Metodo della sfera di turbolenza: valutazione della qualità del flusso nella galleria del vento

Nei test aerodinamici, le gallerie del vento sono preziose per determinare le proprietà aerodinamiche di vari oggetti e velivoli in scala. I dati della galleria del vento vengono generati applicando un flusso d'aria controllato a un modello di test, che è montato all'interno della sezione di test. Il modello di test ha in genere una geometria simile, ma in scala più piccola, rispetto all'oggetto reale.

Al fine di garantire l'utilità dei dati generati nei test in galleria del vento, dobbiamo garantire la somiglianza dinamica tra il campo di flusso in galleria del vento e il campo di flusso effettivo sull'oggetto reale. Per mantenere la somiglianza dinamica, il numero di Reynolds dell'esperimento in galleria del vento deve essere lo stesso del numero di Reynolds del fenomeno di flusso in esame.

Tuttavia, gli esperimenti eseguiti in galleria del vento o in aria libera anche con lo stesso numero di Reynolds di prova possono fornire risultati diversi a causa degli effetti della turbolenza a flusso libero all'interno della sezione di prova in galleria del vento. Queste differenze possono essere percepite come un numero di Reynolds effettivo più elevato per la galleria del vento. Quindi, come possiamo correlare i test nella galleria del vento agli esperimenti in aria libera?

Possiamo stimare l'intensità della turbolenza a flusso libero nella galleria del vento utilizzando un oggetto ben definito con un comportamento di flusso noto, come una sfera. Questo metodo è chiamato metodo della sfera di turbolenza. Il metodo della sfera di turbolenza si basa sulla condizione ben studiata chiamata crisi di resistenza della sfera.

La crisi di resistenza aerodinamica della sfera descrive il fenomeno in cui il coefficiente di resistenza aerodinamica di una sfera diminuisce improvvisamente quando il numero di Reynolds raggiunge un valore critico. Quando il flusso raggiunge il numero critico di Reynolds, lo strato limite passa da laminare a turbolento molto vicino al bordo anteriore della sfera. Questa transizione, rispetto al flusso con un numero di Reynolds basso, provoca una separazione ritardata del flusso e una scia turbolenta più sottile e quindi una diminuzione della resistenza.

Pertanto, possiamo misurare il coefficiente di resistenza aerodinamica di una sfera in un intervallo di numeri di Reynolds di prova per determinare il numero di Reynolds critico. Questo ci permette di determinare il fattore di turbolenza, che correla il numero di Reynolds del test con l'efficacia del numero di Reynolds.

In questo esperimento, dimostreremo il metodo della sfera di turbolenza utilizzando una galleria del vento e diverse sfere di turbolenza con prese di pressione incorporate.

Questo esperimento utilizza una galleria del vento aerodinamica e diverse sfere di turbolenza con diametro variabile per determinare il livello di turbolenza del flusso libero nella sezione di prova della galleria. Le sfere di turbolenza, ciascuna con una presa di pressione sul bordo d'attacco e 4 prese di pressione situate 22,5? dal bordo d'uscita, hanno caratteristiche di flusso ben definite, che ci aiutano ad analizzare la turbolenza nella galleria del vento.

Per impostare l'esperimento, collegare prima il tubo di Pitot della galleria del vento alla porta dello scanner di pressione numero 1. Quindi, collegare la porta della pressione statica della galleria del vento alla porta numero 2. Ora blocca il saldo esterno. Fissare il montante della sfera nel supporto di bilanciamento all'interno della galleria del vento.

Quindi, installare il 6 nella sfera. Collegare la presa di pressione del bordo anteriore alla porta dello scanner di pressione numero 3 e collegare le quattro prese di pressione di poppa alla porta 4. Collegare la linea di alimentazione dell'aria al regolatore di pressione e impostare la pressione a 65 psi. Quindi, collegare il collettore dello scanner di pressione alla linea di pressione regolata a 65 psi.

Avviare il sistema di acquisizione dati e lo scanner a pressione. Mentre il sistema si equilibra, stimare la pressione dinamica massima, q max, necessaria per il test in base al numero di Reynolds critico in aria libera per una sfera liscia.

