来源:Ricardo Mejia-Alvarez 和 Hussam Hikmat Jabbar,密歇根州立大学机械工程系,美国密歇根州东兰辛市
湍流表现出极高的频率波动,需要使用具有高时间分辨率的仪器才能对其进行适当表征。热丝风速计具有足够短的时间响应,能够满足这一要求。本实验的目的是演示如何利用热…
mm)。
mm)。表1 . 实验研究的基本参数。
| 参数 | 数值 |
| 狭缝宽度 (W) | 19.05 mm |
| 空气密度 (r) | 1.2 kg/m3 |
| 换能器校准常数 (m_p) | 76.75 Pa/V |
| 校准常数 A | 5.40369 V2 |
| 校准常数 B | 2.30234 V2(m/s)-0.65 |

图 4. 流动系统中的流量控制。位于稳压室顶部的堆叠结构可用于分流来自射流狭缝的气流,从而调控射流出口速度。 请点击此处查看此图的放大版本。
湍流在众多工程系统和自然现象中起着重要作用。因此,通常需要在系统内部进行测量,以表征流动特性。湍流具有极高的频率波动,因此用于测量和表征湍流的任何仪器都必须具备足够高的时间分辨率,以分辨这些快速变化。热丝风速仪常被用于此类测量,因其体积小、坚固且响应速度快,能够获得有效的测量结果。本视频将演示如何使用经过校准的热丝风速仪探头,在自由射流内的不同位置获取速度和湍流数据,并对所得数据进行基本的统计分析,以表征湍流场。
湍流可以通过流体变量(如速度、压力和涡量)中显著的随机波动来识别。这些波动源于流场内相干运动之间的非线性相互作用,因此在湍流测量中观察到的高频振荡来自真实的物理效应,而非随机电子噪声所致。对湍流的经典描述包括确定流体变量的平均值及其随时间的变化波动。例如,平均速度(用上划线表示)可通过在测量时间内对瞬时速度进行积分,并除以积分区间长度来获得。对于数字采集系统等离散测量情形,该积分需通过数值方法求解。一旦求得平均速度,便可从原始信号中减去该值,得到以撇号表示的随时间变化的速度波动。根据这些定义,容易证明波动量的平均值为零。因此,需要采用更合适的统计量来描述波动场。一种常用指标是波动的均方根(RMS)。该指标与平均值类似,区别在于先对变量进行平方后再积分,最后取结果的平方根。湍流强度即由速度的均方根表示,这一测量方法将在下一节的自由射流实验中进行演示。自由射流的平均速度在初始阶段具有平坦的顶部轮廓,随着射流向前传播,由于周围空气被卷入射流,速度剖面逐渐变得平滑。这种卷吸作用还导致射流的线性动量在展向上扩散,从而使射流在传播过程中不断展宽。射流与周围空气之间的相互作用区域称为混合层,随着射流向下游运动,该区域逐渐向中心线扩展。在射流内部留下一个被称为势核的区域,其在流向上的范围由射流出口和混合层到达中心线的位置所界定。因此,势核是尚未受到周围环境相互作用影响的区域。在中心线上,势核向下游延伸的距离约为射流出口宽度的四倍。现在您已了解湍流测量的基本原理,接下来我们将探讨如何利用这些方法对自由射流进行表征。
在开始设置之前,请熟悉设施的布局和安全操作规程。本实验将在与热线风速仪校准所用相同的流动系统上进行,数据采集系统的设置方式也应与之前一致。在数据采集软件中,将采样率设为 500 赫兹,总采样点数设为 5,000。更新常数 n、A 和 B,使其与校准过程中确定的数值一致。现在开始搭建流动装置。使用已校准的垫片将狭缝宽度设定为 19.05 毫米(即四分之三英寸),然后将热线风速仪沿流动方向移动至射流缩脉断面处,该位置距离出口 1.5 倍狭缝宽度。从风速仪位于狭缝上方开始,逐步降低其高度,直至示波器上的信号波动达到最小值。记录此时的垂直位置,该位置对应射流的中心线。接着将风速仪向上移动,直至信号波动达到最大值,此位置对应射流的上剪切层。将未开孔的盲板插入风道堆栈中,以使流速达到最大,然后启动流动装置。待流动达到稳定状态后,使用数据采集系统测量射流该位置的平均速度和湍流强度,并记录这些数值。随后将风速仪横向向下移动 2 毫米,再次测量平均速度和湍流强度。继续以 2 毫米为步长逐步降低风速仪并进行测量,直到两个测量值均无明显变化为止。记录最终高度后,继续将风速仪向下移动,使其低于中心线的距离与之前高于中心线的距离相同。然后开始向上移动风速仪并继续测量,直至其回到中心线位置。完成该位置的测量后,将风速仪沿流向向下游移动至距离射流出口 3 倍狭缝宽度的位置。按照与第一位置相同的测量步骤,在该新的流向位置测量射流剖面。在距离射流出口 6 倍和 9 倍狭缝宽度的位置重复进行射流剖面的测量。完成所有测量后,关闭流动装置。
查看您的数据。在每个流向位置上,您都有一系列展向点处测得的平均速度和湍流强度值。首先将平均速度随展向位置的变化关系绘制成图。将各数值除以中心线处的值进行归一化,并找出曲线与50%阈值相交的点,必要时进行插值。这些点定义了该流向位置处的射流宽度 Δ。通过计算两点之间的差值来确定宽度。在本例中,该宽度约为21.5毫米。接下来,比较不同流向位置处的平均中心线速度和射流宽度。由于势流核心的存在,中心线速度在距出口约四倍狭缝宽度的范围内基本保持不变,但超过此距离后逐渐下降。射流宽度随距离增加而增大,表明随着周围空气被卷入,射流的展向动量不断扩散。现在将湍流强度随展向位置的变化关系绘制成图。由于混合发生在射流与周围环境的交界区域,湍流强度的峰值出现在偏离中心线的位置。
湍流在科学和工程应用中普遍存在。在通风、供暖和空调等工程应用中,通常使用便携式热线探针插入管道内,并沿径向移动以获取速度分布,从而对湍流进行评估。工程师随后利用这些信息,对新安装的流动系统进行平衡调节以确保其正常运行,或对出现故障的系统进行故障排查并解决阻碍其运行的问题。当设计新的陆地、空中或海洋交通工具或结构以承受湍流作用力时,有必要在风洞或水洞中通过接近实际的流动条件来测试其性能。为了模拟大气或海洋中出现的湍流条件,可通过主动或被动网格扰动来流,从而在流场中引入显著的脉动。随后将待研究的交通工具或结构安装在风洞或水洞的测试段,以测量其在湍流载荷作用下的响应情况。这些测量可通过气动力天平直接完成,用以测定相应的阻力和升力;此外,模型周围的速度场也可能提供有关性能的重要信息。此类表征通常在风洞中使用热线风速仪完成。
您刚刚观看了 JoVE 关于测量湍流流动的简介视频。您现在应该了解如何使用热线风速仪来测量和评估流速分布及湍流强度。感谢观看。
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.