Misurazione di flussi turbolenti

I flussi turbolenti svolgono un ruolo importante in un'ampia varietà di sistemi ingegnerizzati e naturali. Di conseguenza, è spesso necessario eseguire misure all'interno del sistema per caratterizzare il flusso. I flussi turbolenti mostrano fluttuazioni di frequenza molto elevate, quindi qualsiasi strumento utilizzato per misurare e caratterizzare la turbolenza deve avere una risoluzione temporale sufficientemente elevata per risolvere questi cambiamenti. Gli anemometri a filo caldo sono spesso utilizzati per queste misurazioni perché sono piccoli, robusti e abbastanza veloci da produrre risultati utili. Questo video illustra come utilizzare una sonda anemometrica a filo caldo calibrata per ottenere misure di velocità e turbolenza in diverse posizioni all'interno di un getto libero e quindi eseguire un'analisi statistica di base dei dati per caratterizzare il campo turbolento.

Un flusso turbolento può essere evidenziato da elevate fluttuazioni casuali nelle variabili di flusso come velocità, pressione e vorticità. Queste fluttuazioni sono il risultato di interazioni non lineari tra moti coerenti all'interno del campo di flusso, quindi le oscillazioni ad alta frequenza osservate nelle misurazioni della turbolenza derivano da effetti fisici reali e non dal risultato di rumore elettronico casuale. Una descrizione classica del flusso turbolento comporta la determinazione del valore medio delle variabili di flusso e delle loro corrispondenti fluttuazioni nel tempo. Ad esempio, la velocità media, indicata da una barra superiore, si trova integrando la velocità istantanea nel tempo di misurazione e scalando in base alla dimensione del dominio di integrazione. Nel caso di misure discrete come quelle dei sistemi di acquisizione digitale, l'integrale deve essere risolto numericamente. Una volta trovata la velocità media, può essere sottratta dal segnale originale per ottenere la fluttuazione e la velocità dipendenti dal tempo e dalla velocità indicate dal numero primo. Da queste definizioni, è facile dimostrare che la media di un campo di fluttuazione è zero. Di conseguenza, è necessario un descrittore statistico più appropriato per il campo di fluttuazione. Una misura molto comune è il Root Mean Square o RMS delle fluttuazioni. Questa metrica è simile alla media, tranne per il fatto che la variabile viene elevata al quadrato prima dell'integrazione e viene presa la radice quadrata del risultato. L'intensità della turbolenza è data dall'RMS della velocità e questa misura sarà dimostrata su un getto libero nella prossima sezione. La velocità media di un getto libero ha un profilo inizialmente piatto che si attenua man mano che il getto si propaga a causa del trascinamento dell'aria circostante nel getto. Questo trascinamento provoca anche la diffusione del momento lineare del getto nel senso della campata mentre il getto scorre a valle, con conseguente allargamento del getto durante la propagazione. La regione di interazione tra il getto e l'aria circostante è chiamata strato di miscelazione e questa regione cresce verso la linea centrale man mano che il getto si muove a valle. Questo lascia una regione all'interno del getto nota come nucleo potenziale che è delimitata nella direzione del flusso dall'uscita del getto e dal punto in cui lo strato di miscelazione raggiunge la linea centrale. Il nucleo potenziale è quindi una regione che non è stata influenzata dalle interazioni con l'ambiente circostante. Sulla linea centrale, il nucleo potenziale si estende a valle fino a circa quattro volte la larghezza dell'uscita del getto. Ora che hai familiarità con le basi delle misure di turbolenza, diamo un'occhiata a come questo può essere utilizzato per caratterizzare un getto libero.

