Visualisation de l'écoulement après un corps non profilé

Visualization of Flow Past a Bluff Body

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Visualization of Flow Past a Bluff Body

3.9: Hot Wire Anemometry

3.12: Jet Impinging on an Inclined Plate

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10:32 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar et Mahmoud N. Abdullatif, département de génie mécanique, Michigan State University, East Lansing, MI

En raison du caractère non linéaire de ses lois dirigeants, un mouvement fluide induit des écoulements complexes. Comprendre la nature de ces modèles a fait l’objet d’un examen approfondi pendant des siècles. Bien que les ordinateurs personnels et les superordinateurs sont largement utilisés pour déduire des modèles d’écoulement de fluide, leurs capacités sont encore insuffisantes pour déterminer la viscosimétrie exacte pour des géométries complexes ou hautement inertiels flux (par exemple quelle impulsion domine résistance visqueuse). Dans cette optique, une multitude de techniques expérimentales pour faire flux motifs évidents ont été mis au point qui peut atteindre le débit outils inaccessibles aux théorique et computationnelle des régimes et des géométries.

Cette démonstration étudiera l’écoulement du fluide autour d’un corps de bluff. Un corps de bluff est un objet que, grâce à sa forme, causes séparé des flux sur la majeure partie de sa surface. Cette méthode diffère un corps profilé, comme une surface portante, qui est aligné dans le flux et provoque la séparation de l’écoulement. Le but de cette étude est d’utiliser les bulles d’hydrogène comme une méthode de visualisation des modèles d’écoulement. Les bulles d’hydrogène sont produits par électrolyse en utilisant une source d’alimentation CC en immergeant ses électrodes dans l’eau. Bulles d’hydrogène sont forment dans l’électrode négative, qui doit être un fil très fin pour que les bulles restent petits et suivre le mouvement du fluide plus efficacement. Cette méthode convient pour des écoulements laminaires stables et instables et est basée sur les lignes de flux de base qui décrivent la nature de l’écoulement autour des objets. [1-3]

Cet article se concentre sur la description de la mise en oeuvre de la technique, y compris des détails sur l’équipement et son installation. Ensuite, la technique est utilisée pour démontrer l’utilisation de deux des lignes de flux essentiel pour caractériser l’écoulement autour d’un cylindre circulaire. Ces lignes de flux sont utilisées pour estimer certains paramètres de débit importantes comme la vitesse d’écoulement et le nombre de Reynolds et de déterminer les modes d’écoulement.

Principles

Dans cette configuration, nous examinerons la fluidité de l’eau avec une vitesse uniforme (doublé la vitesse d’écoulement libre) approchant un cylindre circulaire (Figure 1). Selon les conditions d’écoulement caractérisée par le nombre de Reynolds, ce flux peut devenir instable et donner lieu à des vortex-jetant. Vortex effusion est typique du débit au-delà des organes bluff qui, par opposition aux organes simplifiées, pièce séparation de la couche limite sur une partie substantielle de leur surface. Cette séparation de la couche limite conduit à la formation de tourbillons derrière le corps qui pourrait éventuellement démonter périodiquement dans la foulée. Lorsque le détachement périodique a lieu, les tourbillons génèrent alternantes zones de basse pression derrière le corps qui pourraient devenir des charges résonantes si la fréquence de délestage coïncide avec la fréquence naturelle du corps. Ce vortex effusion de processus est appelé le « Von Kármàn vortex rue » (Figure 2). Ce motif répétitif des tourbillons qui tournoie est causé par la séparation de l’écoulement instable autour du corps de bluff et se produit à certaines gammes de nombre de Reynolds. Éviter ce scénario est d’une importance significative dans la conception des ouvrages d’art tels que les cheminées et les piliers de pont car il peut entraîner des dommages catastrophiques.

Figure 1 . Flux passé un cylindre circulaire. Schéma de configuration de base. Un flux homogène avec une vitesse un cylindre droit de diamètre s’approche dont l’axe de symétrie est perpendiculaire à la vitesse qui s’approche.

