שיטת כדור מערבולת: הערכת איכות זרימת מנהרת הרוח

בבדיקות אווירודינמיקה, מנהרות רוח לא יסולא בפז לקביעת התכונות האווירודינמיות של עצמים שונים ומטוסים בקנה מידה. נתוני מנהרת הרוח נוצרים על ידי החלת זרימת אוויר מבוקרת על מודל בדיקה, המותקן בתוך קטע הבדיקה. למודל הבדיקה יש בדרך כלל גיאומטריה דומה, אך בקנה מידה קטן יותר, בהשוואה לאובייקט האמיתי.

על מנת להבטיח שימושיות של הנתונים שנוצרו בבדיקות מנהרת רוח, עלינו להבטיח דמיון דינמי בין שדה זרימת מנהרת הרוח לשדה הזרימה בפועל על פני האובייקט האמיתי. כדי לשמור על דמיון דינמי, מספר ריינולדס של ניסוי מנהרת הרוח חייב להיות זהה למספר ריינולדס של תופעת הזרימה הנבדקת.

עם זאת, ניסויים המבוצעים במנהרות רוח או באוויר חופשי אפילו עם אותו מבחן מספר ריינולדס יכולים לספק תוצאות שונות בשל ההשפעות של מערבולת זרם חופשי בתוך קטע הבדיקה של מנהרת הרוח. הבדלים אלה עשויים להיתפס כמספר ריינולדס יעיל יותר עבור מנהרת הרוח. אז איך אנחנו מתאמים ניסויים במנהרת הרוח לניסויים באוויר החופשי?

אנו יכולים להעריך את עוצמת מערבולת הזרם החופשי במנהרת הרוח באמצעות אובייקט מוגדר היטב עם התנהגות זרימה ידועה, כמו כדור. שיטה זו נקראת שיטת כדור הטורבולנציה. שיטת כדור הטורבולנציה מסתמכת על המצב הנחקר היטב הנקרא משבר גרר הכדור.

משבר גרר הכדור מתאר את התופעה שבה מקדם הגרר של כדור יורד לפתע כאשר מספר ריינולדס מגיע לערך קריטי. כאשר הזרימה מגיעה למספר ריינולדס הקריטי, שכבת הגבול עוברת מלמינרית לטורבולנטית קרוב מאוד לקצה המוביל של הכדור. מעבר זה, בהשוואה לזרימה במספר ריינולדס נמוך, גורם להפרדת זרימה מאוחרת ולהתעוררות סוערת דקה יותר ובכך להפחית את הגרר.

לכן, אנו יכולים למדוד את מקדם הגרר של כדור בטווח של מספרי ריינולדס כדי לקבוע את מספר ריינולדס הקריטי. זה מאפשר לנו לקבוע את גורם הטורבולנציה, שמתאם את מספר ריינולדס במבחן לאפקטיביות של מספר ריינולדס.

בניסוי זה נדגים את שיטת כדור הטורבולנציה באמצעות מנהרת רוח ומספר כדורי טורבולנציה שונים עם ברזי לחץ מובנים.

ניסוי זה משתמש במנהרת רוח אווירודינמית וכן במספר כדורי טורבולנציה בקוטר משתנה כדי לקבוע את רמת המערבולת של זרימת הזרם החופשי בקטע בדיקת המנהרה. כדורי המערבולת, כל אחד עם ברז לחץ בקצה המוביל וכן 4 ברזי לחץ הממוקמים 22.5? מהקצה הנגרר, יש מאפייני זרימה מוגדרים היטב, המסייעים לנו לנתח מערבולות במנהרת הרוח.

כדי להגדיר את הניסוי, חבר תחילה את צינור הפיטו של מנהרת הרוח ליציאת סורק הלחץ מספר 1. לאחר מכן, חבר את יציאת הלחץ הסטטי של מנהרת הרוח ליציאה מספר 2. כעת, נעל את האיזון החיצוני. תקן את תמוכת הכדור בתמיכת האיזון בתוך מנהרת הרוח.

לאחר מכן, התקן את 6 בכדור. חבר את ברז הלחץ הקדמי ליציאת סורק הלחץ מספר 3 וחבר את ארבעת ברזי הלחץ האחוריים ליציאה 4. חבר את קו אספקת האוויר לווסת הלחץ, והגדר את הלחץ ל-65 psi. לאחר מכן, חבר את סעפת סורק הלחץ לקו הלחץ המווסת ב-65 psi.

הפעל את מערכת רכישת הנתונים וסורק הלחץ. בזמן שהמערכת מאזנת, העריכו את הלחץ הדינמי המקסימלי, q max, הדרוש לבדיקה על סמך מספר ריינולדס הקריטי באוויר החופשי עבור כדור חלק.

