Anémomètre à température constante : Un outil pour étudier les écoulements dans la couche limite turbulente

Une couche limite est une région d’écoulement mince immédiatement adjacente à la surface d’un corps solide dans un champ d’écoulement. La région d’écoulement à l’extérieur de la couche limite, appelée région d’écoulement libre, a une vitesse constante. Cependant, à l’intérieur de la couche limite, il existe un gradient de vitesse dû au frottement à la surface. La couche limite subit généralement plusieurs étapes.

D’abord l’état limite laminaire, suivi de l’état de transition et enfin, de l’état de couche limite turbulente, qui implique un écoulement irrégulier et des fluctuations, comme le mélange ou le tourbillon. La couche limite est la base du calcul de la traînée par frottement de la peau sur les avions.

La traînée de frottement de la peau est créée à l’intérieur de la couche limite et est due à la contrainte de cisaillement visqueuse exercée sur la surface. La traînée de frottement de la peau est proportionnelle à la viscosité dynamique du fluide, mu et au taux de déformation de cisaillement de vitesse d’écoulement local, qui est le gradient de la vitesse d’écoulement dans la direction normale. Il devient donc significatif pour de grandes surfaces, comme une aile d’avion. De plus, la traînée de frottement de la peau est plus élevée dans les écoulements turbulents, car les particules de fluide interagissent avec la surface à forte impulsion.

Une façon de mesurer les propriétés de la couche limite turbulente consiste à utiliser l’anémométrie à fil chaud, qui est basée sur deux principes liés à l’effet de refroidissement de l’écoulement sur un fil chauffé. Selon le premier principe, lorsqu’un fluide s’écoule sur une surface chaude, le coefficient de chaleur convective change, ce qui entraîne des modifications de la température de surface.

Le deuxième principe est la loi de Joule, qui stipule que la dissipation thermique d’un conducteur électrique, Q, est proportionnelle au carré du courant électrique, I, appliqué au conducteur. Nous pouvons utiliser les deux principes pour déterminer la vitesse d’écoulement du fluide autour d’une sonde de fil métallique chauffée, en mesurant le potentiel électrique E, qui doit être appliqué pour maintenir une température constante du fil.

Une technique de fil chaud couramment utilisée est l’anénométrie à température constante ou CTA. Le CTA est constitué d’un fil métallique très fin, appelé sonde, qui est relié au bras d’un pont de Wheatstone. Le pont de Wheatstone contrôle le potentiel électrique et l’ajuste au besoin afin de maintenir une température constante sur le fil. Tout refroidissement est causé par l’écoulement du fluide autour du fil. Ainsi, la variation du potentiel est fonction du coefficient de transfert de chaleur et, par extension, est fonction de la vitesse.

Dans cette expérience, nous démontrerons l’utilisation d’une configuration d’anénométrie à température constante pour mesurer la couche limite turbulente sur une plaque plate.

Tout d’abord, nous allons apprendre comment le système d’anémomètre à température constante, ou CTA, réagit aux changements de signal de débit à l’aide d’une soufflerie. Pour commencer, fixez la sonde à fil chaud du système CTA à l’intérieur de la soufflerie à l’aide d’un arbre de support.

Ensuite, installez une alimentation CC, un générateur de signaux et un oscilloscope. Les composants sont connectés comme indiqué. Pour commencer, allumez l’alimentation par fil chaud, le générateur de signaux et l’oscilloscope. Réglez le générateur de signaux pour qu’il fournisse une entrée d’onde carrée au pont de Wheatstone avec une amplitude de 150 mV et une fréquence de 10 kHz.

Observez le signal de sortie dans l’oscilloscope pour vous assurer que la fréquence et l’amplitude sont correctes. Fermez maintenant la section de test, branchez le câble série, allumez la soufflerie et réglez la vitesse du vent sur 40 mph. Une fois le flux d’air stabilisé, mesurez la largeur du dépassement du signal, tau, observé sur l’oscilloscope. Utilisez la valeur mesurée de tau pour calculer la fréquence de coupure du système de fil chaud à l’aide de cette équation. Désactivez ensuite le flux d’air de la soufflerie.

