ソース: リカルド ・ メヒア ・ アルバレス、コメディフランセーズ Hikmat ジャバー、マフムード ・ N. Abdullatif、機械工学科、ミシガン州立大学、イースト ランシング、MI
流体運動は、その準拠法の非線形性質により複雑なフロー パターンを誘導します。これらのパターンの性質の理解何世紀にも強い精査の対象とされています。パソコンやスパコンを広く使用して流動パターンを推測、それらの機能がまだ複雑な形状や高慣性フローの正確なフローの動作を決定するための十分なない (例えばとき勢いに支配します。粘性抵抗)。これ、明らかにパターンが開発されている流れの政体とジオメトリの理論および数値計算にアクセスできないツールを達することができる流れを作る実験技術の多数の心で。
このデモは、鈍頭物体周りの流れを調査します。物体は、その形状のためは原因が流れをその表面の大部分に分かれてオブジェクトです。これは、ストリーム内の配置は、以下の流れの分離の原因、翼のような流線型の体とは対照的です。本研究の目的は、流れの可視化法として水素気泡を使用することです。水素気泡は、電解水の中の電極を水没で DC 電源を使用して経由で生産されています。非常に細い針金が泡が小さいままし、流体運動をより効果的に管理できるようにする必要があります否定的な電極で水素気泡を形成します。このメソッドは、定常および非定常層流に適しています、オブジェクトの周りの流れの性質を記述する基本的な流線に基づきます。[1-3]
本稿は、機器とそのインストールに関する詳細を含む技術の実装を記述するのに焦点を当てください。その後、技法は円柱周りの流れを特徴づける基本的な流線の 2 つの使用方法を示すためです。これらの流線は、流速とレイノルズ数のようないくつかの重要な流れのパラメーターを推定してフロー パターンを決定するために使用されます。
この構成では、速度と水の一様定常流を検討します(無料ストリーム速度と呼ばれる) 円柱 (図 1) に近づきます。フローの状況に応じてレイノルズ数によって特徴づけられる、この流れが不安定になり、渦を生じさせる。渦は、合理化されたボディではなく、彼らの表面の相当な部分の上の境界層剥離を表わす鈍い物体を過ぎる流れの典型的なです。この境界層の分離をきっかけに定期的に切り離すことができません最終的にボディの後ろの渦の形成に します。定期的な剥離が行われるとき、渦は流す周波数が体の固有振動数と一致する場合、共振負荷をなることができる体の背後にある低圧の交互の項目を生成します。この渦のプロセスは「・ フォン ・ Kármàn ・渦が通り」と呼ばれる (図 2)。旋回する渦のこの繰り返しパターンは鈍頭物体まわりの非定常流れの分離によって引き起こされる、特定のレイノルズ数の範囲で発生します。このシナリオを避けることは、それは致命的な障害につながるので煙突、橋柱など土木構造物の設計に非常に重要です。
図1.円柱を過ぎる流れ。基本的な構成の模式図。速度と均一なストリーム 直径のまっすぐな円柱に近づく
接近速度に垂直な対称の軸をもつ。
レイノルズ数は粘性力への慣性力の比として定義される無次元のパラメーターです。
(1)
どこは、流体の動粘度
特性の速度 (
本症例では) と
円柱の直径。レイノルズ数は流体の流れの特性の最も重要なパラメーターは、おそらく、・ フォン ・ Kármàn の渦の出現のためのメトリックとして本実験で使用します。特に、レイノルズ数が約 5 と、流れはシリンダーの後ろに 2 つの安定した回転渦を展示します。レイノルズ数が増えると、これらの 2 つの渦を流れの方向に細長い。レイノルズ数約 37 の値に達すると、きっかけは不安定になり、圧力と運動量間の不均衡の結果として正弦波発振を開始します。47 までのレイノルズ数の更なる増加には、正弦波の後流振動 [4,5,6] に続く交互の順番シリンダーからデタッチするのには 2 つのカウンター回転渦が発生します。
円柱からの渦周波数はない定数です。それは、レイノルズ数の値によって異なります。放出周波数は、この特定の流体フロー構成で関連性の高い他の無次元パラメーターであるストローハル数によって特徴付けられます。
(2)
ここでは、渦放出周波数と長さと速度スケールのレイノルズ数の場合と同じです。渦放出周波数は、レイノルズ数 [7] の逆二乗根の線形関数としてストローハル数によって特徴付けられます。
(3)
この関数は常に単調ではない、それは流体の流れの非直線性に負って二次不安定性の結果としてさらに遷移を展示します。その結果、係数と
レイノルズ数が変わると思います。表 1 は、文献 [7] にも特徴づけられている流れの政体のためのこれらの係数の値を示します。
現在実験中に円柱まわりの外部流れを勉強するのに流線を使用します。これらの流線の定義は次のとおりです。
• 跡: 流体粒子に続く流れに移動しながらパス。
• 脈: 同じ空間的な位置で発生した動きがすべての流体粒子の連続軌跡。
• タイムライン: 連続軌跡を形成しながら同時にタグ付けされた流体粒子のセット。