Le nombre de Reynolds est un paramètre sans dimension défini comme le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses :

(1)

Où est la viscosité cinématique du fluide, une vitesse caractéristique ( en l’espèce), et au diamètre du cylindre. Le nombre de Reynolds est sans doute le paramètre le plus important dans la caractérisation des écoulements de fluides et sera utilisé tout au long de la présente expérience comme la métrique de l’émergence de la rue de vortex de Von Kármàn. En particulier, lorsque le nombre de Reynolds est autour de 5, l’écoulement présente deux tourbillons contra-rotatifs stables derrière le cylindre. Comme le nombre de Reynolds augmente, ces deux tourbillons s’allongent dans la direction de l’écoulement. Lorsque le nombre de Reynolds atteint une valeur d’environ 37, la suite devient instable et commence à osciller sinusoïdalement en raison d’un déséquilibre entre la pression et l’élan. Une nouvelle augmentation de nombre de Reynolds jusqu’à 47 provoque les deux tourbillons contra-rotatifs détacher la bouteille dans une séquence alternée qui suit l’oscillation sinusoïdale sillage [4,5,6].

La fréquence avec laquelle les tourbillons sont jeter hors du cylindre n’est pas constante ; Il varie avec la valeur du nombre de Reynolds. Délestage de fréquence se caractérise par le nombre de Strouhal, qui est l’autre paramètre sans dimension de pertinence dans cette configuration de l’écoulement du fluide particulier :

(2)

Ici, est la fréquence de délestage de vortex et les échelles de longueur et de vitesse sont les mêmes que pour le nombre de Reynolds. Vortex effusion fréquence peut alors être caractérisée par le nombre de Strouhal comme une fonction linéaire de la racine carrée inverse le nombre de Reynolds [7] :

(3)

Cette fonction n’est pas toujours monotone, il présente des transitions supplémentaires à la suite des instabilités secondaires dues à la non-linéarité de l’écoulement du fluide. En conséquence, les coefficients de et changerait selon la gamme de nombre de Reynolds. Le tableau 1 montre les valeurs de ces coefficients pour les régimes d’écoulement qui ont été bien caractérisées dans la littérature [7].

Au cours de ces expériences, nous utiliserons des conduites d’écoulement afin d’étudier les flux externe autour d’un cylindre circulaire. Ces conduites d’écoulement sont définis comme suit :

• Pathline : chemin d’accès qui fait suite à une particule fluide comme il se déplace avec le courant.

• Streakline : locus continu de toutes les particules fluides dont le mouvement est née à la même localisation spatiale.

• Chronologie : ensemble de particules fluides qui ont été marqués à l’instant même du temps tout en formant un locus continu.

• Simplifiée : ligne continue qui est partout tangent vers le champ de vitesse à un instant dans le temps.

Les trois premières lignes sont relativement faciles à générer expérimentalement, tandis que les lignes de courant sont simplement un concept mathématique qui en général doivent être produits par une capture instantanée du champ vitesse de post-traitement. C’est toujours vrai, l’analyse simplifie considérablement en flux continus parce que courant, streaklines et rationalise coïncide avec l’autre. À l’inverse, ces lignes ne pas généralement coïncident avec l’autre flux instable. La mise en œuvre de cette technique est généralement simple et exige seulement faible coût matériel, par opposition à des techniques plus sophistiquées et coûteuses comme Particle Image Velocimetry [1], Particle Tracking Velocimetry [8,9] et le marquage moléculaire Vélocimétrie [10].

Figure 2 . Résultats représentatifs. (A) feuille continue de bulles d’hydrogène qui montre des streaklines à la suite des troubles en amont. L’ombre projetée par la tige est utilisée pour déterminer la conversion de la machine en unités réelles. Un vortex effusion cycle est aussi illustré pour aider à déterminer la fréquence de délestage convenablement. (B) un calendrier généré avec bulles d’hydrogène. Puisque la fréquence de la chronologie est bien définie, ils peuvent servir à mesurer la vitesse d’écoulement avec précision ; les délais entre les lignes rouges de comptage sera utilisé pour cette estimation. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Tableau 1 . Les valeurs des coefficients et pour différents Reynolds numéro intervalles (de [8]).

