوسط سرعة خط الوسط وعرض النفاثة في مواضع خط التيار المختلفة. تظل سرعة خط الوسط دون تغيير بشكل أساسي حتى حوالي أربعة أضعاف عرض الشق من المخرج بسبب النواة المحتملة ، ولكنها تنخفض إلى ما بعد هذه المسافة. تدل الزيادة في عرض النفاثة مع المسافة على الانتشار الوادي للزخم الخطي للنفاثة أثناء احتجاز الهواء المحيط. الآن ارسم شدة الاضطراب كدالة للموضع النطاقي. نظرا لأن الاختلاط يحدث عند الحدود بين النفاثة والبيئة المحيطة ، فإن شدة الاضطراب تبلغ ذروتها بعيدا عن خط الوسط.
التدفق المضطرب موجود في كل مكان في التطبيقات العلمية والهندسية. لتقييمها في التطبيقات الهندسية مثل التهوية والتدفئة وتكييف الهواء ، من الشائع استخدام مجسات الأسلاك الساخنة المحمولة التي يتم إدخالها إلى مجاري الهواء واجتيازها شعاعيا للحصول على ملامح السرعة. ثم يستخدم المهندس هذه المعلومات إما لموازنة نظام التدفق المثبت حديثا لضمان تشغيله بشكل صحيح أو لاستكشاف أخطاء النظام المعطل وإصلاحها وحل أي مشكلة تعيق تشغيله. عندما يتم تصميم مركبة أو هيكل أرضي أو جوي أو بحري جديد لتحمل قوى التدفقات المضطربة ، فمن الضروري اختبار أدائها في ظل ظروف تدفق واقعية في نفق الرياح أو الماء. لمحاكاة ظروف الاضطراب التي تحدث في الغلاف الجوي أو المحيط ، يمكن إزعاج التدفق الوارد بشبكات نشطة أو سلبية ستحدث تقلبات كبيرة في التدفق. ثم يمكن تركيب السيارة أو الهيكل قيد الدراسة في قسم الاختبار في نفق الرياح أو الماء لقياس كيفية تعامله مع الأحمال التي يدخلها التدفق المضطرب. يمكن إجراء هذه القياسات مباشرة باستخدام الموازين الديناميكية الهوائية التي تقيس قوى السحب والرفع الناتجة. أيضا ، قد تعطي السرعة حول النموذج الذي تم اختباره في النفق معلومات مهمة فيما يتعلق بالأداء. عادة ما يتم إجراء هذا التوصيف باستخدام مقاييس شدة الريح الأسلاك الساخنة في أنفاق الرياح.
لقد شاهدت للتو مقدمة Jove لقياس التدفقات المضطربة. يجب أن تفهم الآن كيفية نشر مقاييس شدة الريح بالأسلاك الساخنة لقياس وتقييم ملفات تعريف التدفق وشدة الاضطراب. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: Why do turbulent flows require high time-resolution instruments for measurement?
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations in velocity, pressure, and vorticity that result from nonlinear interactions between coherent motions. Instruments must have sufficient time resolution to capture these rapid changes. Hot wire anemometers are ideal because their short time-response allows them to resolve these high-frequency oscillations and provide accurate characterization of the turbulent field.
Q2: What is the potential core in a free jet and how does it change downstream?
The potential core is a region within the jet that has not been affected by interactions with surrounding air. It extends from the jet exit to where the mixing layer reaches the centerline, typically about four times the jet width. Beyond this point, the mixing layer continues growing toward the centerline as surrounding air is entrained, causing the potential core to disappear and the jet to widen.
Q3: How is turbulence intensity calculated from velocity measurements?
Turbulence intensity is calculated using the Root Mean Square (RMS) of velocity fluctuations. First, determine the average velocity by integrating instantaneous velocity over the measurement time. Subtract this average from the original signal to obtain fluctuations. Then square the fluctuations, integrate, and take the square root of the result to obtain the RMS value representing turbulence intensity.
Q4: What is the mixing layer in a turbulent jet and where does turbulence intensity peak?
The mixing layer is the region of interaction between the jet and surrounding air, which grows toward the centerline as the jet propagates downstream. Turbulence intensity peaks away from the centerline within the mixing layer because this boundary region experiences the most vigorous mixing and highest velocity gradients between the fast jet core and slower surrounding fluid.
Q5: How does jet width change as the jet propagates downstream?
Jet width increases as the jet travels downstream due to entrainment of surrounding air and span-wise spreading of linear momentum. The jet width is determined by finding points where the average velocity equals 50% of the centerline value. This widening continues throughout the jet's propagation, with the rate of expansion related to the entrainment of ambient fluid into the jet.
Q6: What practical applications use hot wire anemometry for turbulent flow assessment?
Hot wire anemometry is widely used in HVAC systems, where portable probes measure velocity profiles in ducting to balance newly-installed systems or troubleshoot malfunctions. In vehicle and structure design, hot wire anemometers characterize turbulent conditions in wind and water tunnels to evaluate performance under realistic flow loads. These measurements help engineers ensure proper system operation and assess aerodynamic performance.
Q7: How does the centerline velocity of a free jet behave at different downstream positions?
The centerline velocity remains essentially unchanged up to about four times the slit width from the jet exit due to the presence of the potential core. Beyond this distance, the centerline velocity decreases as the mixing layer reaches the centerline and the jet begins to decay. This transition marks the end of the potential core region and the beginning of the fully-developed jet region.