Anemometría de hilo caliente

La anemometría de hilo caliente es una técnica experimental común para medir la velocidad del fluido durante las pruebas de flujo. La velocidad suele ser un parámetro importante del flujo a caracterizar. Pero al igual que con muchas propiedades de flujo, es difícil de medir sin afectar el experimento. La medición de flujos turbulentos añade una complicación adicional, ya que la velocidad puede fluctuar rápidamente en este régimen. Los anemómetros de hilo caliente son un diagnóstico exitoso porque se pueden hacer muy pequeños para minimizar su impacto en el flujo medido. Y tienen una respuesta de tiempo lo suficientemente rápida como para resolver fluctuaciones rápidas de velocidad en el flujo. Este video ilustrará cómo funciona un anemómetro de hilo caliente en la configuración de temperatura constante. Y luego mostrar cómo se calibran estos dispositivos en preparación para su uso en experimentos de flujo.

En su forma más simple, un anemómetro de hilo caliente consiste en un cable resistivo corto suspendido entre dos soportes y colocado en el flujo de interés. El cable se calienta eléctricamente a una temperatura muy por encima de la temperatura ambiente del fluido, de modo que el calor generado contrarresta el calor perdido por el enfriamiento convectivo. Dado que la velocidad de enfriamiento convectivo depende de la velocidad del fluido, se puede definir una relación entre la potencia eléctrica en el anemómetro y la velocidad del flujo. El calentamiento Joule del alambre es el producto de la resistencia del alambre y el cuadrado de la corriente eléctrica. Para la mayoría de los materiales, la resistencia depende de la temperatura y está bien aproximada por una relación lineal, donde el alfa constante es especificado por el material del alambre. El enfriamiento convectivo se puede modelar utilizando la Ley de King. En esta ecuación, A y B son constantes que se determinarán durante la calibración. Y el exponente de la velocidad N suele estar alrededor de 0,45. En estado estacionario, la calefacción y la refrigeración están equilibradas. Pero la determinación de la potencia de entrada instantánea depende de conocer tanto la resistencia como la corriente simultáneamente. Una estrategia conocida como anemometría a temperatura constante consiste en suministrar sólo la corriente suficiente para mantener constante la temperatura y, por tanto, la resistencia del cable. Esto se logra utilizando un puente de Wheatstone con el cable caliente que sirve como una pierna del circuito del puente. El puente se puede considerar como dos divisores de voltaje en paralelo, y la diferencia en sus salidas es el voltaje del puente. Si las relaciones son uno a R2 y RW a R3 son iguales, el puente está equilibrado y el voltaje del puente es cero. De lo contrario, el voltaje del puente se amplifica y se utiliza como señal de retroalimentación. Luego, la corriente fluirá a través del cable caliente, calentándolo hasta que el puente se equilibre. La temperatura de referencia del cable caliente se puede establecer ajustando la resistencia de control R1. La ley de Ohm se puede utilizar para relacionar la corriente que fluye a través del cable caliente con el voltaje del puente. Ahora, dado que nuestra W se mantiene constante, los términos de resistencia pueden ser absorbidos por las constantes de calibración. Y la velocidad se especifica en función del voltaje del puente. Las constantes de calibración se determinan colocando el anemómetro en un sistema de flujo de referencia. Las mediciones deben tomarse a varias velocidades de flujo conocidas para que se pueda realizar una regresión de mínimos cuadrados. La vena contracta del chorro libre es un flujo de referencia útil porque la velocidad media está bien caracterizada por la densidad del fluido y el diferencial de presión. Ahora que entiendes cómo funciona el anemómetro de hilo caliente, veamos cómo se puede calibrar experimentalmente el dispositivo utilizando la vena contracta de un chorro libre.