Procedure

1. pour produire une feuille continue de bulles :

Réglez l’appareil conformément au schéma électrique illustré à la Figure 3.
Difficulté de l’électrode positive dans l’eau à l’extrémité aval de la section d’essai (pour référence, voir Figure 4 ).
Fixer l’électrode négative en amont et près du point d’intérêt de libérer les bulles dans le flux avant que le débit atteint l’objet d’étude (pour référence, voir Figure 4 ). L’eau remplit le circuit entre les deux électrodes.
Tourner à la facilité de circulation
Positionnez le cadran de la contrôleur de fréquence sur 2. Vous établirez un débit d’environ 9 x 10^-4 m3/s.
Allumez l’alimentation DC et augmenter la tension jusqu’à environ 25 V, le courant sera fixé environ 190 mA.
Définir la forme d’onde dans le générateur de signaux à onde carrée (symbole : ). Ceci génère un 0 V – 5 signal carré V qui active le relais à semi-conducteurs (fermeture du circuit) en position haute et il ouvre en position basse
Pour ce cas précis, la fréquence de l’onde carrée n’est pas importante. Il a juste besoin d’être différent de zéro.
Maximiser l’offset DC (+ 5 V) dans le générateur de signaux. Avec ce paramètre, le circuit est toujours fermé et le système génère des bulles en continu.

La figure 3. Schéma de connexions.

Figure 4. Section de l’essai. Débit allant de gauche à droite. L’électrode négative génère une couche de bulles d’hydrogène qui sont emportées avec l’écoulement. L’électrode positive est fixé à l’extrémité aval de la section test pour éviter les perturbations. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

2. pour produire un calendrier :

Tourner à la facilité de circulation
Positionnez le cadran de la contrôleur de fréquence sur 2. Vous établirez un débit d’environ 9 x 10^-4 m3/s.
Allumez l’alimentation DC et augmenter la tension jusqu’à environ 25 V, le courant sera fixé environ 190 mA.
Définir la forme d’onde dans le générateur de signaux à onde carrée (symbole : ). Cela génère un 0 V – 5 signal carré V qui active le relais à semi-conducteurs (fermeture du circuit) en position haute et désactive (l’ouverture du circuit) en position basse
Définir l’offset DC dans le générateur de signaux au + 1 V.
Définit la fréquence de l’onde carrée dans le générateur de signaux à 10 Hz.
Définissez la symétrie de l’onde carrée légèrement négative (-2) pour augmenter l’espace entre les délais tout en conservant la bonne fréquence.

3. d’utiliser les conduites d’écoulement pour étudier les rues vortex Von Kármàn :

Mesurer le diamètre de la tige,, à l’aide d’un pied à coulisse. Utilisez les unités S.I. pour cette mesure (m).
Fixer une tige cylindrique en aval de l’électrode négative.
Monter la couche de bulles d’hydrogène à la lumière de la lampe à décharge haute intensité. Assurez-vous que la lumière n’est pas directement derrière de la ligne de vue pour éviter la sursaturation du système d’imagerie
Aligner le système de visualisation avec la tige ; d’une manière que seulement l’extrémité circulaire est visible devant la caméra.
Ajouter une marque dans la fenêtre de visualisation et en aval de la tige pour l’utiliser comme référence pour compter vortex-hangar cycles par unité de temps.

4. analyse des flux passé un cylindre circulaire :

Détermination du facteur de conversion des unités de machine aux unités de l’espace réel :
1. Mesurez la largeur de l’ombre projetée par la tige sur la feuille de bulle (voir figure 2 a pour référence). Prendre cette mesure à droite à la tige pour éviter une distorsion avec la distance. C’est le diamètre de la tige en unités de machine, (points ou pixels, en fonction du format)
2. Utilisez l’équation suivante pour déterminer le facteur de conversion des unités de machine aux unités du monde réel :
Détermination de la vitesse d’écoulement :
1. Choisissez un groupe de chronologies sans distorsion en amont du corps bluff.
2. Mesurez la distance entre la première et la dernière chronologie en unités de machine, (points ou pixels).
3. Compter le nombre d’échéances dans le groupe, .
4. Prendre note de la fréquence du signal carré vague produite par le générateur de signaux, .
5. Déterminer la vitesse d’écoulement qui s’approchait de l’équation suivante :
Déterminer le nombre de Reynolds :
1. Trouver la viscosité cinématique du fluide de travail (p. ex. eaux m2/s).
2. Calculer le nombre de Reynolds à l’aide de l’équation (1). Pour cela, compte tenu du diamètre de la tige () mesurée à l’étape 3.1, la vitesse d’approche () déterminé avec l’équation (5) et la viscosité cinématique déterminé à l’étape 4.3.1
Déterminer le nombre de Strouhal : Vortex dans le sillage de la tige se déplacent à une vitesse différente comme les échéances dans le flux libre. Par conséquent, la fréquence de l’excrétion de vortex doit être estimée de façon indépendante.
1. Définir une référence fixe en aval de la tige. Cette référence pourrait être une ficelle fine fixée à l’extérieur du tunnel ou une ligne numérique ajouté à une vidéo du processus de flux.
2. Compter le nombre de vortex effusion cycles, , traversant la référence pendant une période définie de temps . Un vortex cycle de délestage est illustré à la Figure 2(A).
3. Calculer la fréquence de délestage de l’équation suivante :
4. Utiliser les résultats des équations (5) et (6) dans l’équation (2) pour calculer le nombre de Strouhal.

