3.11: Visualisierung der Strömungen um einen Körper

(1), eine kontinuierliche Blatt Blasen zu produzieren:

1. Setzen Sie das Gerät entsprechend den Schaltplan in Abbildung 3dargestellt.
2. Die positive Elektrode im Wasser stromabwärts Ende der Messstrecke zu beheben (siehe Abbildung 4 als Referenz).
3. Die negative Elektrode zu beheben, vor- und in der Nähe der Sehenswürdigkeit, die Luftblasen in den Stream freizugeben, bevor der Fluss das Objekt der Untersuchung erreicht (siehe Abbildung 4 als Referenz). Das Wasser wird der Stromkreis zwischen den beiden Elektroden abgeschlossen.
4. Schalten Sie die Flow-Anlage
5. Das Zifferblatt der Frequenz-Regler auf Position 2 gestellt. Dadurch wird ein Volumenstrom von ca. 9 x 10^-4 m3/s hergestellt.
6. Schalten Sie den DC-Stromversorgung und erhöhen die Spannung bis zu ca. 25 V, der Strom wird selbst festlegen, etwa 190 mA.
7. Legen Sie die Wellenform in den Signalgenerator, Square Wave (Symbol: ). Dies erzeugt eine 0 V - 5 V-Quadrat-Signal, das die Solid-State-Relais (Schließen der Schaltung) in seiner hohen Position aktiviert und öffnet sie in der unteren position
8. Für diesen speziellen Fall ist die Frequenz der quadratischen Welle nicht wichtig. Es muss nur ungleich Null sein.
9. Maximieren Sie den DC-Offset (+ 5 V) in den Signalgenerator. Mit dieser Einstellung ist immer der Stromkreis geschlossen und Luftblasen erzeugt das System kontinuierlich.

Abbildung 3. Verbindungen-Diagramm.

Abbildung 4. Testabschnitt. Fließt von links nach rechts. Die negative Elektrode erzeugt eine Schicht von Wasserstoff Bläschen, die mit der Strömung mitgerissen werden. Die positive Elektrode liegt bei nachgelagerten Ende der Messstrecke, die Störungen zu vermeiden. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

(2), Timelines zu produzieren:

1. Schalten Sie die Flow-Anlage
2. Das Zifferblatt der Frequenz-Regler auf Position 2 gestellt. Dadurch wird ein Volumenstrom von ca. 9 x 10^-4 m3/s hergestellt.
3. Schalten Sie den DC-Stromversorgung und erhöhen die Spannung bis zu ca. 25 V, der Strom wird selbst festlegen, etwa 190 mA.
4. Legen Sie die Wellenform in den Signalgenerator, Square Wave (Symbol: ). Dies erzeugt eine 0 V - 5 V-Quadrat-Signal, das die Solid-State-Relais (Schließen der Schaltung) in seiner hohen Position aktiviert und deaktiviert es (Öffnen des Stromkreises) in der unteren position
5. + 1 V DC-Offset in den Signalgenerator festgesetzt.
6. Stellen Sie die Frequenz der quadratischen Welle in den Signalgenerator bei 10 Hz.
7. Die Symmetrie der quadratischen Welle leicht negativ (-2) um den Raum zwischen Zeitlinien erhöhen bei gleichzeitiger Einsparung von der richtigen Frequenz eingestellt.

3. mithilfe von Fließlinien um Von Kármàn Wirbel Straßen zu studieren:

1. Messen Sie den Durchmesser des Stabes,, mit einem Bremssattel. SI Einheiten für diese Messung (m) verwenden.
2. Einen zylindrischen Stab flussabwärts der negativen Elektrode zu beheben.
3. Die Schicht der Wasserstoff Luftblasen das Licht von hoher Intensität-Entladungslampe anschlagen. Stellen Sie sicher, dass das Licht nicht direkt hinter der Linie der Ansicht zur Übersättigung an das Abbildungssystem zu verhindern
4. Richten Sie das Visualisierungssystem mit der Rute; in einer Weise, dass nur die Runde Spitze vor der Kamera sichtbar ist.
5. Fügen Sie eine Markierung im Fenster "Visualisierung" und stromabwärts des Stabes als Referenz verwenden, um Wirbel-Schuppen Zyklen pro Zeiteinheit zu zählen.

