Messung turbulenter Strömungen

Turbulente Strömungen spielen eine wichtige Rolle in einer Vielzahl von technischen und natürlich vorkommenden Systemen. Infolgedessen ist es oft notwendig, Messungen innerhalb des Systems durchzuführen, um die Strömung zu charakterisieren. Turbulente Strömungen weisen sehr hohe Frequenzschwankungen auf, so dass jedes Instrument, das zur Messung und Charakterisierung von Turbulenzen verwendet wird, eine ausreichend hohe Zeitauflösung haben muss, um diese Änderungen aufzulösen. Hitzdraht-Anemometer werden häufig für diese Messungen verwendet, da sie klein, robust und schnell genug sind, um brauchbare Ergebnisse zu liefern. In diesem Video wird veranschaulicht, wie man mit einer kalibrierten Hitzdraht-Anemometersonde Geschwindigkeits- und Turbulenzmessungen an verschiedenen Positionen innerhalb eines Freistrahls durchführt und dann eine grundlegende statistische Analyse der Daten durchführt, um das turbulente Feld zu charakterisieren.

Eine turbulente Strömung kann durch hohe zufällige Schwankungen in Strömungsvariablen wie Geschwindigkeit, Druck und Vorticity nachgewiesen werden. Diese Fluktuationen sind das Ergebnis nichtlinearer Wechselwirkungen zwischen kohärenten Bewegungen innerhalb des Strömungsfeldes, so dass die hochfrequenten Schwingungen, die bei Messungen von Turbulenzen beobachtet werden, von realen physikalischen Effekten stammen und nicht das Ergebnis von zufälligem elektronischem Rauschen. Eine klassische Beschreibung der turbulenten Strömung beinhaltet die Bestimmung des Mittelwertes von Strömungsvariablen und ihrer entsprechenden Schwankungen mit der Zeit. Zum Beispiel wird die durchschnittliche Geschwindigkeit, die durch einen Überbalken gekennzeichnet ist, ermittelt, indem die Momentangeschwindigkeit über die Messzeit integriert und um die Größe des Integrationsbereichs skaliert wird. Bei diskreten Messungen, wie sie z.B. von digitalen Erfassungssystemen durchgeführt werden, muss das Integral numerisch gelöst werden. Sobald die durchschnittliche Geschwindigkeit gefunden wurde, kann sie vom ursprünglichen Signal subtrahiert werden, um die zeitabhängige Fluktuation und Geschwindigkeit zu erhalten, die durch die Primzahl bezeichnet wird. Aus diesen Definitionen lässt sich leicht zeigen, dass der Durchschnitt eines Fluktuationsfeldes Null ist. Daher ist ein geeigneterer statistischer Deskriptor für das Fluktuationsfeld erforderlich. Ein sehr gebräuchliches Maß ist das Root Mean Square oder RMS der Fluktuationen. Diese Metrik ähnelt dem Durchschnitt, mit der Ausnahme, dass die Variable vor der Integration quadriert wird und die Quadratwurzel des Ergebnisses verwendet wird. Die Turbulenzintensität ist durch den Effektivwert der Geschwindigkeit gegeben und diese Messung wird im nächsten Abschnitt an einem Freistrahl demonstriert. Die durchschnittliche Geschwindigkeit eines Freistrahls hat ein anfänglich flaches Profil, das sich glättet, wenn sich der Strahl ausbreitet, da die umgebende Luft in den Strahl eindringt. Diese Mitnahme bewirkt auch, dass sich der lineare Impuls des Strahls bei der Strömung stromabwärts ausbreitet, was zu einer Verbreiterung des Strahls führt, während er sich ausbreitet. Der Bereich der Wechselwirkung zwischen dem Strahl und der umgebenden Luft wird als Mischschicht bezeichnet und wächst in Richtung der Mittellinie, wenn sich der Strahl stromabwärts bewegt. Dadurch verbleibt ein Bereich im Inneren des Strahls, der als potenzieller Kern bezeichnet wird und in strömungsweiser Richtung durch den Düsenaustritt und den Punkt, an dem die Mischschicht die Mittellinie erreicht, begrenzt wird. Der potenzielle Kern ist dann eine Region, die nicht von Wechselwirkungen mit der Umgebung beeinflusst wurde. Auf der Mittellinie erstreckt sich der potentielle Kern stromabwärts bis etwa zur vierfachen Breite des Düsenaustritts. Nachdem Sie nun mit den Grundlagen der Turbulenzmessung vertraut sind, schauen wir uns an, wie dies zur Charakterisierung eines Freistrahls verwendet werden kann.

