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L'anemometria a filo caldo è una tecnica sperimentale comune per misurare la velocità del fluido durante i test di flusso. La velocità è spesso un parametro importante del flusso da caratterizzare. Ma come per molte proprietà di flusso, è difficile misurare senza influire sull'esperimento. La misurazione dei flussi turbolenti aggiunge un'ulteriore complicazione, poiché la velocità può fluttuare rapidamente in questo regime. Gli anemometri a filo caldo sono una diagnostica efficace perché possono essere molto piccoli in modo da ridurre al minimo il loro impatto sul flusso misurato. E hanno una risposta temporale sufficientemente rapida da risolvere le rapide fluttuazioni di velocità nel flusso. Questo video illustra il funzionamento di un anemometro a filo caldo nella configurazione a temperatura costante. E poi mostrare come questi dispositivi sono calibrati in preparazione per il loro utilizzo negli esperimenti di flusso.
Nella sua forma più semplice, un anemometro a filo caldo è costituito da un corto filo resistivo sospeso tra due supporti e posto nel flusso di interesse. Il filo viene riscaldato elettricamente a una temperatura ben superiore alla temperatura ambiente del fluido in modo tale che il calore generato contrasti il calore perso dal raffreddamento convettivo. Poiché la velocità di raffreddamento convettiva dipende dalla velocità del fluido, è possibile definire una relazione tra la potenza elettrica nell'anemometro e la velocità del flusso. Il riscaldamento Joule del filo è il prodotto della resistenza del filo e del quadrato della corrente elettrica. Per la maggior parte dei materiali, la resistenza dipende dalla temperatura ed è ben approssimata da relazioni lineari, dove la costante alfa è specificata dal materiale del filo. Il raffreddamento convettivo può essere modellato utilizzando la legge del re. In questa equazione A e B sono costanti da determinare durante la calibrazione. E l'esponente della velocità N è tipicamente intorno a 0,45. Allo stato stazionario, il riscaldamento e il raffreddamento sono bilanciati. Ma la determinazione della potenza di ingresso istantanea dipende dalla conoscenza simultanea sia della resistenza che della corrente. Una strategia nota come anemometria a temperatura costante consiste nel fornire solo la corrente sufficiente a mantenere costante la temperatura e quindi la resistenza del filo. Ciò si ottiene utilizzando un ponte di Wheatstone con il filo caldo che funge da una gamba del circuito del ponte. Il ponte può essere pensato come due divisori di tensione in parallelo e la differenza nelle loro uscite è la tensione del ponte. Se i rapporti sono pari a uno a R2 e RW a R3 sono uguali, il ponte è bilanciato e la tensione del ponte è zero. In caso contrario, la tensione del ponte viene amplificata e utilizzata come segnale di feedback. La corrente scorrerà quindi attraverso il filo caldo, riscaldandolo fino a quando il ponte non sarà portato in equilibrio. La temperatura di base del filo caldo può essere impostata regolando il resistore di controllo R1. La legge di Ohm può essere utilizzata per correlare la corrente che scorre attraverso il filo caldo alla tensione del ponte. Ora, poiché il nostro W è mantenuto costante, i termini di resistenza possono essere assorbiti nelle costanti di calibrazione. E la velocità è specificata in funzione della tensione del ponte. Le costanti di calibrazione sono determinate posizionando l'anemometro in un sistema di flusso di riferimento. Le misurazioni devono essere effettuate a diverse velocità di flusso note in modo da poter eseguire una regressione ai minimi quadrati. La vena contratta del getto libero è un utile flusso di riferimento perché la velocità media è ben caratterizzata dalla densità del fluido e dal differenziale di pressione. Ora che hai capito come funziona l'anemometro a filo caldo, vediamo come il dispositivo può essere calibrato sperimentalmente utilizzando la vena contratta di un getto libero.