En raison du caractère non linéaire de ses lois régissant, mouvement fluid induit coulement complexe. Ces modèles d’écoulement sont influencés par plusieurs facteurs, dont une est flux passé un obstacle comme un corps bluff. Un corps de bluff est un objet que, grâce à sa forme, causes séparé des flux sur la majeure partie de sa surface. Selon les conditions d’écoulement, ce flux peut devenir instable, donnant lieu à la charge des modèles d’écoulement dans la foulée appelé vortex effusion. Cette vidéo mettra en place les bases de la séparation de l’écoulement et vortex provoqué par un organisme de bluff et démontrer une technique utilisée pour visualiser des modèles d’écoulement qui en résulte.

Tout d’abord, nous allons examiner le débit d’eau uniform et régulier avec l’infini de vitesse U appelée la vitesse d’écoulement libre d’approchant un cylindre circulaire. Séparation de la couche limite sur la surface de l’objet conduit à la formation de tourbillons autour du corps qui finit par se détacher dans la foulée. Lorsque le détachement périodique a lieu, les tourbillons génèrent alternantes zones de basse pression derrière le corps. Ce processus s’appelle le vortex de Von Karman rue. Ce motif répétitif se produit à certaines gammes de nombre de Reynolds, un paramètre sans dimension défini comme le rapport des forces d’inertie aux forces visqueuses. Ici, nu est la viscosité cinématique du fluide, V est la vitesse caractéristique ou l’infini de U dans ce cas, et D est le diamètre du cylindre. Par exemple, dans le paramétrage dans la démonstration suivante, lorsque le nombre de Reynolds est d’environ cinq ans, le débit présente deux tourbillons contra-rotatifs stables derrière le cylindre. Comme le nombre de Reynolds augmente, ces tourbillons s’allongent dans la direction de l’écoulement. Quand l’atteint nombre de Reynolds environ 37, la suite devient instable et oscille sinusoïdalement en raison d’un déséquilibre entre la pression et l’élan. La fréquence dans laquelle tourbillons sont jeter hors du cylindre n’est pas constante, plutôt il varie en fonction de la valeur du nombre de Reynolds. Cette fréquence de délestage est caractérisée par le nombre de Strouhal, qui est un autre paramètre sans dimension. Le Strouhal nombre est défini comme montré où f est la fréquence de délestage de vortex. Analyse expérimentale des écoulements utilise quatre types de conduites d’écoulement. Une ligne de chemin d’accès est le chemin qui fait suite à une particule fluide donnée comme il se déplace avec le courant. Une ligne de strie est le locus continu de toutes les particules fluides dont le mouvement est originaire du même endroit. Une streamline est une ligne imaginaire qui est instantanément et localement tangent vers le champ de vitesse. Notez que les lignes de chemin de strie et rationalise coïncide avec mutuellement dans des conditions de fluidité. Dans le flux de courant, cela correspond aux régions de l’écoulement en amont du corps du bluff ou assez loin de l’influence de son sillage. En revanche, les lignes de chemin de strie et simplifie diffère entre eux dans des conditions d’écoulement non permanent. Dans le flux de courant, cela correspond essentiellement à la suite du corps bluff. Enfin, les délais sont le locus continu de particules fluides qui ont été libérés au flux au même instant dans le temps. Dans l’expérience suivante, nous allons utiliser une feuille continue de bulles d’hydrogène minuscule pour analyser des modèles d’écoulement à l’aide de lignes d’échéanciers et l’ensemencer. Maintenant, nous allons jeter un coup d’oeil à la façon de mettre en place l’expérience de flux.

