قياس شدة الريح بدرجة حرارة ثابتة: أداة لدراسة تدفق الطبقة الحدودية المضطربة

الطبقة الحدودية هي منطقة تدفق رقيقة مجاورة مباشرة لسطح جسم صلب في مجال التدفق. منطقة التدفق خارج الطبقة الحدودية ، والتي تسمى منطقة التيار الحر لها سرعة ثابتة. ومع ذلك ، يوجد داخل الطبقة الحدودية تدرج سرعة بسبب الاحتكاك على السطح. تمر الطبقة الحدودية عادة بعدة مراحل.

أولا الحالة الحدودية الصفيحية ، تليها الحالة الانتقالية وأخيرا حالة الطبقة الحدودية المضطربة ، والتي تنطوي على تدفق غير منتظم وتقلبات ، مثل الخلط أو الدوامة. الطبقة الحدودية هي الأساس لحساب سحب احتكاك الجلد على الطائرة.

يتم إنشاء سحب احتكاك الجلد داخل الطبقة الحدودية ويرجع ذلك إلى إجهاد القص اللزج الذي يمارس على السطح. يتناسب سحب احتكاك الجلد مع اللزوجة الديناميكية للسوائل ، و mu ، ومعدل إجهاد القص لسرعة التيار المحلي ، وهو تدرج سرعة التيار في الاتجاه الطبيعي. لذلك يصبح مهما للمناطق الكبيرة ، مثل جناح الطائرة. بالإضافة إلى ذلك ، يكون سحب احتكاك الجلد أعلى في التدفق المضطرب ، حيث تتفاعل جزيئات السوائل مع السطح بزخم عال.

تتمثل إحدى طرق قياس خصائص الطبقة الحدودية المضطربة في استخدام قياس شدة الريح بالأسلاك الساخنة ، والذي يعتمد على مبدأين يتعلقان بتأثير التبريد للتدفق على سلك ساخن. وفقا للمبدأ الأول ، عندما يتدفق السائل فوق سطح ساخن ، يتغير معامل حرارة الحمل الحراري ، مما يؤدي إلى تغيرات في درجة حرارة السطح.

المبدأ الثاني هو قانون جول ، الذي ينص على أن تبديد حرارة الموصلات الكهربائية ، Q ، يتناسب مع مربع التيار الكهربائي ، I ، المطبق على الموصل. يمكننا استخدام المبدأين لتحديد سرعة تدفق السوائل المحيطة بمسبار سلك معدني ساخن ، عن طريق قياس الجهد الكهربائي E ، والذي يجب تطبيقه للحفاظ على درجة حرارة ثابتة للسلك.

تقنية الأسلاك الساخنة شائعة الاستخدام هي قياس شدة الحرارة الثابتة أو CTA. يتكون CTA من سلك معدني رفيع جدا ، يسمى المسبار ، وهو متصل بذراع جسر ويتستون. يتحكم جسر ويتستون في الجهد الكهربائي ويضبطه حسب الحاجة من أجل الحفاظ على درجة حرارة ثابتة عبر السلك. يحدث أي تبريد بسبب تدفق السوائل حول السلك. وبالتالي ، فإن التغيير في الجهد هو دالة لمعامل نقل الحرارة وبالتالي هو دالة للسرعة.

في هذه التجربة ، سنوضح استخدام إعداد قياس شدة الريح بدرجة حرارة ثابتة لقياس الطبقة الحدودية المضطربة فوق صفيحة مسطحة.

أولا ، سوف نتعلم كيف يستجيب نظام مقياس شدة الريح بدرجة الحرارة الثابتة ، أو CTA ، لتغيرات إشارة التدفق باستخدام نفق الرياح. للبدء ، قم بتأمين مسبار الأسلاك الساخنة لنظام CTA داخل نفق الرياح باستخدام عمود الدعم.

بعد ذلك ، قم بإعداد مصدر طاقة تيار مستمر ومولد إشارة وراسم الذبذبات. المكونات متصلة كما هو موضح. للبدء ، قم بتشغيل مصدر طاقة الأسلاك الساخنة ومولد الإشارة وراسم الذبذبات. اضبط مولد الإشارة لتزويد مدخلات موجة مربعة لجسر ويتستون بسعة 150 مللي فولت وتردد 10 كيلو هرتز.

راقب إشارة الخرج في راسم الذبذبات للتأكد من صحة التردد والسعة. الآن أغلق قسم الاختبار ، وقم بتوصيل الكبل التسلسلي ، وقم بتشغيل نفق الرياح واضبط سرعة الرياح على 40 ميلا في الساعة. بمجرد استقرار تدفق الهواء ، قم بقياس عرض تجاوز الإشارة ، تاو ، الذي لوحظ على راسم الذبذبات. استخدم القيمة المقاسة لتاو لحساب تردد القطع لنظام الأسلاك الساخنة باستخدام هذه المعادلة. ثم قم بإيقاف تشغيل تدفق هواء نفق الرياح.