Antes de comenzar a instalarse, familiarícese con el diseño y los procedimientos de seguridad de la instalación. El sistema de flujo consta de una cámara presurizada por un ventilador centrífugo. Se forma un chorro libre desde la ranura en el costado del plenum y la pila en la parte superior permite ajustar la presión del plenum intercambiando las placas de orificio restrictivas. Ahora configure el sistema de adquisición de datos como se muestra en el diagrama del texto. Conecte la lengüeta de presión del pleno al puerto positivo del transductor de presión y deje el puerto negativo abierto a la atmósfera. Ajuste el canal cero del sistema de adquisición de datos a la tensión del puente del anemómetro y el canal uno al transductor de presión. En el software de adquisición de datos, ajuste el canal de hilo caliente a cero y el canal del transductor de presión a uno. Por último, establezca la constante N en 0,45 y la frecuencia de muestreo en 100 hercios y las muestras totales en 1000. Introduzca los valores de la densidad del aire local en la constante de calibración del transductor en los campos apropiados para que el sistema de adquisición de datos informe de los resultados en metros por segundo. Utilice un espaciado calibrado para establecer el ancho de la hendidura en 19,05 milímetros o tres cuartos de pulgada. Y luego fije el anemómetro de alambre caliente en el flujo en la posición de la vena contratada, que está a una distancia de 1,5 veces el ancho de la hendidura desde la abertura. Localice el anemómetro y el plano medio del chorro atravesando la sonda en la dirección de la corriente cruzada hasta que la señal en el osciloscopio muestre fluctuaciones mínimas. Ahora cubra la pila por completo para establecer la velocidad máxima del chorro y luego encienda la instalación de flujo. Utilice el software para registrar un punto de datos. Una vez completada la medición, cambie la placa del orificio por una con la abertura más pequeña. Tome otra medida con la nueva placa de orificio. Continúe intercambiando placas de orificio y tomando medidas hasta que haya recopilado al menos seis puntos de datos, incluido uno con la pila completamente sin restricciones. Recupere las constantes de calibración del software de adquisición de datos.

Una vez que haya terminado de recopilar datos, tendrá mediciones de voltaje de los circuitos del puente correspondientes a un rango de diferentes velocidades de flujo. Traza el voltaje al cuadrado en función de la velocidad elevada a la potencia 0.45. Y, a continuación, realice un ajuste lineal de mínimos cuadrados a los datos. La pendiente y la intersección del ajuste son las constantes de calibración para este anemómetro de hilo caliente. Ahora que el anemómetro ha sido calibrado, se puede usar en una configuración de flujo diferente para medir una velocidad desconocida.

Los anemómetros de hilo caliente se utilizan con frecuencia en experimentos científicos de flujo. La anemometría de hilo caliente se utiliza ampliamente para estudiar los flujos de la capa límite en túneles de viento. Las capas límite son uno de los temas de investigación más antiguos en mecánica de fluidos debido a su relevancia para aplicaciones tecnológicas como el diseño aerodinámico, la ingeniería naval y la generación de energía, entre otras. En detrimento de todos estos campos, muchos de los efectos que afectan a la capa límite son todavía incipientemente conocidos. Gradientes de rugosidad, densidad y viscosidad muy irregulares y compresibilidad, por mencionar algunos. Teniendo esto en cuenta, la anemometría de hilo caliente se utiliza en entornos de laboratorio para evaluar los flujos de la capa límite relevantes para las aplicaciones mencionadas anteriormente. Utilizando estrategias similares a la demostrada en el experimento actual. Los sistemas de ventilación industrial se utilizan para controlar humos, partículas, aerosoles, productos de combustión u otros contaminantes en entornos industriales. Por lo general, cada contaminante se generará a una velocidad diferente. Por lo tanto, el sistema de escape requerirá un caudal diferente para cada contaminante para eliminarlos de manera eficiente. Este procedimiento generalmente se lleva a cabo con la ayuda de un anemómetro de hilo caliente. Donde el ingeniero establece la posición de un amortiguador en cada línea, buscando que la lectura del anemómetro coincida con un valor de velocidad preestimado.

Acabas de ver la introducción de Jove a la anemometría de hilo caliente. Ahora debería comprender cómo funciona un anemómetro de temperatura constante y cómo calibrar este dispositivo para su uso en experimentos de flujo. Gracias por mirar.