Medición de flujos turbulentos

Los flujos turbulentos juegan un papel importante en una amplia variedad de sistemas de ingeniería y naturales. Como resultado, a menudo es necesario realizar mediciones dentro del sistema para caracterizar el flujo. Los flujos turbulentos exhiben fluctuaciones de frecuencia muy altas, por lo que cualquier instrumento que se utilice para medir y caracterizar la turbulencia debe tener una resolución de tiempo lo suficientemente alta como para resolver estos cambios. Los anemómetros de hilo caliente se utilizan a menudo para estas mediciones porque son pequeños, robustos y lo suficientemente rápidos como para producir resultados útiles. Este video ilustrará cómo usar una sonda de anemómetro de hilo caliente calibrada para obtener mediciones de velocidad y turbulencia en diferentes posiciones dentro de un chorro libre y luego realizar un análisis estadístico básico de los datos para caracterizar el campo turbulento.

Un flujo turbulento puede evidenciarse por altas fluctuaciones aleatorias en variables de flujo como la velocidad, la presión y la vorticidad. Estas fluctuaciones son el resultado de interacciones no lineales entre movimientos coherentes dentro del campo de flujo, por lo que las oscilaciones de alta frecuencia observadas en las mediciones de turbulencia provienen de efectos físicos reales y no son el resultado de ruido electrónico aleatorio. Una descripción clásica de flujo turbulento implica la determinación del valor promedio de las variables de flujo y sus correspondientes fluctuaciones con el tiempo. Por ejemplo, la velocidad media, denotada por una barra superior, se encuentra integrando la velocidad instantánea durante el tiempo de medición y escalando por el tamaño del dominio de integración. En el caso de mediciones discretas como las de los sistemas de adquisición digital, la integral debe resolverse numéricamente. Una vez que se ha encontrado la velocidad promedio, se puede restar de la señal original para obtener la fluctuación y la velocidad dependientes del tiempo denotadas por el número primo. A partir de estas definiciones, es fácil demostrar que el promedio de un campo de fluctuación es cero. Como resultado, se necesita un descriptor estadístico más apropiado para el campo de fluctuación. Una medida muy común es la raíz cuadrática media o RMS de las fluctuaciones. Esta métrica es similar a la media, excepto que la variable se eleva al cuadrado antes de integrarse y se toma la raíz cuadrada del resultado. La intensidad de la turbulencia viene dada por el RMS de la velocidad y esta medición se demostrará en un chorro libre en la siguiente sección. La velocidad media de un chorro libre tiene un perfil inicialmente plano que se suaviza a medida que el chorro se propaga debido al arrastre del aire circundante en el chorro. Este arrastre también hace que el momento lineal del chorro se extienda a medida que el chorro fluye aguas abajo, lo que resulta en un ensanchamiento del chorro a medida que se propaga. La región de interacción entre el chorro y el aire circundante se denomina capa de mezcla, y esta región crece hacia la línea central a medida que el chorro se mueve aguas abajo. Esto deja una región dentro del chorro conocida como núcleo potencial que está delimitada en la dirección de la corriente por la salida del chorro y el punto en el que la capa de mezcla alcanza la línea central. El núcleo potencial es entonces una región que no se ha visto afectada por las interacciones con el entorno circundante. En la línea central, el núcleo potencial se extiende aguas abajo hasta aproximadamente cuatro veces el ancho de la salida del chorro. Ahora que está familiarizado con los conceptos básicos de las mediciones de turbulencia, veamos cómo se puede usar para caracterizar un chorro libre.