• 効率化: 時間の時点ではどこにでも速度場に正接連続ライン。
最初の 3 行は比較的簡単に生成実験、合理化が単なる数学的概念で一般的に速度場の瞬時のキャプチャを後処理することによって生成しています。これは常に true、撹拌、streaklines と合理化がお互い一致ため分析が定常流の大幅簡素化され。逆に、これらの行一般に一致しない互いの非定常流れの。この手法の実装は一般的に簡単で、粒子画像流速測定法 [1]、粒子追跡流速測定 [8, 9]、分子タギングなどのより高度で高価な技術ではなく、低コスト機器のみが必要です。流速測定法 [10]。
図2.代表的な結果。(上流の妨害の結果として streaklines を示す水素気泡の A) 連続的なシート。棒の影は、マシンから現実の単位への変換を決定する使用されます。サイクルの渦も流す頻度を適切に決定するために示されています。(B) タイムラインを水素の泡が発生します。タイムラインの周波数は明確に定義された、されると流速を正確に測定するにはこの推定に使用される赤い線で囲まれたタイムラインをカウントします。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。
テーブル1.係数の値 、
のレイノルズ数間隔 (から [8]).
1. 泡の連続シートを出す。
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
3 ・ フォン ・ Kármàn うずを勉強する流線を使用: する
4. データ円柱まわりの流れの解析:
その準拠法の非線形性質のため流体運動は、複雑なフロー パターンを誘導します。これらのフロー パターンある物体など障害物まわりの流れ、多くの要因によって影響を受けています。物体は、その形状のためは原因が流れをその表面の大部分に分かれてオブジェクトです。フロー条件によってこの流れが不安定に振動渦と呼ばれるきっかけにフロー パターンに上昇を与えるなります。流れの剥離の基礎を紹介し、鈍頭物体による渦放出し結果のフロー パターンを視覚化するために使用法を示します。
まず、速度 U 無限円柱に接近速度と呼ばれる、水の制服の着実な流れを考えてみましょう。オブジェクトの面上の境界層剥離はきっかけに最終的にデタッチ体の周りの渦の形成に します。定期的な剥離が行われるとき、渦はボディの後ろの低圧の交互の項目を生成します。このプロセス通り・ フォン ・ カルマン渦と呼びます。この繰り返しパターンは、特定の粘性力への慣性力の比として定義される無次元レイノルズ数の範囲で発生します。ここでは、nu は流体の動粘度 V はこの場合、特徴的な速度または U 無限大、D は円柱の直径。たとえば、レイノルズ数は、5 名程度、次のデモンストレーションでセットアップで、流れがシリンダーの後ろに 2 つの安定した回転渦を展示します。レイノルズ数が増加するにつれて、これらの渦は流れの方向に細長い。いつ、レイノルズ数に達すると約 37、きっかけは不安定になり、圧力と運動量間の不均衡の結果として正弦波発振します。シリンダーを渦周波数は一定ではない、むしろそれはレイノルズ数の値によって異なります。この脱落頻度は、もう一つの無次元パラメーターであるストローハル数が特徴です。F が渦の取除く頻度ストローハル数として定義されますが表示されます。流れ場の実験的解析は、流線の 4 種類を使用します。Path 行は、指定された流体粒子に続く流れに移動するパスです。ストリーク ラインは、同じ場所に由来する動きがすべての流体粒子の連続軌跡です。流線型は、瞬時には、架空の線とローカル速度場に接するです。パス線、連続線と流線が定常流条件下での相互一致する注意してください。現在のフロー、これは鈍頭物体からまたはそのきっかけの影響から十分にずっと上流の流れの地域に対応します。その一方で、パス線、連続線と流線は非定常流れの条件の下で互いと異なります。現在のフローにこれは鈍頭物体の後流に基本的に対応します。最後に、タイムラインは時間で、同時に流インスタントにリリースされた流体粒子の連続軌跡です。次の実験では、タイムラインと縞の線を使用してフロー パターンを分析するのに小さな水素気泡の連続シートを使用します。今、流れの実験を設定する方法を見てみましょう。
まず、電気図によると装置を組み立てます。テスト セクションの下流端水の肯定的な電極を修正します。次に、否定的な電極を上流修正します。これはポイントの流れは、研究の目的を到達する前に、泡をリリースしストリームに近くなります。フロー機能をオンにします。1 秒あたり約 0.04 メートルの平均速度を確立するために、周波数コント ローラーのダイヤルを 2 つの位置に設定します。この速度は、1 秒あたりマイナス 5 乗メートルに約 50 の流量に対応します。今 DC 電源をオンにし、現在約 190 ミリ アンペアの電流で約 25 v に電圧を高めます。信号発生器の出力を高い位置に回路を閉じ、低い位置で開きます 5 ボルト正方形信号に 0 ボルトの矩形波に設定します。DC 5 ボルト回路が常に閉じられ、システムは連続的に気泡を生成しますので、オフセットを最大化します。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。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、フローで生成されます。タイムラインの間のスペースを高めるために、マイナス 2 に矩形波の対称性を設定します。