Tout d’abord, montez l’appareil selon le schéma électrique. Fixer l’électrode positive dans l’eau à l’extrémité aval de la section de l’essai. Ensuite, fixer l’électrode négative en amont. Cela devrait être près du point où les bulles sont libérées dans la circulation avant que le débit atteint l’objet d’étude. Tourner à la facilité de circulation. Ensuite, positionnez le cadran du contrôleur de fréquence sur deux afin d’établir une vitesse moyenne d’environ 0,04 mètres par seconde. Cette vitesse correspond à un débit d’environ 50 à moins cinquième mètres cubes par seconde. Maintenant, allumez l’alimentation DC et augmenter la tension à environ 25 volts avec l’actuels milliampères environ 190. Sur un générateur de signaux, réglez la sortie sur une onde carrée avec un zéro volt à cinq volts signal carré qui ferme le circuit en position haute et l’ouvre en position basse. Maximiser le DC offset de 5 volts pour que le circuit est toujours fermé et le système génère des bulles en continu. Pour produire un calendrier, changer le décalage CC dans le générateur de signaux à un volt. Puis définissez la fréquence de l’onde carrée à 10 Hertz. Un calendrier sera produit dans le flux. Puis définissez la symétrie de l’onde carrée à moins deux afin d’augmenter l’espace entre les échéances.

Tout d’abord mesurer le diamètre de la tige à l’aide d’un étrier en unités SI. Fixer la tige cylindrique en aval de l’électrode négative. Mettre en lumière de haute intensité sur la couche de bulles d’hydrogène, en vous assurant que la lumière n’est pas directement derrière la ligne de vue pour éviter de trop la saturation du système d’imagerie. Aligner le système de visualisation avec la tige de sorte que seule la circulaire pointe est visible devant la caméra. Ajouter qu’une marque dans la fenêtre de visualisation et en aval de la tige de l’utiliser comme point de référence pour compter les vortex hangar cycles.

Tout d’abord mesurer la largeur de l’ombre projetée par la tige sur la feuille de bulle. Prenez la mesure à droite à la tige pour éviter une distorsion avec la distance. Le diamètre de la tige permet de déterminer le facteur de conversion des unités de machine aux unités du monde réel. Ensuite, choisissez un groupe de près sans distorsion chronologies loin du corps de bluff et l’influence de son sillage. Mesurer la distance L entre la première et la dernière chronologie en unités de machine. Compter le nombre d’échéances dans le groupe et la fréquence de l’onde carrée à noter. Déterminer la vitesse d’écoulement qui s’approchait de l’équation suivante. Maintenant, en utilisant la viscosité cinématique de l’eau, calculer le nombre de Reynolds. Ensuite, déterminez le nombre de Strouhal en observant les tourbillons dans le sillage de la tige. Notez que les tourbillons se déplacent à une vitesse différente par rapport à l’échéancier dans le flux libre. À l’aide de la chaîne fixe comme référence, compter le nombre de vortex effusion cycles, NS, traversant le point de référence au cours d’une période de temps définie. Calculer la fréquence de délestage. Puis utiliser les résultats pour calculer le nombre de Strouhal.

Maintenant que nous sommes allés au cours de la procédure et l’analyse, nous allons jeter un coup de œil les résultats. La validité du résultat peut être déterminée à l’aide d’une relation entre le nombre de Reynolds et le nombre de Strouhal. Les coefficients St * et m dépendent de la gamme de nombres de Reynolds et peuvent être trouvés dans la littérature. Le nombre de Reynolds dans cet exemple est de 115. Ainsi, les valeurs de St * et m peuvent être utilisées pour calculer le nombre de Strouhal. La valeur calculée pour le nombre de Strouhal est 0,172, ce qui correspond bien à la valeur mesurée de 0,169. Quand cette expérience a été réalisée avec différents paramètres de fonctionnement, les calculs des nombres de Reynolds et de Strouhal corrélation bien à la relation mathématique entre les deux nombres. Cela montre comment la méthode bulle permet de comprendre les modes d’écoulement autour d’un corps de bluff.