(4) Datenanalyse für Fluss vorbei an einem Kreiszylinder:

1. Bestimmung des Umrechnungsfaktors von Maschineneinheiten Realraum Einheiten:
   1. Messen Sie die Breite der Schatten, den die Rute auf die Blase Blatt (siehe Abbildung 2a als Referenz). Nehmen Sie diese Messung rechts beim Stab Wettbewerbsverzerrungen mit Abstand. Dies ist der Durchmesser des Stabes in Maschineneinheiten, (Punkt oder Pixel, abhängig vom Format)
   2. Verwenden Sie die folgende Gleichung der Umrechnungsfaktor von Maschineneinheiten zur realen Einheiten zu bestimmen:
      
2. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit:
   1. Wählen Sie eine Gruppe von unverfälschten Zeitlinien stromaufwärts von der Messkörper.
   2. Messen Sie den Abstand zwischen der ersten und letzten Timeline in Maschineneinheiten, (Punkt oder Pixel).
   3. Die Anzahl der Zeitachsen in der Gruppe, .
   4. Beachten Sie die Häufigkeit der das Rechtecksignal wie durch den Signalgenerator erzeugt .
   5. Bestimmen Sie die nahende Strömungsgeschwindigkeit aus der folgenden Gleichung:
      
3. Bestimmung der Reynolds-Zahl:
   1. Die kinematische Viskosität des Arbeitsmittels zu finden (z. B. Wasser m2/s).
   2. Die Reynolds-Zahl nach Gleichung (1) zu berechnen. Dafür, unter Berücksichtigung des Durchmessers des Stabes () in Schritt 3.1, die sich nähernden Geschwindigkeit gemessen () mit Gleichung (5), und die kinematische Viskosität in Schritt 4.3.1 ermittelten bestimmt
4. Ermittlung der Strouhal: Wirbel im Zuge des Stabes bewegen sich mit einer anderen Geschwindigkeit als die Zeitachsen in der kostenlosen online Stream. Daher muss die Frequenz des Vortex shedding unabhängig geschätzt werden.
   1. Definieren Sie eine feste Referenz stromabwärts des Stabes. Dieser Verweis könnte eine feine Schnur befestigt an der Außenseite des Tunnels oder eine digitale Leitung hinzugefügt, um ein Video von der Strömung-Prozess.
   2. Die Anzahl der Wirbel vergießen Zyklen, , überqueren den Verweis in einem definierten Zeitraum . Ein Wirbel vergießen Zyklus ist in Abbildung 2(A) dargestellt.
   3. Berechnen Sie die Ausscheidung Frequenz aus der folgenden Gleichung:
      
   4. Anhand der Ergebnisse aus den Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (2) um die Strouhal-Zahl zu berechnen.

Aufgrund der nichtlinearen Natur der geltenden Gesetze induziert die Fluidbewegung komplizierte Strömungsmuster. Diese Strömungsmuster werden von vielen Faktoren beeinflusst, von denen einer das Passieren eines Hindernisses wie eines Steilhangkörpers ist. Ein Steilkörper ist ein Objekt, das aufgrund seiner Form eine getrennte Strömung über den größten Teil seiner Oberfläche verursacht. Abhängig von den Strömungsbedingungen kann diese Strömung instabil werden, was zu oszillierenden Strömungsmustern im Nachlauf führt, die als Wirbelablösung bezeichnet werden. Dieses Video stellt die Grundlagen der Strömungstrennung und des Wirbelabwurfs vor, die durch einen Steilhang verursacht werden, und demonstriert eine Technik, mit der die resultierenden Strömungsmuster visualisiert werden.

