Anemometria a temperatura costante: uno strumento per studiare il flusso turbolento dello strato limite

Uno strato limite è una regione di flusso sottile immediatamente adiacente alla superficie di un corpo solido in un campo di flusso. La regione di flusso al di fuori dello strato limite, chiamata regione del flusso libero, ha una velocità costante. Tuttavia, all'interno dello strato limite c'è un gradiente di velocità dovuto all'attrito sulla superficie. Lo strato limite subisce tipicamente diverse fasi.

Prima lo stato limite laminare, seguito dallo stato di transizione e infine lo stato turbolento dello strato limite, che comporta un flusso irregolare e fluttuazioni, come il mescolamento o il vortice. Lo strato limite è la base per il calcolo della resistenza all'attrito della pelle sugli aeromobili.

La resistenza per attrito della pelle si crea all'interno dello strato limite ed è dovuta alla sollecitazione di taglio viscosa esercitata sulla superficie. La resistenza all'attrito della pelle è proporzionale alla viscosità fluidodinamica, mu e alla velocità di deformazione di taglio del flusso locale, che è il gradiente della velocità del flusso nella direzione normale. Quindi diventa significativo per grandi aree, come l'ala di un aereo. Inoltre, la resistenza all'attrito della pelle è maggiore nel flusso turbolento, poiché le particelle del fluido interagiscono con la superficie ad alto slancio.

Un modo per misurare le proprietà dello strato limite turbolento è utilizzare l'anemometria a filo caldo, che si basa su due principi relativi all'effetto di raffreddamento del flusso su un filo riscaldato. Secondo il primo principio, quando un fluido scorre su una superficie calda, il coefficiente di calore convettivo cambia, il che si traduce in variazioni della temperatura superficiale.

Il secondo principio è la legge di Joule, che afferma che la dissipazione del calore di un conduttore elettrico, Q, è proporzionale al quadrato della corrente elettrica, I, applicata al conduttore. Possiamo utilizzare i due principi per determinare la velocità del flusso del fluido che circonda una sonda a filo metallico riscaldato, misurando il potenziale elettrico E, che deve essere applicato per mantenere costante la temperatura del filo.

Una tecnica a filo caldo comunemente usata è l'anemometria a temperatura costante o CTA. La CTA è costituita da un filo metallico molto sottile, chiamato sonda, che è collegato al braccio di un ponte di Wheatstone. Il ponte di Wheatstone controlla il potenziale elettrico e lo regola secondo necessità per mantenere una temperatura costante su tutto il filo. Qualsiasi raffreddamento è causato dal flusso del fluido attorno al filo. Quindi, la variazione del potenziale è una funzione del coefficiente di scambio termico e, per estensione, è una funzione della velocità.

In questo esperimento, dimostreremo l'uso di una configurazione di anemometria a temperatura costante per misurare lo strato limite turbolento su una piastra piana.

Innanzitutto, impareremo come il sistema anemometro a temperatura costante, o CTA, risponde alle variazioni del segnale di flusso utilizzando una galleria del vento. Per iniziare, fissare la sonda a filo caldo del sistema CTA all'interno della galleria del vento utilizzando un albero di supporto.

Quindi, configura un alimentatore CC, un generatore di segnali e un oscilloscopio. I componenti sono collegati come mostrato. Per iniziare, accendere l'alimentatore a filo caldo, il generatore di segnale e l'oscilloscopio. Impostare il generatore di segnale in modo che fornisca un ingresso a onda quadra al ponte di Wheatstone con un'ampiezza di 150 mV e una frequenza di 10 kHz.

Osservare il segnale di uscita nell'oscilloscopio per assicurarsi che la frequenza e l'ampiezza siano corrette. Ora chiudi la sezione di prova, collega il cavo seriale, accendi la galleria del vento e imposta la velocità del vento a 40 mph. Una volta che il flusso d'aria si stabilizza, misurare l'ampiezza dell'overshoot del segnale, tau, osservato sull'oscilloscopio. Utilizzare il valore misurato di tau per calcolare la frequenza di taglio per il sistema a filo caldo utilizzando questa equazione. Quindi disattivare il flusso d'aria della galleria del vento.