Comprendre les modes d’écoulement est essentiel à la conception et l’exploitation de nombreux types d’applications d’ingénierie. Piliers de ponts et plates-formes pétrolières offshore sont conçus pour résister à la turbulence causée par le flux de courant au-delà de la structure. Sachant le vortex effusion de fréquences au cours de laquelle il s’exposera une structure donnée est essentielle pour sa conception. À cet égard, les ingénieurs ont pour s’assurer que la fréquence propre de la structure est pas telle qu’elle résonnera sur le vortex effusion fréquence parce que cela conduira inévitablement à une défaillance catastrophique de la structure. Il est également essentiel pour étudier l’écoulement du fluide autour d’un objet simplifiée comme une feuille d’air ou de coque de navire. En faisant usage des conduites d’écoulement, ingénieurs peuvent déterminer des paramètres tels que l’angle pour lequel un avion cale ou même estiment les caractéristiques de l’ascenseur basés sur la vitesse d’écoulement.

Vous avez juste regardé les vidéo de Jove sur visualisation des conduites d’écoulement autour d’un corps de bluff. Vous devez maintenant comprendre les bases des modèles d’écoulement de fluide et le vortex de Von Karman rue, comment mettre en place une expérience de visualiser ces modèles d’écoulement et comment étudier le comportement de l’écoulement. Merci de regarder.

Results

La figure 2 montre les deux résultats représentatifs de visualisation de bulles d’hydrogène d’un vortex de Von Kármàn rue. Figure 2 (A) montre un exemple d’un champ de streaklines comme en témoigne par des perturbations dans la feuille de bulles d’hydrogène. Cette image est utilisée pour extraire le diamètre de la tige en unités de machine. Figure 2 (B) montre un exemple d’un champ de chronologies. Cette image est utilisée pour estimer la vitesse du fluide qui s’en approchaient. Les paramètres tirés de cette expérience particulière sont résumées dans le tableau 2.

Tableau 2 . Les résultats représentatifs pour flux passé un cylindre circulaire.

Paramètre	Valeur
Concevoir	0,003 m
D_i	14,528 pts
f_s	2.169 Hz
f_tl	10 Hz
L	130,167 « pts »
M	∕ 4842,67 « pts » « m »
N_s	60
N_tl	7
T	27.66 s
U_∞	0.0384 m/s
Ν	1.004×[10]^(-6) m2/s
Re	115
St	0,169

Puisque le nombre de Reynolds est 115 pour l’exemple, la validité de ce résultat peut être testée en utilisant l’équation (3) pour

(7)

D’où on obtient :

(8)

Après avoir comparé cette estimation avec notre laboratoire résultat (voir tableau 2 pour référence), nous pouvons conclure que notre expérience offrait un résultat satisfaisant. La figure 5 présente un ensemble de résultats expérimentaux par rapport aux prédictions de l’équation (7).

Figure 5 . Résultats expérimentaux. Comparaison des résultats expérimentaux actuels contre les prédictions de la relation entre le nombre de Reynolds et le nombre de Strouhal pour flux passé un cylindre circulaire.

Applications and Summary

Dans cette étude, l’utilisation de bulles d’hydrogène a été démontrée pour extraire des informations qualitatives et quantitatives d’images de l’écoulement autour d’un cylindre circulaire. Les informations quantitatives extraites de ces expériences inclus la vitesse d’écoulement libre (), fréquence de délestage de vortex (), le nombre de Reynolds (Re) et le nombre de Strouhal (St). En particulier, les résultats pour St vs Re exposé très bon accord avec les études antérieures [3].

En raison de la vitesse lente utilisée dans les expériences actuelles, des perturbations dans la feuille de bulle produisent une couche de bulle entrelardées. Ces traînées sont essentiellement streaklines. Comme la feuille de bulles d’hydrogène se déplace en aval, ces streaklines s’épaissir et devenir plus irréguliers. C’est le résultat de l’intensité de la turbulence dans l’écoulement libre. L’effet est atténué lorsque la vitesse du tunnel augmente car les bulles sortent de la section d’essai avant de présenter une dispersion importante. Streaklines peut également être produit à lieux présélectionnés en enduisant le fil tout en laissant de petites parties de l’exposé à l’eau.

