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L’anémométrie à fil chaud est une technique expérimentale courante pour mesurer la vitesse d’un fluide lors d’essais d’écoulement. La vitesse est souvent un paramètre important de l’écoulement à caractériser. Mais comme pour de nombreuses propriétés d’écoulement, il est difficile de mesurer sans affecter l’expérience. La mesure des écoulements turbulents ajoute une complication supplémentaire, car la vitesse peut fluctuer rapidement dans ce régime. Les anémomètres à fil chaud sont un diagnostic réussi car ils peuvent être très petits afin de minimiser leur impact sur le débit mesuré. Et ils ont une réponse temporelle suffisamment rapide pour résoudre les fluctuations rapides de vitesse de l’écoulement. Cette vidéo illustrera le fonctionnement d’un anémomètre à fil chaud dans la configuration à température constante. Ensuite, montrez comment ces appareils sont calibrés en vue de leur utilisation dans des expériences d’écoulement.
Dans sa forme la plus simple, un anémomètre à fil chaud est constitué d’un court fil résistif suspendu entre deux supports et placé dans le flux d’intérêt. Le fil est chauffé électriquement à une température bien supérieure à la température ambiante du fluide, de sorte que la chaleur générée contrebalance la perte de chaleur due au refroidissement par convection. Étant donné que la vitesse de refroidissement par convection dépend de la vitesse du fluide, une relation entre la puissance électrique dans l’anémomètre et la vitesse d’écoulement peut être définie. Le joule de chauffage du fil est le produit de la résistance du fil et du carré du courant électrique. Pour la plupart des matériaux, la résistance dépend de la température et est bien approximée par des relations linéaires, où la constante alpha est spécifiée par le matériau du fil. Le refroidissement par convection peut être modélisé à l’aide de la loi du roi. Dans cette équation, A et B sont des constantes à déterminer lors de l’étalonnage. Et l’exposant de la vitesse N est généralement d’environ 0,45. À l’état stable, le chauffage et le refroidissement sont équilibrés. Mais la détermination de la puissance d’entrée instantanée dépend de la connaissance simultanée de la résistance et du courant. Une stratégie connue sous le nom d’anémométrie à température constante consiste à ne fournir que suffisamment de courant pour maintenir la température et donc la résistance du fil constantes. Ceci est accompli à l’aide d’un pont de Wheatstone avec le fil chaud servant d’une jambe du circuit de pont. Le pont peut être considéré comme deux diviseurs de tension en parallèle, et la différence entre leurs sorties est la tension du pont. Si les rapports sont de un à R2 et de RW à R3, le pont est équilibré et la tension du pont est nulle. Sinon, la tension du pont est amplifiée et utilisée comme signal de rétroaction. Le courant circulera ensuite à travers le fil chaud, le chauffant jusqu’à ce que le pont soit équilibré. La température de référence du fil chaud peut être réglée en ajustant la résistance de commande R1. La loi d’Ohm peut être utilisée pour relier le courant circulant dans le fil chaud à la tension du pont. Maintenant, puisque notre W est maintenu constant, les termes de résistance peuvent être absorbés dans les constantes d’étalonnage. Et la vitesse est spécifiée en fonction de la tension du pont. Les constantes d’étalonnage sont déterminées en plaçant l’anémomètre dans un système d’écoulement de référence. Les mesures doivent être prises à plusieurs vitesses d’écoulement connues afin qu’une régression des moindres carrés puisse être effectuée. La veine contractée du jet libre est un écoulement de référence utile car la vitesse moyenne est bien caractérisée par la densité du fluide et la différence de pression. Maintenant que vous comprenez comment fonctionne l’anémomètre à fil chaud, voyons comment l’appareil peut être calibré expérimentalement à l’aide de la veine contractée d’un jet libre.
