Mesure des écoulements turbulents

Les écoulements turbulents jouent un rôle important dans une grande variété de systèmes artificiels et naturels. De ce fait, il est souvent nécessaire d’effectuer des mesures au sein du système afin de caractériser l’écoulement. Les écoulements turbulents présentent des fluctuations de fréquence très élevées, de sorte que tout instrument utilisé pour mesurer et caractériser la turbulence doit avoir une résolution temporelle suffisamment élevée pour résoudre ces changements. Les anémomètres à fil chaud sont souvent utilisés pour ces mesures car ils sont petits, robustes et suffisamment rapides pour donner des résultats utiles. Cette vidéo illustrera comment utiliser une sonde anémomètre à fil chaud calibrée pour obtenir des mesures de vitesse et de turbulence à différentes positions dans un jet libre, puis effectuer une analyse statistique de base des données pour caractériser le champ turbulent.

Un écoulement turbulent peut être mis en évidence par de fortes fluctuations aléatoires des variables d’écoulement telles que la vitesse, la pression et la vorticité. Ces fluctuations sont le résultat d’interactions non linéaires entre des mouvements cohérents dans le champ d’écoulement, de sorte que les oscillations à haute fréquence observées dans les mesures de turbulence proviennent d’effets physiques réels et ne sont pas le résultat d’un bruit électronique aléatoire. Une description classique de l’écoulement turbulent implique la détermination de la valeur moyenne des variables d’écoulement et de leurs fluctuations correspondantes dans le temps. Par exemple, la vitesse moyenne, notée par une barre de dessus, est déterminée en intégrant la vitesse instantanée sur le temps de mesure et en la mettant à l’échelle en fonction de la taille du domaine d’intégration. Dans le cas de mesures discrètes telles que celles des systèmes d’acquisition numérique, l’intégrale doit être résolue numériquement. Une fois que la vitesse moyenne a été trouvée, elle peut être soustraite du signal d’origine pour produire la fluctuation et la vitesse dépendantes du temps notées par le premier. À partir de ces définitions, il est facile de montrer que la moyenne d’un champ de fluctuation est nulle. Par conséquent, il est nécessaire de disposer d’un descripteur statistique plus approprié pour le champ de fluctuation. Une mesure très courante est la racine carrée moyenne ou RMS des fluctuations. Cette métrique est similaire à la moyenne, sauf que la variable est au carré avant l’intégration et que la racine carrée du résultat est prise. L’intensité de turbulence est donnée par la valeur efficace de la vitesse et cette mesure sera démontrée sur un jet libre dans la section suivante. La vitesse moyenne d’un jet libre a un profil initialement plat qui s’adoucit au fur et à mesure que le jet se propage en raison de l’entraînement de l’air environnant dans le jet. Cet entraînement provoque également la propagation de la quantité de mouvement linéaire du jet dans le sens de l’envergure lorsque le jet s’écoule vers l’aval, ce qui entraîne un élargissement du jet lorsqu’il se propage. La région d’interaction entre le jet et l’air ambiant est appelée couche de mélange et cette région se développe vers la ligne médiane à mesure que le jet se déplace vers l’aval. Cela laisse une région à l’intérieur du jet connue sous le nom de noyau de potentiel qui est délimitée dans le sens du flux par la sortie du jet et le point où la couche de mélange atteint la ligne centrale. Le noyau potentiel est alors une région qui n’a pas été affectée par les interactions avec l’environnement environnant. Sur la ligne centrale, le noyau potentiel s’étend en aval jusqu’à environ quatre fois la largeur de la sortie du jet. Maintenant que vous connaissez les bases des mesures de turbulence, voyons comment cela peut être utilisé pour caractériser un jet libre.

