3.11: 鈍頭物体まわりの流れの可視化

1. 泡の連続シートを出す。

1. 図 3に示す電気回路図によると機器を設定します。
2. テスト セクションの下流端水の肯定的な電極を修正 (参照の図 4を参照)。
3. 上流と流れは、研究の目的を到達する前に、ストリームに泡を解放する興味のポイントの近くにマイナスの電極を修正 (参照の図 4を参照)。水は、2 つの電極間の回路を完了します。
4. フロー機能をオンに
5. 周波数コント ローラーのダイヤルを 2 の位置に設定します。これは約 9 × 10^-4 m³/s の流量を確立します。
6. DC 電源を入れますと約 25 V まで電圧を増加、現在、約 190 のセット自体 mA。
7. 矩形波信号発生器の波形を設定 (記号: )。これは 0 V - 高位置に (回路を閉じ) ソリッドステート リレーをアクティブに 5 の V 正方形信号を生成し、低い位置で開きます
8. この特定のケースでは、方形波の周波数は重要ではありません。それは非ゼロである必要があります。
9. 信号発生器の DC オフセット (+5 V) を最大化します。この設定、回路は閉鎖している常に、システムは連続的に気泡を生成します。

図 3。接続のダイアグラム。

図 4。テスト ・ セクション。フローは左から右に行きます。否定的な電極は、流れに押し流されるから水素気泡の層を生成します。肯定的な電極は、その妨害を避けるためにテスト セクションの下流端に設定されます。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

2. タイムラインを作成: する

1. フロー機能をオンに
2. 周波数コント ローラーのダイヤルを 2 の位置に設定します。これは約 9 × 10^-4 m³/s の流量を確立します。
3. DC 電源を入れますと約 25 V まで電圧を増加、現在、約 190 のセット自体 mA。
4. 矩形波信号発生器の波形を設定 (記号: )。これは 0 V - 高位置に (回路を閉じ) ソリッドステート リレーをアクティブに 5 の V 角信号を生成し、低い位置に非アクティブになります (回路を開く)
5. 信号発生器で +1 V DC オフセットを設定します。
6. 10 Hz で信号発生器で、方形波の周波数を設定します。
7. 適切な周波数を節約しながら、タイムラインの領域を増やすに方形波少し負 (-2) の対称性を設定します。

3 ・ フォン ・ Kármàn うずを勉強する流線を使用: する

1. 棒の直径を測る、キャリパーを使用します。この測定値 (m) の点火ユニットを使用します。
2. 否定的な電極の下流丸棒を修正します。
3. 水素気泡の層の高輝度放電ランプの光を投げかけた。光が直接の背後にあるイメージング システムの過飽和を防ぐためにビューの行を確認してください。
4. ロッド; 視覚化システムを揃える円形の先端だけがカメラの前で表示されている方法です。
5. [可視化] ウィンドウと単位時間あたりの渦小屋サイクル数をカウントするための参照として使用するロッドの下流は、マークを追加します。

4. データ円柱まわりの流れの解析:

1. マシン単位から実空間単位への換算係数の決定:
   1. 気泡シートの棒の影の幅を測定 (参照してください図 2 (a) 参照)。測定はこの距離で歪みを回避するロッドで右折しています。これはマシン単位でロッドの直径(ポイントまたはピクセル形式によって)
   2. 次の方程式を使用すると、マシン単位から現実世界の単位への換算係数を決定します。
      
2. 流速の決定:
   1. 鈍頭物体の歪みのないタイムライン上流のグループを選択します。
   2. マシン単位で最初と最後のタイムラインの間の距離を測定(ポイントまたはピクセル)。
   3. グループで、タイムラインの数をカウントする。
   4. 方形波信号の周波数の注意信号発生器によって生成される、 。
   5. 次の式から接近流速を決定します。
      