Le comportement actuel des flux est directement applicable aux flux passé d’ouvrages d’art tels que les piliers de ponts et de forage offshore, vent de tours d’éoliennes, ou alimenter des poteaux de ligne pour n’en nommer que quelques-uns. Et en fait, ce comportement est illustré par des organes bluff avec géométries autres que cylindriques comme les grattes ciel. Étant donné que les tourbillons de génèrent des interactions fluide-structure qui rendent les structures à osciller, sachant le vortex effusion de fréquences au cours de laquelle il s’exposera une structure donnée est essentielle pour sa conception. À cet égard, l’ingénieur doit s’assurer que la fréquence propre de la structure est pas telle qu’elle résonnera sur le vortex effusion de fréquence, car cet effet conduira inévitablement à l’échec catastrophique de la structure. À l’aide de l’échelle appropriée lois [10] et bulles d’hydrogène dans un tunnel d’eau, un ingénieur peut simuler l’interaction de débit avec une structure avant sa construction pour s’assurer que sa conception est sûre ou pour savoir si elle a besoin d’aucune modification.

En plus d’organismes bluff, visualisation de bulles d’hydrogène est un outil très puissant pour étudier les flux rationalisé corps tels que les profils aérodynamiques ou coques de navire. En faisant usage des lignes de flux générés avec cette technique, on peut déterminer les paramètres tels que l’angle d’attaque, à laquelle le décrochage a lieu, ou estiment même ascenseur caractéristiques basées sur la vitesse d’écoulement. Plus important encore, le patron de fausser le jeu de lignes fluides aidera l’ingénieur pour optimiser sa conception.

Visualisation avec bulles d’hydrogène n’est pas limitée aux flux extérieurs comme ci-dessus mentionné. Cette méthode permet aussi d’observer le flux par le biais de canaux ouverts ou systèmes d’écoulement entièrement clos. Dans ce dernier cas, les murs devront être transparent pour assurer l’accès optique. Par exemple, si l’on s’intéresse à la conception d’un diffuseur de flux pour débit partiel sonique, bulles d’hydrogène peuvent servir à déterminer géométrique et flux des conditions pour lesquelles le diffuseur exposera l’instabilité et la séparation de l’écoulement. Se fondant sur ces observations, la conception pourrait être expérimentalement optimisée afin d’assurer son bon fonctionnement.

References

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Transcript

Due to the nonlinear nature of its governing laws, fluid motion induces complicated flow patterns. These flow patterns are influenced by many factors, one of which is flow past an obstacle such as a bluff body. A bluff body is an object that, due to its shape, causes separated flow over most of its surface. Depending on the flow conditions, this flow may become unstable, giving rise to oscillating flow patterns in the wake called vortex shedding. This video will introduce the basics of flow separation and vortex shedding caused by a bluff body and demonstrate a technique used to visualize the resulting flow patterns.

First, let’s consider the uniform steady flow of water with velocity U infinity called the free stream velocity approaching a circular cylinder. Boundary layer separation on the object’s surface leads to the formation of vortices around the body that eventually detach into the wake. When periodic detachment takes place, the vortices generate alternating areas of low pressure behind the body. This process is called the Von Karman vortex street. This repeating pattern occurs at certain ranges of Reynolds number, a dimensionless parameter defined as the ratio of inertial forces to viscous forces. Here, nu is the kinematic viscosity of the fluid, V is the characteristic velocity or U infinity in this case, and D is the cylinder diameter. For example, in the setup in the following demonstration, when the Reynolds number is around five, the flow exhibits two stable counter-rotating vortices behind the cylinder. As the Reynolds number increases, these vortices elongate in the direction of the flow. When the Reynolds number reaches approximately 37, the wake becomes unstable and oscillates sinusoidally as a result of an imbalance between pressure and momentum. The frequency in which vortices are shed off the cylinder is not constant, rather it varies with the value of the Reynolds number. This shedding frequency is characterized by the Strouhal number, which is another dimensionless parameter. The Strouhal number is defined as shown where f is the vortex shedding frequency. Experimental analysis of flow patterns uses four types of flow lines. A path line is the path that a given fluid particle follows as it moves with the flow. A streak line is the continuous locus of all fluid particles whose motion originated from the same location. A streamline is an imaginary line that is instantaneously and locally tangent to the velocity field. Note that path lines, streak lines, and streamlines coincide with each other under steady flow conditions. In the current flow, this corresponds to regions of the flow upstream from the bluff body or far enough from the influence of its wake. On the other hand, path lines, streak lines, and streamlines differ from each other under unsteady flow conditions. In the current flow, this corresponds basically to the wake of the bluff body. Finally, timelines are the continuous locus of fluid particles that were released to the flow at the same instant in time. In the following experiment, we will use a continuous sheet of tiny hydrogen bubbles to analyze flow patterns using timelines and streak lines. Now, let’s take a look at how to set up the flow experiment.