Avant de commencer l’installation, familiarisez-vous avec l’aménagement et les procédures de sécurité de l’installation. Cette expérience sera réalisée sur le même système d’écoulement que celui utilisé pour l’étalonnage de l’anémomètre à fil chaud et le système d’acquisition de données doit être configuré de la même manière. Dans le logiciel d’acquisition de données, réglez la fréquence d’échantillonnage sur 500 Hertz et le nombre total d’échantillons sur 5 000. Mettez à jour les constantes n, A et B pour qu’elles correspondent aux valeurs déterminées à partir de l’étalonnage. Configurez maintenant la fonction d’écoulement. À l’aide d’une entretoise calibrée, réglez la largeur de la fente à 19,05 millimètres ou trois quarts de pouce, puis transférez l’anémomètre à fil chaud jusqu’à la veine contractée du jet à 1,5 fois la largeur de la fente à partir de la sortie. En commençant par l’anémomètre au-dessus de la fente, abaissez la hauteur jusqu’à ce que le signal sur l’oscilloscope atteigne une fluctuation minimale. Enregistrez cette position verticale qui correspond à la ligne médiane du jet. Maintenant, déplacez l’anémomètre vers le haut jusqu’à ce que la fluctuation du signal soit maximale et que cette position corresponde à la couche supérieure de cisaillement du jet. Insérez la plaque à orifice vierge dans la pile afin de maximiser la vitesse d’écoulement, puis allumez l’installation d’écoulement. Une fois que l’écoulement stable est établi, utilisez le système d’acquisition de données pour mesurer la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence à ce point du jet et enregistrez ces valeurs. Déplacez maintenant l’anémomètre vers le bas de deux millimètres dans le sens de l’envergure et mesurez à nouveau la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence. Continuez à abaisser l’anémomètre par incréments de deux millimètres et à prendre des mesures jusqu’à ce qu’il n’y ait plus de changement notable dans les deux mesures. Après avoir enregistré la hauteur finale, déplacez l’anémomètre vers le bas jusqu’à ce qu’il soit en dessous de la ligne médiane de la même distance. Reprenez la prise de mesures et la translation jusqu’à ce que l’anémomètre soit de retour sur la ligne médiane. Lorsque vous avez terminé, faites glisser l’anémomètre vers l’aval jusqu’à ce qu’il soit trois fois la largeur de la fente à partir de la sortie du jet. Prenez des mesures du profil du jet à cette nouvelle position dans le sens du courant en suivant la même procédure que vous avez utilisée au premier emplacement. Répétez vos mesures du profil du jet à six et neuf fois la largeur de la fente à partir de la sortie du jet. Une fois les mesures terminées, arrêtez l’installation d’écoulement.

Jetez un coup d’œil à vos données. À chaque position dans le sens du courant, vous avez des mesures de la vitesse moyenne et de l’intensité de la turbulence prises à une série de points dans le sens de l’envergure. Tracez d’abord le vecteur vitesse moyen en fonction de la position dans le sens de l’envergure. Mettez les valeurs à l’échelle en fonction de la valeur de la ligne centrale et recherchez les points où la courbe coupe le seuil de 50 %, en interpolant si nécessaire. Ces points définissent la largeur du jet Delta à cette position dans le sens du courant. Calculez la largeur en prenant la différence. Dans ce cas, la largeur est d’environ 21,5 millimètres. Comparez maintenant la vitesse moyenne de la ligne centrale et la largeur du jet aux différentes positions de la ligne de courant. La vitesse de la ligne médiane reste fondamentalement inchangée jusqu’à environ quatre fois la largeur de la fente à partir de la sortie en raison du noyau potentiel, mais diminue au-delà de cette distance. L’augmentation de la largeur du jet avec la distance est indicative de l’étalement dans le sens de l’envergure de la quantité de mouvement linéaire du jet lorsque l’air environnant est entraîné. Tracez maintenant l’intensité de la turbulence en fonction de la position dans le sens de l’envergure. Étant donné que le mélange se produit à la frontière entre le jet et l’environnement environnant, l’intensité de la turbulence atteint son maximum en s’éloignant de la ligne centrale.

L’écoulement turbulent est omniprésent dans les applications scientifiques et d’ingénierie. Pour son évaluation dans des applications d’ingénierie telles que la ventilation, le chauffage et la climatisation, il est courant d’utiliser des sondes à fil chaud portables qui sont introduites dans le conduit et se déplacent radialement pour obtenir les profils de vitesse. Ces informations sont ensuite utilisées par l’ingénieur soit pour équilibrer un système d’écoulement nouvellement installé afin d’assurer son bon fonctionnement, soit pour dépanner un système défectueux et résoudre tout problème qui entrave son fonctionnement. Lorsqu’un nouveau véhicule ou une nouvelle structure terrestre, aérienne ou marine est conçu pour résister aux forces des écoulements turbulents, il est nécessaire de tester ses performances dans des conditions d’écoulement réalistes dans une soufflerie ou une soufflerie d’eau. Pour simuler les conditions de turbulence qui se produisent dans l’atmosphère ou l’océan, l’écoulement entrant peut être perturbé par des grilles actives ou passives qui introduiront des fluctuations importantes de l’écoulement. Ensuite, le véhicule ou la structure à l’étude peut être monté dans la section d’essai de la soufflerie ou de l’eau pour mesurer comment il résiste aux charges introduites par l’écoulement turbulent. Ces mesures peuvent être effectuées directement à l’aide de balances aérodynamiques qui mesurent les forces de traînée et de portance qui en résultent. De plus, la vitesse autour du modèle testé dans le tunnel peut fournir des informations importantes concernant les performances. Cette caractérisation est généralement faite avec des anémomètres à fil chaud dans les souffleries.

Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter à la mesure des écoulements turbulents. Vous devriez maintenant comprendre comment déployer des anémomètres à fil chaud pour mesurer et évaluer les profils d’écoulement et l’intensité des turbulences. Merci d’avoir regardé.