3. レイノルズ数の決定:
   1. 作動流体の動粘度を見つける (例えば水m²/s)。
   2. 方程式 (1) を使ってレイノルズ数を計算します。ために、ロッドの直径を考慮した () ステップ 3.1、接近速度の測定 () 式 (5) と 4.3.1 のステップで決定した動粘度で判断
4. ストローハル数の定量: 無料ストリーム内タイムラインとしてロッドの後流に渦が異なる速度で移動します。したがって、渦放出の頻度は、個別に見積もる必要があります。
   1. 下流のロッドの固定参照を定義します。この参照は、トンネルの外に細いストリングまたはデジタル回線フロー プロセスのビデオに追加可能性があります。
   2. 渦放出のサイクルの数をカウントする、時間の定義された期間の間に参照を横断。渦のサイクルは、図 2(A) で示されています。
   3. 次の式から流す頻度を計算します。
      
   4. ストローハル数を計算するのに式 (2) に式 (5) と (6) の結果を使用します。

その支配法則の非線形性により、流体運動は複雑な流れパターンを誘発します。これらの流れパターンは多くの要因の影響を受けますが、そのうちの 1 つは、断崖絶壁などの障害物を通過する流れです。ブラフボディは、その形状により、その表面の大部分で分離された流れを引き起こすオブジェクトです。流れの状態によっては、この流れが不安定になり、渦の放出と呼ばれる後流の振動パターンが生じることがあります。このビデオでは、ブラフボディによって引き起こされる流れの分離と渦の放出の基本を紹介し、結果として生じる流れのパターンを視覚化するために使用される手法を示します。

まず、自由流速度と呼ばれる速度U無限大の水が円柱に近づく一様に定常的な流れを考えてみましょう。物体の表面で境界層が分離すると、物体の周囲に渦が形成され、最終的には後流に分離します。周期的な剥離が起こると、渦は体の後ろに低圧の交互の領域を生成します。このプロセスは、フォン・カルマン・ボルテックス・ストリートと呼ばれています。この繰り返しパターンは、慣性力と粘性力の比率として定義される無次元パラメータであるレイノルズ数の特定の範囲で発生します。ここで、nuは流体の動粘度、Vは特性速度またはこの場合のU無限大、Dはシリンダーの直径です。たとえば、次のデモンストレーションのセットアップでは、レイノルズ数が約 5 の場合、流れは円柱の後ろに 2 つの安定した逆回転渦を示します。レイノルズ数が増加すると、これらの渦は流れの方向に伸びます。レイノルズ数が約37に達すると、圧力と運動量の不均衡の結果として、航跡は不安定になり、正弦波に振動します。渦が円柱から放出される頻度は一定ではなく、レイノルズ数の値によって変化します。この放出頻度は、別の無次元パラメータであるStrouhal数によって特徴付けられます。Strouhal数は、fが渦の放出周波数であることを示すように定義されます。フローパターンの実験的解析では、4種類のフローラインを使用します。パス ラインは、特定の流体パーティクルが流れとともに移動するときにたどるパスです。ストリーク ラインは、同じ位置から運動が発生したすべての流体粒子の連続軌跡です。流線は、速度フィールドに瞬時に局所的に接する架空の線です。パス ライン、ストリーク ライン、および流線は、定常フロー条件下では互いに一致することに注意してください。電流の流れでは、これはブラフ本体から上流の流れの領域、またはその航跡の影響から十分に離れた流れの領域に対応します。一方、パスライン、ストリークライン、ストリームラインは、非定常流れ条件下では互いに異なります。電流の流れでは、これは基本的にブラフボディの後流に対応します。最後に、タイムラインは、同じ瞬間に流れに放出された流体粒子の連続軌跡です。次の実験では、小さな水素の泡を連続させたシートを使って、タイムラインとストリークラインを使って流れのパターンを解析します。それでは、フロー実験の設定方法を見てみましょう。