Bevor Sie mit der Einrichtung beginnen, sollten Sie sich mit dem Layout und den Sicherheitsverfahren der Einrichtung vertraut machen. Dieses Experiment wird mit demselben Durchflusssystem durchgeführt, das für die Kalibrierung des Hitzdraht-Anemometers verwendet wurde, und das Datenerfassungssystem sollte auf die gleiche Weise eingerichtet werden. Stellen Sie in der Datenerfassungssoftware die Abtastrate auf 500 Hertz und die Gesamtabtastung auf 5.000 Hertz ein. Aktualisieren Sie die Konstanten n, A und B, damit sie mit den bei der Kalibrierung ermittelten Werten übereinstimmen. Richten Sie nun die Flow-Einrichtung ein. Stellen Sie die Spaltbreite mit einem kalibrierten Abstandshalter auf 19,05 Millimeter oder einen dreiviertel Zoll ein und übertragen Sie dann das Hitzdraht-Anemometer auf die Vena contracta des Strahls, die 1,5-mal so groß ist wie die Schlitzbreite vom Ausgang entfernt. Beginnen Sie mit dem Anemometer über dem Schlitz und senken Sie die Höhe ab, bis das Signal auf dem Oszilloskop eine minimale Schwankung erreicht. Notieren Sie diese vertikale Position, die der Mittellinie des Strahls entspricht. Verschieben Sie nun das Anemometer wieder nach oben, bis die Signalfluktuation ein Maximum erreicht hat und diese Position der oberen Scherschicht des Jets entspricht. Setzen Sie die leere Blende so in den Stapel ein, dass die Strömungsgeschwindigkeit maximiert wird, und schalten Sie dann die Durchflussanlage ein. Sobald eine stetige Strömung hergestellt ist, verwenden Sie das Datenerfassungssystem, um die durchschnittliche Geschwindigkeit und Turbulenzintensität an diesem Punkt des Jets zu messen und diese Werte aufzuzeichnen. Bewegen Sie nun das Anemometer spannweitenweise um zwei Millimeter nach unten und messen Sie erneut die durchschnittliche Geschwindigkeit und die Intensität der Turbulenz. Senken Sie das Anemometer weiter in zwei Millimeter-Schritten ab und nehmen Sie Messungen vor, bis sich bei beiden Messungen keine merkliche Veränderung mehr feststellt. Nachdem Sie die endgültige Höhe aufgezeichnet haben, verschieben Sie das Anemometer nach unten, bis es um den gleichen Abstand unter der Mittellinie liegt. Fahren Sie mit den Messungen und der Verschiebung nach oben fort, bis sich das Anemometer wieder auf der Mittellinie befindet. Wenn Sie fertig sind, verschieben Sie das Anemometer stromabwärts, bis es die dreifache Spaltbreite vom Düsenausgang entfernt ist. Nehmen Sie Messungen des Düsenprofils an dieser neuen strömungsweisen Position vor, indem Sie das gleiche Verfahren anwenden, das Sie an der ersten Position verwendet haben. Wiederholen Sie Ihre Messungen des Düsenprofils mit dem Sechs- und Neunfachen der Schlitzbreite vom Düsenausgang. Nachdem Sie die Messungen abgeschlossen haben, fahren Sie die Durchflussanlage herunter.