Qui, elenchiamo i parametri di test consigliati per il primo e il secondo test di ciascuna sfera. Ora, utilizzando questi parametri, definisci l'intervallo di prova della pressione dinamica da zero a q max, quindi definisci i punti di prova dividendo l'intervallo in 15 intervalli.

Prima di eseguire l'esperimento, leggere la pressione barometrica nella stanza e registrare il valore. Inoltre, leggere la temperatura ambiente e registrarne il valore. Applicare le correzioni alla pressione barometrica utilizzando la temperatura ambiente e la geolocalizzazione utilizzando le equazioni fornite dal produttore del manometro.

Ora, configura il software di acquisizione dati aprendo prima il programma di scansione. Quindi, collegare il software DSM 4000, che legge e calibra il segnale dal sensore di pressione, impostando l'indirizzo IP corretto e premendo Connetti. Inserire i comandi come mostrato, che sono definiti dal produttore, ricordandosi di premere invio dopo ogni comando.

Ora che il software è pronto, verificare che la sezione di prova e la galleria del vento siano prive di detriti e parti allentate. Quindi, chiudere gli sportelli della sezione di prova e verificare che la velocità della galleria del vento sia impostata su zero. Accendi la galleria del vento, quindi accendi il sistema di raffreddamento della galleria del vento.

Con la velocità del vento uguale a zero, iniziare a registrare i dati sul sistema di acquisizione dati, quindi digitare il comando scan per avviare la misurazione della pressione. Quindi, registra la temperatura della galleria del vento. Poiché la velocità del vento è direttamente correlata alla pressione dinamica, aumentare la velocità del vento fino a raggiungere il successivo punto di prova della pressione dinamica. Quindi, attendere che la velocità dell'aria si stabilizzi e ricominciare la scansione a pressione. Assicurati di registrare la temperatura della galleria del vento. Continua l'esperimento conducendo una scansione della pressione in ciascuno dei punti di pressione dinamica, registrando ogni volta la temperatura della galleria del vento. Quando tutti i punti sono stati misurati per la sfera da 6 pollici, ripetere l'esperimento di stabilizzazione e scansione a pressione per le sfere di turbolenza da 4,987 pollici e 4 pollici.

Per ogni sfera, abbiamo misurato la pressione di ristagno alla porta di pressione 3 e la pressione alle porte di poppa tramite la porta di pressione 4, che vengono sottratte per ottenere la differenza di pressione, delta P. Abbiamo anche misurato la pressione totale della sezione di prova, Pt, dalla porta di pressione uno e la pressione statica, Ps, dalla porta di pressione due, che vengono utilizzate per determinare la pressione dinamica di prova, q.

Quindi possiamo calcolare la pressione normalizzata, che è uguale alla differenza di pressione divisa per la pressione dinamica. Sono state registrate anche la pressione dell'aria e la temperatura del flusso d'aria, consentendo il calcolo delle proprietà del flusso d'aria. Ricordiamo che c'è una fessura nella sezione di prova, il che significa che è aperta all'aria ambiente. Pertanto, supponendo che non vi sia un gradiente di pressione in senso di flusso nella sezione di prova, il valore assoluto della pressione statica locale del flusso a flusso libero può essere utilizzato come pressione dell'aria ambiente.

La densità si ottiene utilizzando la legge dei gas ideali e la viscosità ottenuta utilizzando la formula di Sutherland. Una volta determinata la densità e la viscosità dell'aria, possiamo calcolare il numero di Reynolds. Qui mostriamo un grafico del numero di Reynolds rispetto alla differenza di pressione normalizzata, delta P su q.

Utilizzando questo grafico, possiamo determinare il numero critico di Reynolds per ogni sfera, poiché il numero critico di Reynolds corrisponde a un valore di pressione normalizzato 1,22. Con ogni numero critico di Reynolds, possiamo valutare il fattore di turbolenza e il numero di Reynolds effettivo. Il fattore di turbolenza è correlato all'intensità della turbolenza nella galleria del vento.

In sintesi, abbiamo appreso come la turbolenza a flusso libero influisce sui test in una galleria del vento. Abbiamo quindi utilizzato diverse sfere lisce per determinare il fattore di turbolenza e l'intensità del flusso della galleria del vento e valutarne la qualità.