Avant de commencer l’installation, familiarisez-vous avec l’aménagement et les procédures de sécurité de l’installation. Le système d’écoulement est constitué d’un plénum pressurisé par un ventilateur centrifuge. Un jet libre se forme à partir de la fente sur le côté du plénum et la pile sur le dessus permet d’ajuster la pression du plénum en intervertissant les plaques à orifice de restriction. Configurez maintenant le système d’acquisition de données comme indiqué dans le schéma dans le texte. Connectez la languette de pression du plénum à l’orifice positif du transducteur de pression et laissez l’orifice négatif ouvert à l’atmosphère. Réglez la voie zéro du système d’acquisition de données sur la tension du pont de l’anémomètre et la voie un sur le transducteur de pression. Dans le logiciel d’acquisition de données, réglez le canal du fil chaud sur zéro et le canal du transducteur de pression sur un. Enfin, réglez la constante N à 0,45 et la fréquence d’échantillonnage à 100 Hertz et le total des échantillons à 1000. Entrez les valeurs de la densité de l’air locale dans la constante d’étalonnage du transducteur dans les champs appropriés afin que le système d’acquisition de données rapporte les résultats en mètres par seconde. Utilisez un espacement calibré pour régler la largeur de la fente à 19,05 millimètres ou trois quarts de pouce. Et puis fixez l’anémomètre à fil chaud dans le flux à la position de la veine contractée qui se trouve à une distance de 1,5 fois la largeur de la fente de l’ouverture. Localisez l’anémomètre et le plan médian du jet en faisant pivoter la sonde dans le sens du flux transversal jusqu’à ce que le signal sur l’oscilloscope affiche des fluctuations minimales. Maintenant, couvrez complètement la pile pour établir la vitesse maximale du jet, puis allumez l’installation d’écoulement. Utilisez le logiciel pour enregistrer un point de données. Une fois la mesure terminée, remplacez la plaque à orifice par une plaque avec la plus petite ouverture. Prenez une autre mesure avec la nouvelle plaque à orifice. Continuez à échanger les plaques à orifice et à prendre des mesures jusqu’à ce que vous ayez collecté au moins six points de données, dont un avec la pile entièrement sans restriction. Récupérez les constantes d’étalonnage à partir du logiciel d’acquisition de données.
Une fois que vous avez terminé de collecter des données, vous aurez des mesures de tension des circuits de pont correspondant à une gamme de vitesses d’écoulement différentes. Tracez la tension au carré en fonction de la vitesse élevée à la puissance 0,45. Ensuite, effectuez un ajustement linéaire des moindres carrés aux données. La pente et l’interception de l’ajustement sont les constantes d’étalonnage de cet anémomètre à fil chaud. Maintenant que l’anémomètre a été calibré, il peut être utilisé dans une configuration d’écoulement différente pour mesurer une vitesse inconnue.
Les anémomètres à fil chaud sont fréquemment utilisés dans les expériences scientifiques d’écoulement. L’anémométrie à fil chaud est largement utilisée pour étudier les écoulements de la couche limite dans les souffleries. Les couches limites sont l’un des plus anciens sujets de recherche en mécanique des fluides en raison de leur pertinence pour des applications technologiques telles que la conception aérodynamique, l’ingénierie navale et la production d’énergie, entre autres. Au détriment de tous ces domaines, de nombreux effets impliquant la couche limite sont encore à un début de compréhension. Rugosité très irrégulière, gradients de densité et de viscosité et compressibilité, pour n’en citer que quelques-uns. Dans cette optique, l’anémométrie à fil chaud est utilisée en laboratoire pour évaluer les écoulements de la couche limite pertinents pour les applications mentionnées ci-dessus. En utilisant des stratégies similaires à celle démontrée dans l’expérience actuelle. Les systèmes de ventilation industrielle sont utilisés pour contrôler les fumées, les particules, les aérosols, les produits de combustion ou d’autres contaminants dans les environnements industriels. Généralement, chaque contaminant sera généré à un rythme différent. Par conséquent, le système d’évacuation nécessitera un débit différent pour chaque contaminant afin de les éliminer efficacement. Cette procédure est généralement effectuée à l’aide d’un anémomètre à fil chaud. Dans lequel l’ingénieur règle la position d’un registre dans chaque ligne, cherchant à faire correspondre la lecture de l’anémomètre à une valeur de vitesse pré-estimée.
Vous venez de regarder l’introduction de Jupiter à l’anémométrie au fil chaud. Vous devriez maintenant comprendre comment fonctionne un anémomètre à température constante et comment calibrer cet appareil pour l’utiliser dans des expériences d’écoulement. Merci d’avoir regardé.
).
; tel que requis par l’équation (7).
à 0,45.