Prima di iniziare la configurazione, familiarizzare con il layout e le procedure di sicurezza della struttura. Questo esperimento verrà eseguito sullo stesso sistema di flusso utilizzato per la calibrazione dell'anemometro a filo caldo e il sistema di acquisizione dati deve essere configurato nello stesso modo. Nel software di acquisizione dati, impostare la frequenza di campionamento su 500 Hertz e i campioni totali su 5.000. Aggiornare le costanti n, A e B in modo che corrispondano ai valori determinati dalla calibrazione. Ora configura la funzione di flusso. Utilizzare un distanziatore calibrato per impostare la larghezza della fessura a 19,05 millimetri o tre quarti di pollice e quindi traslare l'anemometro a filo caldo alla vena contratta del getto 1,5 volte la larghezza della fessura di distanza dall'uscita. Partendo dall'anemometro sopra la fessura, abbassare l'altezza fino a quando il segnale sull'oscilloscopio raggiunge una fluttuazione minima. Registrare questa posizione verticale che corrisponde alla linea centrale del getto. Ora traslare l'anemometro verso l'alto fino a quando la fluttuazione del segnale è massima e questa posizione corrisponde allo strato di taglio superiore del getto. Inserire la piastra dell'orifizio vuoto nella pila in modo che la velocità del flusso sia massimizzata, quindi accendere l'impianto di flusso. Una volta stabilito il flusso stazionario, utilizzare il sistema di acquisizione dati per misurare la velocità media e l'intensità della turbolenza in questo punto del getto e registrare questi valori. Ora abbassa l'anemometro di due millimetri e misura nuovamente la velocità media e l'intensità della turbolenza. Continuare ad abbassare l'anemometro con incrementi di due millimetri e prendere le misure fino a quando non ci sono cambiamenti evidenti in entrambe le misurazioni. Dopo aver registrato l'altezza finale, traslare l'anemometro verso il basso fino a quando non si trova al di sotto della linea centrale della stessa distanza. Riprendere a prendere le misurazioni e a tradurre fino a quando l'anemometro non torna sulla linea centrale. Al termine, traslare l'anemometro a valle fino a quando non è tre volte la larghezza della fessura dall'uscita del getto. Effettuare le misurazioni del profilo del getto in questa nuova posizione di flusso seguendo la stessa procedura utilizzata nella prima posizione. Ripeti le misurazioni del profilo del getto a sei e nove volte la larghezza della fessura dall'uscita del getto. Dopo aver completato le misurazioni, spegni l'impianto di flusso.

Dai un'occhiata ai tuoi dati. In ogni posizione del flusso, si hanno misurazioni della velocità media e dell'intensità della turbolenza prese in una serie di punti in base all'intervallo. Per prima cosa tracciate la velocità media in funzione della posizione in termini di campata. Ridimensionare i valori in base al valore della linea centrale e individuare i punti in cui la curva interseca la soglia del 50%, interpolando se necessario. Questi punti definiscono il Delta della larghezza del getto in questa posizione di flusso. Calcola la larghezza prendendo la differenza. In questo caso, la larghezza è di circa 21,5 millimetri. Ora confronta la velocità media della linea centrale e la larghezza del getto nelle diverse posizioni della linea di flusso. La velocità della linea centrale rimane sostanzialmente invariata fino a circa quattro volte la larghezza della fessura dall'uscita a causa del potenziale nucleo, ma diminuisce oltre questa distanza. L'aumento dell'ampiezza del getto con la distanza è indicativo della diffusione in termini di portata del momento lineare del getto mentre l'aria circostante viene trascinata. Ora tracciate l'intensità della turbolenza in funzione della posizione in termini di span. Poiché il rimescolamento avviene al confine tra il getto e l'ambiente circostante, l'intensità della turbolenza raggiunge il picco lontano dalla linea centrale.

Il flusso turbolento è onnipresente nelle applicazioni scientifiche e ingegneristiche. Per la sua valutazione in applicazioni ingegneristiche come la ventilazione, il riscaldamento e il condizionamento dell'aria, è comune utilizzare sonde portatili a filo caldo che vengono introdotte nel condotto e attraversate radialmente per ottenere i profili di velocità. Queste informazioni vengono quindi utilizzate dall'ingegnere per bilanciare un sistema di flusso appena installato per garantirne il corretto funzionamento o per risolvere i problemi di un sistema malfunzionante e risolvere qualsiasi problema che ne ostacoli il funzionamento. Quando un nuovo veicolo o struttura terrestre, aerea o marina è progettato per resistere alle forze di flussi turbolenti, è necessario testarne le prestazioni in condizioni di flusso realistiche in una galleria del vento o dell'acqua. Per simulare le condizioni di turbolenza che si verificano nell'atmosfera o nell'oceano, il flusso in entrata può essere disturbato con griglie attive o passive che introdurranno fluttuazioni significative nel flusso. Quindi il veicolo o la struttura in studio possono essere montati nella sezione di prova della galleria del vento o dell'acqua per misurare come affronta i carichi introdotti dal flusso turbolento. Queste misurazioni possono essere effettuate direttamente con bilance aerodinamiche che misurano le forze di resistenza e portanza risultanti. Inoltre, la velocità intorno al modello testato nel tunnel potrebbe fornire informazioni importanti sulle prestazioni. Questa caratterizzazione viene tipicamente effettuata con anemometri a filo caldo in galleria del vento.

Hai appena visto l'introduzione di Giove alla misurazione dei flussi turbolenti. A questo punto dovreste capire come utilizzare gli anemometri a filo caldo per misurare e valutare i profili di flusso e l'intensità della turbolenza. Grazie per l'attenzione.