بعد ذلك سنؤسس العلاقة بين سرعة الرياح والجهد الكهربائي لجسر ويتستون. للبدء ، ارفع مسبار CTA في الاتجاه الرأسي بحيث يكون في منطقة التدفق الحر. ابدأ تشغيل برنامج التحكم في نفق الرياح ثم ابدأ تشغيل برنامج الأداة الافتراضية. اضبط معدل أخذ العينات على 10 كيلو هرتز وعدد العينات على 100,000.

الآن ، مع ضبط السرعة الجوية لنفق الرياح على 0 ميل في الساعة ، سجل الجهد على جسر ويتستون. بعد ذلك ، قم بزيادة السرعة الجوية لنفق الرياح بزيادات قدرها 3 ميل في الساعة حتى 15 ميلا في الساعة ، مع قياس الجهد عند كل زيادة. تأكد من السماح لتدفق الهواء بالاستقرار قبل تسجيل قياس الجهد.

بعد ذلك ، قم بزيادة سرعة هواء نفق الرياح حتى 60 ميلا في الساعة بزيادات قدرها 5 ميل في الساعة ، وقياس الجهد عند كل زيادة. عند اكتمال جميع القياسات ، قلل سرعة الهواء إلى 30 ميلا في الساعة ثم قم بإيقاف تشغيل تدفق هواء نفق الرياح.

باستخدام نفس الإعداد كما كان من قبل ، قم بخفض مسبار CTA ببطء حتى يلامس أرضية قسم الاختبار ، والتي ستكون بمثابة لوحة مسطحة. اضبط تدفق الهواء على 40 ميلا في الساعة. حافظ على تردد أخذ العينات عند 10 كيلو هرتز وعدد العينات عند 100,000. سجل الجهد عند أدنى إعداد رأسي ، بجوار اللوحة المسطحة وفي الطبقة الحدودية.

الآن ، حرك المسبار عموديا بخطوات 0.05 مم حتى ارتفاع 0. 5 مم ، تسجيل قراءة الجهد في كل موضع. بعد ذلك ، قم بزيادة ارتفاع المسبار بزيادات قدرها 0.1 مم حتى ارتفاع 1. 5 ملم. ثم في خطوات من 0.25 مم حتى ارتفاع نهائي يبلغ 4 مم ، مع تسجيل الجهد عند كل زيادة.

عند إجراء جميع القياسات ، قلل سرعة الرياح إلى 20 ميلا في الساعة ثم قم بإيقاف تشغيل تدفق الهواء. ثم قم بإيقاف تشغيل مصدر الطاقة ومولد الإشارة وراسم الذبذبات.

تتمثل الخطوة الأولى في تحليل البيانات في استخدام البيانات التي تم الحصول عليها أثناء خطوة المعايرة للتجربة ، لتحديد العلاقة بين جهد السلك الساخن وسرعة الهواء. هناك عدة طرق مختلفة للقيام بذلك ، والتي تتضمن ملاءمة البيانات لعلاقات نقل الحرارة المعروفة ، ويتم تناولها بالتفصيل في ملحق هذا الفيديو.

بمجرد تحديد العلاقة الرياضية ، استخدم قياسات الجهد لحساب السرعة عند كل ارتفاع رأسي. بعد ضبط الارتفاع الاسمي لحساب أي قطع أثرية من مسبار مفرط الانحناء ، ارسم ملف تعريف السرعة u (y) ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتحديد سمك إزاحة الطبقة الحدودية.

تمثل هذه القيمة المسافة التي يجب تحريك اللوحة عموديا من أجل الحصول على نفس معدل التدفق الذي يحدث بين السطح والسائل. يمكننا أيضا حساب سماكة الزخم، المحددة كما هو موضح، وهي المسافة التي يجب أن تتحرك فيها الصفيحة عموديا حتى يكون لها نفس الزخم الموجود بين السائل واللوحة.

من هاتين المعلمتين، يمكننا حساب عامل الشكل، H. يستخدم عامل الشكل لتحديد طبيعة التدفق ، حيث يشير عامل الشكل البالغ حوالي 1.3 إلى التدفق المضطرب بالكامل وحوالي 2.6 للتدفق الرقائقي. بين هذه القيم تدفق انتقالي. في حالة هذه التجربة ، تم حساب عامل الشكل على أنه 1.9 ، مما يشير إلى التدفق الانتقالي.

باختصار ، تعلمنا عن تطور تدفق الطبقة الحدودية ، ثم استخدمنا إعداد قياس شدة الريح بدرجة حرارة ثابتة لتحليل الطبقة الحدودية المضطربة فوق صفيحة مسطحة ومراقبة السلوك المنخفض.