Prima di iniziare la configurazione, familiarizzare con il layout e le procedure di sicurezza della struttura. Il sistema di flusso è costituito da un plenum pressurizzato da un ventilatore centrifugo. Un getto libero si forma dalla fessura sul lato del plenum e la pila sulla parte superiore consente di regolare la pressione del plenum scambiando le piastre dell'orifizio di restrizione. A questo punto configurare il sistema di acquisizione dati come mostrato nello schema nel testo. Collegare la linguetta di pressione del plenum alla porta positiva del trasduttore di pressione e lasciare la porta negativa aperta verso l'atmosfera. Impostare il canale zero del sistema di acquisizione dati sulla tensione del ponte dell'anemometro e il canale uno sul trasduttore di pressione. Nel software di acquisizione dati, impostare il canale del filo caldo su zero e il canale del trasduttore di pressione su uno. Infine, impostare la costante N su 0,45 e la frequenza di campionamento su 100 Hertz e i campioni totali su 1000. Inserire i valori della densità dell'aria locale nella costante di calibrazione del trasduttore negli appositi campi in modo che il sistema di acquisizione dati riporti i risultati in metri al secondo. Utilizzare una spaziatura calibrata per impostare la larghezza della fessura su 19,05 millimetri o tre quarti di pollice. E poi fissare l'anemometro a filo caldo nel flusso nella posizione della vena contratta che si trova a una distanza di 1,5 volte la larghezza della fessura dall'apertura. Localizzare l'anemometro e il piano medio del getto facendo scorrere la sonda nella direzione del flusso trasversale fino a quando il segnale sull'oscilloscopio mostra fluttuazioni minime. Ora copri completamente la pila per stabilire la velocità massima del getto e poi accendi l'impianto di flusso. Utilizzare il software per registrare un punto dati. Al termine della misurazione, sostituire la piastra dell'orifizio con una con l'apertura più piccola. Effettuare un'altra misurazione con la nuova piastra dell'orifizio. Continua a scambiare le piastre dell'orifizio e ad effettuare le misurazioni fino a quando non hai raccolto almeno sei punti dati, di cui uno con la pila completamente libera. Recupera le costanti di calibrazione dal software di acquisizione dati.
Una volta terminata la raccolta dei dati, si avranno le misure di tensione dai circuiti a ponte corrispondenti a un intervallo di diverse velocità di flusso. Traccia la tensione al quadrato in funzione della velocità elevata alla potenza 0.45. E quindi eseguire un adattamento lineare dei minimi quadrati ai dati. La pendenza e l'intercettazione dall'accoppiamento sono le costanti di calibrazione per questo anemometro a filo caldo. Ora che l'anemometro è stato calibrato, può essere utilizzato in una diversa configurazione di flusso per misurare una velocità sconosciuta.
Gli anemometri a filo caldo sono spesso utilizzati negli esperimenti scientifici di flusso. L'anemometria a filo caldo è ampiamente utilizzata per studiare i flussi dello strato limite nelle gallerie del vento. Gli strati limite sono uno dei più antichi argomenti di ricerca in meccanica dei fluidi a causa della loro rilevanza per applicazioni tecnologiche come la progettazione aerodinamica, l'ingegneria navale e la generazione di energia, tra le altre. A scapito di tutti questi campi, molti effetti che coinvolgono lo strato limite sono ancora incipientemente compresi. Rugosità, gradienti di densità e viscosità e comprimibilità altamente irregolari per citarne alcuni. Con questo in mente, l'anemometria a filo caldo viene utilizzata in laboratorio per valutare i flussi dello strato limite rilevanti per le applicazioni sopra menzionate. Utilizzando strategie simili a quella dimostrata nell'esperimento attuale. I sistemi di ventilazione industriale sono utilizzati per controllare fumi, particolato, aerosol, prodotti della combustione o altri contaminanti in ambienti industriali. Comunemente, ogni contaminante viene generato a una velocità diversa. Pertanto, il sistema di scarico richiederà una portata diversa per ciascun contaminante per eliminarli in modo efficiente. Questa procedura viene in genere eseguita con l'aiuto di un anemometro a filo caldo. In cui l'ingegnere imposta la posizione di una serranda in ogni linea, cercando di far corrispondere la lettura dell'anemometro a un valore di velocità pre-stimato.
Hai appena visto l'introduzione di Giove all'anemometria a filo caldo. A questo punto dovresti capire come funziona un anemometro a temperatura costante e come calibrare questo dispositivo per l'uso negli esperimenti di flusso. Grazie per l'attenzione.
).
; come richiesto dall'equazione (7).
a 0,45.