כאן, אנו מפרטים את פרמטרי הבדיקה המומלצים לבדיקה הראשונה והשנייה של כל כדור. כעת, באמצעות פרמטרים אלה, הגדר את טווח בדיקת הלחץ הדינמי מאפס ל-q max, ולאחר מכן הגדר את נקודות הבדיקה על ידי חלוקת הטווח ל-15 מרווחים.

לפני הפעלת הניסוי, קרא את הלחץ הברומטרי בחדר ורשום את הערך. כמו כן, קרא את טמפרטורת החדר ורשום את ערכו. החל את התיקונים על הלחץ הברומטרי באמצעות טמפרטורת החדר והמיקום הגיאוגרפי באמצעות משוואות המסופקות על ידי יצרן המונומטר.

כעת, הגדר את תוכנת רכישת הנתונים על ידי פתיחת תוכנית הסריקה תחילה. לאחר מכן, חבר את התוכנה DSM 4000, שקוראת ומכיילת את האות מחיישן הלחץ, על ידי הגדרת כתובת ה-IP המתאימה ולחיצה על התחבר. הוסף את הפקודות כפי שמוצגות, המוגדרות על-ידי היצרן, וזכור להקיש Enter לאחר כל פקודה.

כעת, כשהתוכנה מוכנה, בדוק כדי לוודא שקטע הבדיקה ומנהרת הרוח נקיים מפסולת וחלקים רופפים. לאחר מכן, סגור את דלתות קטע הבדיקה ובדוק שמהירות מנהרת הרוח מוגדרת לאפס. הפעל את מנהרת הרוח ולאחר מכן הפעל את מערכת הקירור של מנהרת הרוח.

כאשר מהירות הרוח שווה לאפס, התחל להקליט נתונים במערכת רכישת הנתונים, ולאחר מכן הקלד את סריקת הפקודה כדי להתחיל במדידת לחץ. לאחר מכן, רשום את טמפרטורת מנהרת הרוח. מכיוון שמהירות הרוח קשורה ישירות ללחץ הדינמי, הגדל את מהירות הרוח עד שתגיע לנקודת בדיקת הלחץ הדינמי הבאה. לאחר מכן, המתן עד שמהירות האוויר תתייצב והתחל שוב את סריקת הלחץ. הקפד לתעד את טמפרטורת מנהרת הרוח. המשך את הניסוי על ידי ביצוע סריקת לחץ בכל אחת מנקודות הלחץ הדינמיות, תוך רישום טמפרטורת מנהרת הרוח בכל פעם. כאשר כל הנקודות נמדדו עבור כדור ה-6 אינץ', חזור על ניסוי הייצוב וסריקת הלחץ עבור כדורי המערבולת בגודל 4.987 אינץ' ו-4 אינץ'.

עבור כל כדור, מדדנו את לחץ הקיפאון ביציאת הלחץ 3 ואת הלחץ ביציאות האחוריות דרך יציאת לחץ 4, אשר מופחתים כדי לתת את הפרש הלחץ, דלתא P. מדדנו גם את הלחץ הכולל של קטע הבדיקה, Pt, מיציאת הלחץ הראשונה ואת הלחץ הסטטי, Ps, מיציאת הלחץ השתיים, המשמשים לקביעת הלחץ הדינמי של הבדיקה, q.

ואז נוכל לחשב את הלחץ המנורמל, השווה להפרש הלחץ חלקי הלחץ הדינמי. לחץ האוויר וטמפרטורת זרימת האוויר נרשמו גם הם, מה שמאפשר לחשב את תכונות זרימת האוויר. נזכיר שיש חריץ בקטע הבדיקה, כלומר הוא פתוח לאוויר הסביבה. לכן, בהנחה שאין שיפוע לחץ זרם בקטע הבדיקה, הערך המוחלט של הלחץ הסטטי המקומי של זרימת הזרם החופשי יכול לשמש כלחץ האוויר הסביבתי.

הצפיפות מתקבלת באמצעות חוק הגז האידיאלי והצמיגות המתקבלת באמצעות נוסחת סאתרלנד. לאחר שנקבעו צפיפות האוויר והצמיגות, נוכל לחשב את מספר ריינולדס. כאן אנו מראים תרשים של מספר ריינולדס לעומת הפרש הלחץ המנורמל, דלתא P על q.

באמצעות תרשים זה, אנו יכולים לקבוע את מספר ריינולדס הקריטי עבור כל כדור, מכיוון שמספר ריינולדס הקריטי מתאים לערך לחץ מנורמל 1.22. עם כל מספר ריינולדס קריטי, אנו יכולים להעריך את גורם המערבולת ואת מספר ריינולדס האפקטיבי. גורם המערבולת מתואם לעוצמת המערבולת במנהרת הרוח.

לסיכום, למדנו כיצד מערבולת הזרם החופשי משפיעה על בדיקות במנהרת רוח. לאחר מכן השתמשנו בכמה כדורים חלקים כדי לקבוע את גורם המערבולת ואת עוצמת זרימת מנהרת הרוח ולהעריך את איכותה.