Betrachten wir zunächst den gleichmäßigen stetigen Fluss von Wasser mit der Geschwindigkeit U unendlich, der als freie Strömungsgeschwindigkeit bezeichnet wird und sich einem kreisförmigen Zylinder nähert. Die Grenzschichttrennung auf der Oberfläche des Objekts führt zur Bildung von Wirbeln um den Körper, die sich schließlich im Nachlauf ablösen. Wenn eine periodische Ablösung stattfindet, erzeugen die Wirbel abwechselnd Bereiche mit niedrigem Druck hinter dem Körper. Dieser Prozess wird als Von-Karman-Wirbelstraße bezeichnet. Dieses sich wiederholende Muster tritt in bestimmten Bereichen der Reynoldszahl auf, einem dimensionslosen Parameter, der als Verhältnis von Trägheitskräften zu viskosen Kräften definiert ist. Dabei ist nu die kinematische Viskosität des Fluids, V ist die charakteristische Geschwindigkeit oder in diesem Fall U unendlich und D ist der Zylinderdurchmesser. Wenn die Reynolds-Zahl in der folgenden Demonstration etwa fünf beträgt, weist die Strömung beispielsweise zwei stabile gegenläufige Wirbel hinter dem Zylinder auf. Mit zunehmender Reynoldszahl verlängern sich diese Wirbel in Strömungsrichtung. Wenn die Reynolds-Zahl etwa 37 erreicht, wird die Spur instabil und oszilliert sinusförmig als Folge eines Ungleichgewichts zwischen Druck und Impuls. Die Häufigkeit, mit der Wirbel vom Zylinder abgestoßen werden, ist nicht konstant, sondern variiert mit dem Wert der Reynolds-Zahl. Diese Abwurffrequenz wird durch die Strouhal-Zahl charakterisiert, die ein weiterer dimensionsloser Parameter ist. Die Strouhal-Zahl ist wie folgt definiert, wobei f die Wirbelabwurffrequenz ist. Bei der experimentellen Analyse von Strömungsmustern werden vier Arten von Strömungslinien verwendet. Eine Pfadlinie ist der Pfad, dem ein bestimmtes Fluidpartikel folgt, während es sich mit der Strömung bewegt. Eine Streifenlinie ist der kontinuierliche Ort aller Fluidpartikel, deren Bewegung von der gleichen Stelle ausgeht. Eine Stromlinie ist eine imaginäre Linie, die unmittelbar und lokal tangential zum Geschwindigkeitsfeld verläuft. Beachten Sie, dass Pfadlinien, Streifenlinien und Stromlinien bei stationärer Strömung miteinander übereinstimmen. In der Strömung entspricht dies den Bereichen der Strömung, die dem Steilhangkörper stromaufwärts liegen oder weit genug vom Einfluss seines Kielwassers entfernt sind. Auf der anderen Seite unterscheiden sich Pfadlinien, Schlierenlinien und Stromlinien unter instationären Strömungsbedingungen voneinander. In der Strömung entspricht dies im Grunde dem Nachlauf des Bluff-Körpers. Schließlich sind Zeitachsen der kontinuierliche Ort von Flüssigkeitspartikeln, die zum gleichen Zeitpunkt in die Strömung freigesetzt wurden. Im folgenden Experiment werden wir eine durchgehende Schicht aus winzigen Wasserstoffblasen verwenden, um Strömungsmuster anhand von Zeitleisten und Streifenlinien zu analysieren. Schauen wir uns nun an, wie Sie das Flow-Experiment einrichten.

Montieren Sie zunächst das Gerät gemäß dem gezeigten Schaltplan. Befestigen Sie die positive Elektrode im Wasser am stromabwärts gelegenen Ende der Prüfstrecke. Befestigen Sie anschließend die negative Elektrode stromaufwärts. Dies sollte sich in der Nähe des Punktes befinden, an dem die Blasen in den Strom freigesetzt werden, bevor die Strömung das Untersuchungsobjekt erreicht. Schalten Sie die Durchflussfunktion ein. Stellen Sie dann den Drehregler des Frequenzreglers auf Position zwei, um eine mittlere Geschwindigkeit von etwa 0,04 Metern pro Sekunde festzulegen. Diese Geschwindigkeit entspricht einer Durchflussrate von etwa 50 auf minus fünf Kubikmeter pro Sekunde. Schalten Sie nun das Gleichstromnetzteil ein und erhöhen Sie die Spannung auf ca. 25 Volt mit dem Strom ca. 190 Milliampere. Stellen Sie bei einem Signalgenerator den Ausgang auf eine Rechteckwelle mit einem Rechtecksignal von null Volt bis fünf Volt ein, die den Stromkreis in der oberen Position schließt und in der niedrigen Position öffnet. Maximieren Sie den DC-Offset auf fünf Volt, so dass der Stromkreis immer geschlossen ist und das System kontinuierlich Blasen erzeugt. Um Zeitleisten zu erstellen, ändern Sie den DC-Offset im Signalgenerator auf ein Volt. Stellen Sie dann die Frequenz der Rechteckwelle auf 10 Hertz ein. Zeitleisten werden im Fluss erstellt. Stellen Sie dann die Symmetrie der Rechteckwelle auf minus zwei ein, um den Abstand zwischen den Zeitachsen zu vergrößern.

Messen Sie zunächst den Durchmesser der Stange mit einem Messschieber in SI-Einheiten. Befestigen Sie den zylindrischen Stab stromabwärts der Minuselektrode. Werfen Sie hochintensives Licht auf die Schicht aus Wasserstoffblasen und achten Sie darauf, dass sich das Licht nicht direkt hinter der Sichtlinie befindet, um eine Übersättigung des Bildgebungssystems zu vermeiden. Richten Sie das Visualisierungssystem so am Stab aus, dass vor der Kamera nur die kreisförmige Spitze sichtbar ist. Fügen Sie eine Markierung im Visualisierungsfenster und stromabwärts des Stabes hinzu, um sie als Referenzpunkt für die Zählung der Wirbelabwurfzyklen zu verwenden.

