מדידת זרמים סוערים

זרימות טורבולנטיות ממלאות תפקיד חשוב במגוון רחב של מערכות מהונדסות וטבעיות. כתוצאה מכך, לעיתים קרובות יש צורך לבצע מדידות בתוך המערכת על מנת לאפיין את הזרימה. זרימות טורבולנטיות מציגות תנודות בתדירות גבוהה מאוד ולכן כל מכשיר המשמש למדידה ואפיון מערבולות חייב להיות בעל רזולוציית זמן גבוהה מספיק כדי לפתור שינויים אלה. מדי רוח חוטים חמים משמשים לעתים קרובות למדידות אלו מכיוון שהם קטנים, חזקים ומהירים מספיק כדי להניב תוצאות שימושיות. סרטון זה ימחיש כיצד להשתמש בבדיקת מד רוח חוט חם מכוילת כדי לקבל מדידות מהירות ומערבולות במיקומים שונים בתוך סילון חופשי ולאחר מכן לבצע ניתוח סטטיסטי בסיסי של הנתונים כדי לאפיין את השדה הסוער.

ניתן להוכיח זרימה טורבולנטית על ידי תנודות אקראיות גבוהות במשתני זרימה כגון מהירות, לחץ ומערבולת. תנודות אלו הן תוצאה של אינטראקציות לא ליניאריות בין תנועות קוהרנטיות בתוך שדה הזרימה, כך שהתנודות בתדר גבוה הנראות במדידות של מערבולות הן מהשפעות פיזיקליות אמיתיות ולא תוצאה של רעש אלקטרוני אקראי. תיאור קלאסי של זרימה טורבולנטית כרוך בקביעת הערך הממוצע של משתני הזרימה והתנודות המתאימות להם עם הזמן. לדוגמה, המהירות הממוצעת, המסומנת על ידי סרגל יתר, נמצאת על ידי שילוב המהירות המיידית לאורך זמן המדידה וקנה המידה לפי גודל תחום האינטגרציה. במקרה של מדידות בדידות כמו אלה ממערכות רכישה דיגיטליות, יש לפתור את האינטגרל בצורה מספרית. לאחר שנמצאה המהירות הממוצעת, ניתן להפחית אותה מהאות המקורי כדי להניב את התנודות תלויות הזמן והמהירות המסומנות על ידי הראשוני. מהגדרות אלה, קל להראות שהממוצע של שדה תנודות הוא אפס. כתוצאה מכך, יש צורך במתאר סטטיסטי מתאים יותר לשדה התנודות. מדד נפוץ מאוד הוא ריבוע השורש הממוצע או RMS של התנודות. מדד זה דומה לממוצע, אלא שהמשתנה מרובע לפני האינטגרציה ולוקחים את השורש הריבועי של התוצאה. עוצמת המערבולת ניתנת על ידי ה-RMS של המהירות ומדידה זו תודגם על סילון חופשי בסעיף הבא. למהירות הממוצעת של סילון חופשי יש פרופיל שטוח בהתחלה שמחליק ככל שהסילון מתפשט עקב כניסת האוויר שמסביב לתוך הסילון. הדבקה זו גם גורמת לתנע הליניארי של הסילון להתפשט לטווח כאשר הסילון זורם במורד הזרם וכתוצאה מכך התרחבות הסילון תוך כדי התפשטותו. אזור האינטראקציה בין הסילון לאוויר שמסביב נקרא שכבת הערבוב, ואזור זה גדל לכיוון קו המרכז כאשר הסילון נע במורד הזרם. זה משאיר אזור בתוך הסילון המכונה הליבה הפוטנציאלית התחום בכיוון הזרם על ידי יציאת הסילון והנקודה שבה שכבת הערבוב מגיעה לקו האמצע. הליבה הפוטנציאלית היא אם כן אזור שלא הושפע מאינטראקציות עם הסביבה הסובבת. בקו המרכז, הליבה הפוטנציאלית משתרעת במורד הזרם עד בערך פי ארבעה מרוחב יציאת הסילון. כעת, כשאתם מכירים את היסודות של מדידות טורבולנציה, בואו נסתכל כיצד ניתן להשתמש בזה כדי לאפיין סילון חופשי.