Werfen Sie einen Blick auf Ihre Daten. An jeder strömungsweisen Position wurden Messungen der durchschnittlichen Geschwindigkeit und der Turbulenzintensität an einer Reihe von Punkten in Bezug auf die Spannweite durchgeführt. Stellen Sie zunächst die durchschnittliche Geschwindigkeit als Funktion der spanweisen Position dar. Skalieren Sie die Werte um den Wert der Mittellinie, suchen Sie die Punkte, an denen die Kurve den Schwellenwert von 50 % schneidet, und interpolieren Sie nach Bedarf. Diese Punkte definieren die Strahlbreite Delta an dieser strömungsweisen Position. Berechnen Sie die Breite, indem Sie die Differenz nehmen. In diesem Fall beträgt die Breite etwa 21,5 Millimeter. Vergleichen Sie nun die durchschnittliche Geschwindigkeit der Mittellinie und die Strahlbreite an den verschiedenen Positionen der Stromlinien. Die Geschwindigkeit der Mittellinie bleibt aufgrund des potentiellen Kerns bis etwa zur vierfachen Spaltbreite ab dem Ausgang grundsätzlich unverändert, nimmt aber ab diesem Abstand ab. Die Zunahme der Strahlbreite mit zunehmender Entfernung ist ein Hinweis auf die spangenweise Ausbreitung des linearen Impulses des Strahls, wenn die umgebende Luft mitgerissen wird. Stellen Sie nun die Turbulenzintensität als Funktion der Spannweite dar. Da die Vermischung an der Grenze zwischen dem Jet und der Umgebung stattfindet, erreicht die Turbulenzintensität ihren Höhepunkt weg von der Mittellinie.

Turbulente Strömungen sind in wissenschaftlichen und technischen Anwendungen allgegenwärtig. Für die Bewertung in technischen Anwendungen wie Lüftung, Heizung und Klimatisierung ist es üblich, tragbare Hitzdrahtsonden zu verwenden, die in die Kanäle eingeführt und radial verlaufen, um die Geschwindigkeitsprofile zu erhalten. Diese Informationen werden dann vom Techniker verwendet, um entweder ein neu installiertes Durchflusssystem auszugleichen, um seinen ordnungsgemäßen Betrieb sicherzustellen, oder um ein fehlerhaftes System zu beheben und alle Probleme zu lösen, die seinen Betrieb behindern. Wenn ein neues Land-, Luft- oder Schiffsfahrzeug oder eine neue Struktur so konstruiert ist, dass es den Kräften turbulenter Strömungen standhält, ist es notwendig, seine Leistung unter realistischen Strömungsbedingungen in einem Wind- oder Wasserkanal zu testen. Um Turbulenzbedingungen zu simulieren, die in der Atmosphäre oder im Ozean auftreten, kann die einströmende Strömung mit aktiven oder passiven Gittern gestört werden, die zu erheblichen Schwankungen in der Strömung führen. Dann kann das zu untersuchende Fahrzeug oder die zu untersuchende Struktur in der Teststrecke des Wind- oder Wasserkanals montiert werden, um zu messen, wie es mit den Belastungen durch die turbulente Strömung zurechtkommt. Diese Messungen können direkt mit aerodynamischen Waagen durchgeführt werden, die die resultierenden Widerstands- und Auftriebskräfte messen. Auch die Geschwindigkeit um das im Tunnel getestete Modell kann wichtige Informationen zur Leistung liefern. Diese Charakterisierung wird typischerweise mit Hitzdraht-Anemometern in Windkanälen vorgenommen.

Sie haben gerade Joves Einführung in die Messung turbulenter Strömungen gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Sie Hitzdraht-Anemometer einsetzen, um Strömungsprofile und Turbulenzintensität zu messen und zu bewerten. Danke fürs Zuschauen.