Successivamente stabiliremo la correlazione tra la velocità del vento e il potenziale elettrico del ponte di Wheatstone. Per iniziare, sollevare la sonda CTA in direzione verticale in modo che si trovi nella regione del flusso libero. Avviare il software di controllo della galleria del vento e quindi avviare il software dello strumento virtuale. Impostare la frequenza di campionamento su 10 kHz e il numero di campioni su 100.000.

Ora, con la velocità della galleria del vento impostata su 0 mph, registra la tensione sul ponte di Wheatstone. Quindi, aumentare la velocità della galleria del vento con incrementi di 3 mph fino a 15 mph, misurando la tensione ad ogni incremento. Assicurarsi di consentire al flusso d'aria di stabilizzarsi prima di registrare la misurazione della tensione.

Quindi, aumentare la velocità dell'aria nella galleria del vento fino a 60 mph con incrementi di 5 mph, misurando la tensione ad ogni incremento. Al termine di tutte le misurazioni, ridurre la velocità dell'aria a 30 mph e quindi disattivare il flusso d'aria della galleria del vento.

Utilizzando la stessa configurazione di prima, abbassare lentamente la sonda CTA fino a toccare il pavimento della sezione di prova, che fungerà da piastra piana. Impostare il flusso d'aria a 40 mph. Mantieni la frequenza di campionamento a 10 kilohertz e il numero di campioni a 100.000. Registrare la tensione all'impostazione verticale più bassa, che si trova accanto alla piastra piana e nello strato limite.

A questo punto, spostare la sonda verticalmente con incrementi di 0,05 mm fino a un'altezza di 0. 5 mm, registrando la lettura della tensione in ogni posizione. Quindi, aumentare l'altezza della sonda con incrementi di 0,1 mm fino a un'altezza di 1. 5 millimetri. E poi in incrementi di 0,25 mm fino a un'altezza finale di 4 mm, registrando la tensione ad ogni incremento.

Quando tutte le misurazioni sono state effettuate, ridurre la velocità del vento a 20 mph e quindi disattivare il flusso d'aria. Quindi spegnere l'alimentatore, il generatore di segnale e l'oscilloscopio.

Il primo passo nell'analisi dei dati consiste nell'utilizzare i dati acquisiti durante la fase di calibrazione dell'esperimento, per determinare la correlazione tra la tensione del filo caldo e la velocità dell'aria. Esistono diversi metodi per eseguire questa operazione, che prevedono l'adattamento dei dati a relazioni di trasferimento di calore note, ed è trattato in dettaglio nell'appendice di questo video.

Una volta determinata la relazione matematica, utilizzare le misurazioni della tensione per calcolare la velocità a ciascuna altezza verticale. Dopo aver regolato l'altezza nominale per tenere conto di eventuali artefatti da una sonda troppo piegata, tracciare il profilo di velocità u(y), che può quindi essere utilizzato per determinare lo spessore di spostamento dello strato limite.

Questo valore rappresenta la distanza che la piastra dovrebbe percorrere verticalmente per ottenere la stessa portata che si verifica tra la superficie e il fluido. Possiamo anche calcolare lo spessore della quantità di moto, definito come mostrato, che è la distanza a cui la piastra dovrebbe essere spostata verticalmente per avere la stessa quantità di moto che esiste tra il fluido e la piastra.

Da questi due parametri, possiamo calcolare il fattore di forma, H. Il fattore di forma viene utilizzato per determinare la natura del flusso, dove un fattore di forma di circa 1,3 indica un flusso completamente turbolento e circa 2,6 per il flusso laminare. Tra questi valori c'è un flusso di transizione. Nel caso di questo esperimento, il fattore di forma è stato calcolato come 1,9, indicando il flusso di transizione.

In sintesi, abbiamo appreso lo sviluppo del flusso dello strato limite e quindi abbiamo utilizzato una configurazione di anemometria a temperatura costante per analizzare lo strato limite turbolento su una piastra piana e osservare un comportamento basso.