Ensuite, nous établirons la corrélation entre la vitesse du vent et le potentiel électrique du pont de Wheatstone. Pour commencer, soulevez la sonde CTA dans le sens vertical de manière à ce qu’elle se trouve dans la région du flux libre. Démarrez le logiciel de contrôle de la soufflerie, puis démarrez le logiciel de l’instrument virtuel. Réglez la fréquence d’échantillonnage sur 10 kHz et le nombre d’échantillons sur 100 000.

Maintenant, avec la vitesse de la soufflerie réglée sur 0 mph, enregistrez la tension sur le pont de Wheatstone. Ensuite, augmentez la vitesse de la soufflerie par incréments de 3 mph à 15 mph, en mesurant la tension à chaque incrément. Assurez-vous de laisser le flux d’air se stabiliser avant d’enregistrer la mesure de tension.

Ensuite, augmentez la vitesse de l’air en soufflerie jusqu’à 60 mph par incréments de 5 mph, en mesurant la tension à chaque incrément. Lorsque toutes les mesures sont terminées, réduisez la vitesse à 30 mph, puis coupez le flux d’air de la soufflerie.

En utilisant la même configuration que précédemment, abaissez lentement la sonde CTA jusqu’à ce qu’elle touche le sol de la section d’essai, qui agira comme la plaque plate. Réglez le débit d’air à 40 mph. Maintenir la fréquence d’échantillonnage à 10 kilohertz et le nombre d’échantillons à 100 000. Enregistrez la tension au réglage vertical le plus bas, qui se trouve à côté de la plaque plate et dans la couche limite.

Maintenant, déplacez la sonde verticalement par pas de 0,05 mm jusqu’à une hauteur de 0. 5 mm, enregistrant la lecture de la tension à chaque position. Ensuite, augmentez la hauteur de la sonde par incréments de 0,1 mm jusqu’à une hauteur de 1. 5 millimètres. Et puis par pas de 0,25 mm jusqu’à une hauteur finale de 4 mm, tout en enregistrant la tension à chaque incrément.

Lorsque toutes les mesures ont été effectuées, réduisez la vitesse du vent à 20 mph, puis coupez le flux d’air. Coupez ensuite l’alimentation, le générateur de signaux et l’oscilloscope.

La première étape de l’analyse des données consiste à utiliser les données acquises lors de l’étape d’étalonnage de l’expérience, afin de déterminer la corrélation entre la tension du fil chaud et la vitesse de l’air. Il existe plusieurs méthodes différentes pour ce faire, qui impliquent d’ajuster les données aux relations de transfert de chaleur connues, et cela est couvert en détail dans l’annexe de cette vidéo.

Une fois la relation mathématique déterminée, utilisez les mesures de tension pour calculer la vitesse à chaque hauteur verticale. Après avoir ajusté la hauteur nominale pour tenir compte des artefacts d’une sonde surcourbée, tracez le profil de vitesse u(y), qui peut ensuite être utilisé pour déterminer l’épaisseur de déplacement de la couche limite.

Cette valeur représente la distance à laquelle la plaque devrait être déplacée verticalement afin d’obtenir le même débit que celui qui se produit entre la surface et le fluide. Nous pouvons également calculer l’épaisseur de la quantité de mouvement, définie comme indiqué, qui est la distance à laquelle la plaque devrait être déplacée verticalement pour avoir la même quantité de mouvement qui existe entre le fluide et la plaque.

À partir de ces deux paramètres, nous pouvons calculer le facteur de forme, H. Le facteur de forme est utilisé pour déterminer la nature de l’écoulement, où un facteur de forme d’environ 1,3 indique un écoulement entièrement turbulent et d’environ 2,6 pour un écoulement laminaire. Entre ces valeurs se trouve un écoulement transitoire. Dans le cas de cette expérience, le facteur de forme a été calculé à 1,9, indiquant un écoulement de transition.

En résumé, nous avons appris le développement de l’écoulement de la couche limite, puis nous avons utilisé une configuration d’anénométrie à température constante pour analyser la couche limite turbulente sur une plaque plate et observer un faible comportement.