Messen Sie zuerst die Breite des Schattens, den der Stab auf das Luftpolsterblatt wirft. Nehmen Sie die Messung direkt an der Stange vor, um Verzerrungen mit zunehmender Entfernung zu vermeiden. Verwenden Sie den Stabdurchmesser, um den Umrechnungsfaktor von Maschineneinheiten in reale Einheiten zu bestimmen. Wählen Sie als Nächstes eine Gruppe von nahezu unverzerrten Zeitlinien aus, die vom Bluff-Körper und dem Einfluss seines Kielwassers entfernt sind. Messen Sie den Abstand L zwischen der ersten und der letzten Zeitachse in Maschineneinheiten. Zählen Sie die Anzahl der Zeitachsen in der Gruppe und notieren Sie sich die Häufigkeit der Rechteckwelle. Bestimmen Sie die Annäherungsgeschwindigkeit aus der folgenden Gleichung. Berechnen Sie nun mit der kinematischen Viskosität des Wassers die Reynolds-Zahl. Bestimmen Sie als Nächstes die Strouhal-Zahl, indem Sie die Wirbel im Kielwasser des Stabes beobachten. Beachten Sie, dass sich die Wirbel mit einer anderen Geschwindigkeit bewegen als die Zeitlinien im freien Strom. Zählen Sie mit der festen Zeichenkette als Referenz die Anzahl der Wirbelabwurfzyklen NS, die den Referenzpunkt während eines definierten Zeitraums kreuzen. Berechnen Sie die Haarausfallhäufigkeit. Verwenden Sie dann die Ergebnisse, um die Strouhal-Zahl zu berechnen.

Nachdem wir nun das Verfahren und die Analyse durchgegangen sind, werfen wir einen Blick auf die Ergebnisse. Die Gültigkeit des Ergebnisses kann anhand einer Beziehung zwischen der Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl bestimmt werden. Die Koeffizienten St* und m hängen vom Reynolds-Zahlenraum ab und sind in der Literatur zu finden. Die Reynolds-Zahl in diesem Beispiel ist 115. Somit können die Werte von St* und m zur Berechnung der Strouhalzahl verwendet werden. Der berechnete Wert für die Strouhal-Zahl beträgt 0,172, was gut mit dem gemessenen Wert von 0,169 korreliert. Als dieses Experiment mit unterschiedlichen operationellen Parametern durchgeführt wurde, korrelierten die Berechnungen der Reynolds- und Strouhal-Zahlen gut mit der mathematischen Beziehung zwischen den beiden Zahlen. Dies zeigt, wie gut die Bubble-Methode verwendet werden kann, um Strömungsmuster um einen Bluff-Körper herum zu verstehen.

Das Verständnis von Strömungsmustern ist für das Design und den Betrieb vieler Arten von technischen Anwendungen unerlässlich. Pfeiler von Brücken und Offshore-Bohrinseln sind so konstruiert, dass sie den Turbulenzen standhalten, die durch die Strömung am Bauwerk vorbei verursacht werden. Die Kenntnis der Wirbelabwurffrequenzen, bei denen eine bestimmte Struktur freigelegt wird, ist entscheidend für ihr Design. In diesem Zusammenhang müssen die Ingenieure sicherstellen, dass die Eigenfrequenz der Struktur nicht so ist, dass sie mit der Wirbelabwurffrequenz in Resonanz geht, da dies unweigerlich zu einem katastrophalen Versagen der Struktur führen wird. Es ist auch wichtig, die Strömung um ein stromlinienförmiges Objekt wie ein Tragflächenprofil oder einen Schiffsrumpf zu untersuchen. Durch den Einsatz von Strömungsleitungen können Ingenieure Parameter wie den Winkel, in dem ein Flugzeug abreißt, bestimmen oder sogar die Auftriebseigenschaften anhand der Strömungsgeschwindigkeit abschätzen.

Sie haben gerade das Video von Jove gesehen, in dem es darum geht, Flow-Linien um einen Bluff-Körper herum zu visualisieren. Sie sollten nun die Grundlagen der Strömungsmuster und der Von-Karman-Wirbelstraße verstehen, wie Sie ein Experiment zur Visualisierung dieser Strömungsmuster einrichten und wie Sie das Strömungsverhalten untersuchen. Danke fürs Zuschauen.