לפני שתתחיל בהתקנה, הכיר את הפריסה ונהלי הבטיחות של המתקן. ניסוי זה יבוצע באותה מערכת זרימה ששימשה לכיול מד רוח החוט החם ויש להגדיר את מערכת רכישת הנתונים באותו אופן. בתוכנת איסוף הנתונים, הגדר את קצב הדגימה ל-500 הרץ ואת סך הדגימות ל-5,000. עדכן את הקבועים n, A ו-B כך שיתאימו לערכים שנקבעו מהכיול. עכשיו הקימו את מתקן הזרימה. השתמש במרווח מכויל כדי להגדיר את רוחב החריץ ל-19.05 מילימטרים או שלושת רבעי אינץ' ולאחר מכן תרגם את מד הרוח של החוט החם לווריד הנבוב של הסילון פי 1.5 מרוחב החריץ הרחק מהיציאה. החל ממד הרוח מעל החריץ, הורד את הגובה עד שהאות באוסילוסקופ יגיע לתנודה מינימלית. רשום את המיקום האנכי הזה המתאים לקו המרכז של הסילון. כעת תרגם את מד הרוח בחזרה עד שתנודת האות תהיה מקסימלית ומיקום זה מתאים לשכבת הגזירה העליונה של הסילון. הכנס את לוחית הפתח הריקה לערימה כך שמהירות הזרימה תהיה מקסימלית ולאחר מכן הפעל את מתקן הזרימה. לאחר יצירת זרימה יציבה, השתמש במערכת רכישת הנתונים כדי למדוד את המהירות הממוצעת ועוצמת המערבולת בנקודה זו בסילון ולרשום ערכים אלה. כעת הזיזו את מד הרוח בשני מילימטרים למטה ומדדו שוב את המהירות הממוצעת ואת עוצמת המערבולת. המשך להוריד את מד הרוח במרווחים של שני מילימטר ולבצע מדידות עד שלא יהיה שינוי מורגש בשתי המדידות. לאחר רישום הגובה הסופי, תרגם את מד הרוח כלפי מטה עד שהוא מתחת לקו המרכז באותו מרחק. המשך לבצע מדידות ולתרגם עד שמד הרוח יחזור לקו האמצע. כשתסיים, תרגם את מד הרוח במורד הזרם עד שהוא יהיה פי שלושה מרוחב החריץ מיציאת הסילון. בצע מדידות של פרופיל הסילון במיקום הזרם החדש הזה לפי אותו הליך שבו השתמשת במיקום הראשון. חזור על מדידות פרופיל הסילון שלך פי שישה ותשעה מרוחב החריץ מיציאת הסילון. לאחר השלמת המדידות, כבה את מתקן הזרימה.

תסתכל על הנתונים שלך. בכל מיקום מבחינת זרם, יש לך מדידות של המהירות הממוצעת ועוצמת המערבולת שנלקחו בסדרה של נקודות טווח. ראשית שרטט את המהירות הממוצעת כפונקציה של המיקום מבחינת טווח. שנה את גודל הערכים לפי ערך קו המרכז ומצא את הנקודות שבהן העקומה חוצה את הסף של 50%, תוך אינטרפולציה בהתאם לצורך. נקודות אלה מגדירות את רוחב הסילון דלתא במיקום זרם זה. חשב את הרוחב על ידי לקיחת ההפרש. במקרה זה, הרוחב הוא כ -21.5 מילימטרים. כעת השווה את מהירות קו המרכז הממוצעת ורוחב הסילון במיקומי קו הזרם השונים. מהירות קו המרכז נשארת בעיקרון ללא שינוי עד פי ארבעה מרוחב החריץ מהיציאה עקב הליבה הפוטנציאלית, אך פוחתת מעבר למרחק זה. הגידול ברוחב הסילון עם המרחק מעיד על התפשטות הטווח של המומנטום הליניארי של הסילון כאשר האוויר שמסביב מאומן. כעת שרטטו את עוצמת המערבולת כפונקציה של מיקום הטווח. מכיוון שהערבוב מתרחש בגבול בין הסילון לסביבה הסובבת, עוצמת המערבולת מגיעה לשיא הרחק מקו המרכז.

זרימה טורבולנטית נמצאת בכל מקום ביישומים מדעיים והנדסיים. לצורך הערכתו ביישומים הנדסיים כגון אוורור, חימום ומיזוג אוויר, מקובל להשתמש בבדיקות חוט חם ניידות המוכנסות לתעלות וחוצות רדיאלית כדי להשיג את פרופילי המהירות. מידע זה משמש לאחר מכן את המהנדס כדי לאזן מערכת זרימה שהותקנה לאחרונה כדי להבטיח את פעולתה התקינה או כדי לפתור בעיות במערכת לא תקינה ולפתור כל בעיה המעכבת את פעולתה. כאשר רכב או מבנה יבשתי, אווירי או ימי חדש מתוכנן לעמוד בכוחות של זרימות סוערות, יש צורך לבדוק את ביצועיו בתנאי זרימה מציאותיים במנהרת רוח או מים. כדי לדמות תנאי מערבולת המתרחשים באטמוספירה או באוקיינוס, ניתן להפריע לזרימה הנכנסת באמצעות רשתות אקטיביות או פסיביות שיכניסו תנודות משמעותיות בזרימה. לאחר מכן ניתן להרכיב את הרכב או המבנה הנחקר בקטע הבדיקה של מנהרת הרוח או המים כדי למדוד כיצד הוא מתמודד עם העומסים שנוצרים על ידי הזרימה הסוערת. ניתן לבצע מדידות אלו ישירות עם מאזנים אווירודינמיים המודדים את כוחות הגרר וההרמה המתקבלים. כמו כן, המהירות סביב הדגם שנבדק במנהרה עשויה לתת מידע חשוב לגבי הביצועים. אפיון זה נעשה בדרך כלל עם מדי רוח חוט חם במנהרות רוח.

זה עתה צפיתם בהקדמה של ג'וב למדידת זרימות טורבולנטיות. כעת עליך להבין כיצד לפרוס מדי רוח חוט חם כדי למדוד ולהעריך פרופילי זרימה ועוצמת מערבולת. תודה שצפית.