First, assemble the equipment according to the electrical diagram shown. Fix the positive electrode in the water at the downstream end of the test section. Next, fix the negative electrode upstream. This should be near the point where the bubbles are released into the stream before the flow reaches the object of study. Turn on the flow facility. Then set the dial of the frequency controller to position two in order to establish a mean velocity of about 0.04 meters per second. This velocity corresponds to a flow rate of about 50 to the minus fifth cubed meters per second. Now turn on the DC power supply and increase the voltage to about 25 volts with the current around 190 milliamps. On a signal generator, set the output to a square wave with a zero-volt to five-volt square signal that closes the circuit in its high position and opens it in the low position. Maximize the DC offset to five volts so that the circuit is always closed and the system generates bubbles continuously. To produce timelines, change the DC offset in the signal generator to one volt. Then set the frequency of the square wave to 10 Hertz. Timelines will be produced in the flow. Then set the symmetry of the square wave to minus two in order to increase the space between timelines.

First measure the diameter of the rod using a caliper in SI units. Fix the cylindrical rod downstream of the negative electrode. Cast high-intensity light on the layer of hydrogen bubbles, making sure that the light is not directly behind the line of view to prevent over saturation of the imaging system. Align the visualization system with the rod so that only the circular tip is visible in front of the camera. Add a mark in the visualization window and downstream of the rod to use it as the reference point to count vortex shed cycles.

First measure the width of the shadow cast by the rod on the bubble sheet. Take the measurement right at the rod to avoid distortion with distance. Use the rod diameter to determine the conversion factor from machine units to real-world units. Next, choose a group of nearly undistorted timelines away from the bluff body and the influence of its wake. Measure the distance L between the first and last timeline in machine units. Count the number of timelines in the group and note the frequency of the square wave. Determine the approaching flow velocity from the following equation. Now using the kinematic viscosity of water, calculate the Reynolds number. Next, determine the Strouhal number by observing the vortices in the wake of the rod. Note that the vortices move at a different velocity as compared to the timelines in the free stream. Using the fixed string as reference, count the number of vortex shedding cycles, NS, crossing the reference point during a defined period of time. Calculate the shedding frequency. Then use the results to calculate the Strouhal number.

Now that we have gone over the procedure and analysis, let’s take a look at the results. The validity of the result can be determined using a relationship between the Reynolds number and the Strouhal number. The coefficients St* and m depend on the Reynolds number range and can be found in the literature. The Reynolds number in this example is 115. Thus, the values of St* and m can be used to calculate the Strouhal number. The calculated value for the Strouhal number is 0.172, which correlates well to the measured value of 0.169. When this experiment was conducted with varying operational parameters, the calculations of the Reynolds and Strouhal numbers correlated well to the mathematical relationship between the two numbers. This shows how well the bubble method can be used to understand flow patterns around a bluff body.

Understanding flow patterns is essential to the design and operation of many types of engineering applications. Pillars of bridges and offshore oil rigs are designed to withstand the turbulence caused by current flow past the structure. Knowing the vortex shedding frequencies at which a given structure will be exposed is critical for its design. In that regard, engineers have to make sure that the natural frequency of the structure is not such that it will resonate with the vortex shedding frequency because this will inevitably lead to catastrophic failure of the structure. It is also essential to study fluid flow around a streamline object such as an air foil or ship hull. By making use of flow lines, engineers can determine parameters such as the angle at which an airplane stalls or even estimate lift characteristics based on flow velocity.

You’ve just watched Jove’s video on visualizing flow lines around a bluff body. You should now understand the basics of fluid flow patterns and the Von Karman vortex street, how to set up an experiment to visualize these flow patterns, and how to study the flow behavior. Thanks for watching.

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