まず、示されている電気回路図に従って機器を組み立てます。正極を試験セクションの下流端の水中に固定します。次に、負極を上流に固定します。これは、流れが調査対象に到達する前に気泡が流れに放出される点の近くになければなりません。フロー機能をオンにします。次に、周波数コントローラーのダイヤルを 2 の位置に設定して、平均速度を毎秒約 0.04 メートルに設定します。この速度は、毎秒約50からマイナス5立方メートルの流量に相当します。次に、DC電源をオンにし、電流を約25ミリアンペアにして電圧を約190ボルトに上げます。信号発生器では、出力を0ボルトから5ボルトの方形信号の方形波に設定し、回路を高い位置で閉じ、低い位置で開きます。DCオフセットを5ボルトに最大化して、回路が常に閉じ、システムが継続的に気泡を生成するようにします。タイムラインを生成するには、信号発生器のDCオフセットを1ボルトに変更します。次に、方形波の周波数を10ヘルツに設定します。タイムラインはフロー内で生成されます。次に、矩形波の対称性をマイナス 2 に設定して、タイムライン間のスペースを増やします。

まず、キャリパーを使用してロッドの直径をSI単位で測定します。負極の下流に円筒形のロッドを固定します。水素の泡の層に高強度の光を投射し、光が視界の真後ろにないことを確認して、イメージングシステムの過飽和を防ぎます。視覚化システムをロッドに合わせ、円形の先端のみがカメラの前に見えるようにします。可視化ウィンドウとロッドの下流にマークを追加して、渦流域サイクルをカウントするための基準点として使用します。

まず、バブルシート上のロッドが落とす影の幅を測定します。距離による歪みを避けるために、ロッドで正しく測定してください。ロッドの直径を使用して、マシン単位から実際の単位への変換係数を決定します。次に、ブラフ本体とその航跡の影響から離れた、ほぼ歪みのないタイムラインのグループを選択します。最初と最後のタイムラインの間の距離Lをマシン単位で測定します。グループ内のタイムラインの数を数え、方形波の周波数をメモします。次の式から接近する流速を求めます。次に、水の動粘度を使用して、レイノルズ数を計算します。次に、ロッドの航跡の渦を観察して、ストローハル数を決定します。渦は、フリーストリームのタイムラインとは異なる速度で移動することに注意してください。固定文字列を基準として使用して、定義された期間に基準点を横切る渦放出サイクル NS の数をカウントします。開口頻度を計算します。次に、結果を使用してStrouhal数を計算します。

手順と分析について説明したので、結果を見てみましょう。結果の有効性は、レイノルズ数とストローハル数の間の関係を使用して判断できます。係数 St* と m はレイノルズ数の範囲に依存し、文献に記載されています。この例のレイノルズ数は 115 です。したがって、St*とmの値を使用してStrouhal数を計算できます。Strouhal 数の計算値は 0.172 で、これは測定値の 0.169 とよく相関しています。この実験をさまざまな操作パラメータで行った場合、レイノルズ数とストローハル数の計算は、2つの数の間の数学的関係とよく相関していました。これは、バブル法を使用してブラフ ボディの周りの流れパターンをどれだけ理解できるかを示しています。

フローパターンを理解することは、多くのタイプのエンジニアリングアプリケーションの設計と運用に不可欠です。橋梁の柱やオフショア石油掘削装置は、構造物を通過する電流の流れによって引き起こされる乱流に耐えるように設計されています。特定の構造物が露出する渦の放出頻度を知ることは、その設計にとって非常に重要です。その点で、エンジニアは、構造の固有振動数が渦の放出周波数と共振するほどにならないようにする必要があります。これは必然的に構造の壊滅的な破壊につながるためです。また、翼や船体などの流線型の物体の周りの流体の流れを研究することも不可欠です。フローラインを利用することで、エンジニアは飛行機が失速する角度などのパラメータを決定したり、流速に基づいて揚力特性を推定したりすることもできます。

Jove のビデオ「ブラフ ボディの周りのフロー ラインの視覚化」をご覧になりました。これで、流体の流れパターンとフォン・カルマンの渦の通りの基本、これらの流れパターンを視覚化するための実験の設定方法、および流れの挙動の調査方法を理解できたはずです。ご覧いただきありがとうございます。