Antes de comenzar a instalarse, familiarícese con el diseño y los procedimientos de seguridad de la instalación. Este experimento se realizará en el mismo sistema de flujo que se utilizó para la calibración del anemómetro de hilo caliente y el sistema de adquisición de datos debe configurarse de la misma manera. En el software de adquisición de datos, establezca la frecuencia de muestreo en 500 hercios y el total de muestras en 5.000. Actualice las constantes n, A y B para que coincidan con los valores determinados a partir de la calibración. Ahora configure la instalación de flujo. Utilice un espaciador calibrado para ajustar el ancho de la rendija a 19,05 milímetros o tres cuartos de pulgada y luego traslade el anemómetro de hilo caliente a la vena contracta del chorro a 1,5 veces el ancho de la ranura lejos de la salida. Comenzando con el anemómetro por encima de la rendija, baje la altura hasta que la señal en el osciloscopio alcance una fluctuación mínima. Registre esta posición vertical que corresponde a la línea central del chorro. Ahora mueva el anemómetro hacia arriba hasta que la fluctuación de la señal sea máxima y esta posición corresponda a la capa de cizallamiento superior del chorro. Inserte la placa de orificio en blanco en la pila para que se maximice la velocidad del flujo y luego encienda la instalación de flujo. Una vez establecido el flujo constante, utilice el sistema de adquisición de datos para medir la velocidad media y la intensidad de la turbulencia en este punto del chorro y registrar estos valores. Ahora mueva el anemómetro hacia abajo dos milímetros y vuelva a medir la velocidad media y la intensidad de la turbulencia. Continúe bajando el anemómetro en incrementos de dos milímetros y tomando medidas hasta que no haya cambios notables en ambas mediciones. Después de registrar la altura final, mueva el anemómetro hacia abajo hasta que esté por debajo de la línea central a la misma distancia. Reanude la toma de medidas y la traducción hasta que el anemómetro vuelva a estar en la línea central. Cuando haya terminado, traslade el anemómetro aguas abajo hasta que sea tres veces el ancho de la rendija desde la salida del chorro. Tome medidas del perfil del chorro en esta nueva posición de la corriente siguiendo el mismo procedimiento que utilizó en la primera ubicación. Repita sus mediciones del perfil del chorro a seis y nueve veces el ancho de la ranura desde la salida del chorro. Una vez que haya completado las mediciones, apague la instalación de flujo.

Echa un vistazo a tus datos. En cada posición de la corriente, se miden la velocidad media y la intensidad de la turbulencia en una serie de puntos a medida de un tramo. Primero trace la velocidad promedio en función de la posición del tramo. Escale los valores por el valor de la línea central y encuentre los puntos en los que la curva se cruza con el umbral del 50%, interpolando según sea necesario. Estos puntos definen la anchura del chorro Delta en esta posición de la corriente. Calcula el ancho tomando la diferencia. En este caso, el ancho es de unos 21,5 milímetros. Ahora compare la velocidad media de la línea central y el ancho del chorro en las diferentes posiciones de la línea de corriente. La velocidad de la línea central permanece básicamente sin cambios hasta aproximadamente cuatro veces el ancho de la rendija desde la salida debido al núcleo potencial, pero disminuye más allá de esta distancia. El aumento en el ancho del chorro con la distancia es indicativo de la dispersión del momento lineal del chorro a medida que se arrastra el aire circundante. Ahora trace la intensidad de la turbulencia en función de la posición de la envergadura. Dado que la mezcla ocurre en el límite entre el chorro y el entorno circundante, la intensidad de la turbulencia alcanza su punto máximo lejos de la línea central.

El flujo turbulento es omnipresente en aplicaciones científicas y de ingeniería. Para su evaluación en aplicaciones de ingeniería como ventilación, calefacción y aire acondicionado, es común el uso de sondas portátiles de hilo caliente que se introducen en los conductos y atraviesan radialmente para obtener los perfiles de velocidad. Esta información es utilizada por el ingeniero para equilibrar un sistema de flujo recién instalado para garantizar su correcto funcionamiento o para solucionar un sistema que funciona mal y resolver cualquier problema que dificulte su funcionamiento. Cuando un nuevo vehículo o estructura terrestre, aérea o marina está diseñada para soportar las fuerzas de flujos turbulentos, es necesario probar su rendimiento en condiciones de flujo realistas en un túnel de viento o agua. Para simular las condiciones de turbulencia que ocurren en la atmósfera o en el océano, el flujo entrante puede ser perturbado con rejillas activas o pasivas que introducirán fluctuaciones significativas en el flujo. A continuación, el vehículo o la estructura en estudio se puede montar en la sección de pruebas del túnel de viento o de agua para medir cómo hace frente a las cargas introducidas por el flujo turbulento. Estas mediciones se pueden realizar directamente con balanzas aerodinámicas que miden las fuerzas de arrastre y sustentación resultantes. Además, la velocidad alrededor del modelo probado en el túnel puede proporcionar información importante sobre el rendimiento. Esta caracterización se realiza típicamente con anemómetros de hilo caliente en túneles de viento.

Acabas de ver la introducción de Jove a la medición de flujos turbulentos. Ahora debería comprender cómo implementar anemómetros de hilo caliente para medir y evaluar los perfiles de flujo y la intensidad de la turbulencia. Gracias por mirar.