最初 SI 単位のキャリパーを使用してロッドの直径を測定します。否定的な電極の下流の円筒棒を修正します。光が直接イメージング システムの飽和を防ぐためにビューの行の後ろには必ず水素気泡の層に高輝度の光をキャストします。円形の先端だけがカメラの前に表示されるように、ロッドと可視化システムを合わせます。可視化] ウィンドウで、下流のマーク渦をカウントするための参照ポイントとして使用するロッドの流すサイクルを追加します。
まず気泡シートの棒の影の幅を測定します。距離と歪みを回避するロッドで測定右を取る。ロッド径を使用して、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。次に、鈍頭物体からほぼ歪みのないタイムラインのグループとその後流の影響を選択します。マシン単位で最初と最後のタイムラインの間の距離 L を測定します。グループ内のタイムラインの数をカウントし、方形波の周波数に注意してください。次の式から接近流速を決定します。今、水の動粘度を使用してレイノルズ数を計算します。次に、ロッドの後流に渦を観測によるストローハル数を決定します。渦移動無料ストリーム内のタイムラインと比較して速度が異なることに注意してください。固定文字列を参照として使用して、渦サイクル、NS、時間の定義された期間中に交差する参照点の数を数えます。流す頻度を計算します。ストローハル数の計算結果を使用しています。
今では手順と分析を行っている、結果を見てをみましょう。ストローハル数とレイノルズ数の関係を使用して、結果の妥当性を確認できます。St * および m の係数は、レイノルズ数に依存し、文献で見つけることができます。この例ではレイノルズ数は 115 です。したがって、St * と m の値はストローハル数の計算に使用できます。ストローハル数の計算値は 0.172 0.169 の実測値によく相関します。この実験運用パラメーターを変えることで、レイノルズとストローハル数の計算は 2 つの数値の間の数学的関係によく相関。これは、バブル メソッドを使用して、鈍頭物体周りの流れのパターンを理解する方法もを示します。
フロー パターンを理解することは、デザインとエンジニア リング アプリケーションの多くの種類の操作に不可欠です。橋とオフショア石油リグの柱は、過去の構造現在の流れによって引き起こされる乱れに耐えるように設計されています。渦構造が公開される周波数を知ることは、その設計のため不可欠です。その点では、エンジニアはようでそれがこれが必然的に構造体の壊滅的な障害につながる可能性ため渦周波数と共鳴構造の固有振動数があることを確認しなければなりません。また空気箔など合理化物体周り流れを勉強したり、船体の船が欠かせません。流線を利用することにより、エンジニアは、航空機は失速する時、あるいは角度などのパラメーター推定流速に基づく揚力特性を決定できます。
鈍頭物体まわりの流線の視覚化のゼウスのビデオを見てきただけ。今流動挙動を研究する方法これらのフロー パターンを可視化する実験をセットアップする方法と、フォン ・ カルマン渦流動パターンの基本を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
図 2は、ストリート ・ フォン ・ Kármàn の渦の水素気泡可視化の 2 つの代表的な結果を示しています。図 2(A) 水素気泡シートの妨害によって立証されるように streaklines のフィールドの例を示します。この画像を使用して、マシン単位で棒の直径を抽出します。図 2(B) のタイムラインのフィールドの例を示します。このイメージは、接近流速を推定するために使用されます。この実験から抽出されたパラメーターは、表 2 にまとめます。
テーブル2.円柱まわりの流れの代表的な結果。
パラメーター | 値 |
D_o | 0.003 m |
D_i | 14.528 pts |
f_s | 2.169 Hz |
f_tl | 10 Hz |
L | 130.167「pts」 |
M | 4842.67″pts”∕”m” |
N_s | 60 |
N_tl | 7 |
T | 27.66 秒 |
U_∞ | 0.0384 m/s |
Ν | 1.004×[10]^(-6) m2/s |
日時 | 115 |
St | 0.169 |
式 (3) を用いたレイノルズ数は 115 例では現在、この結果の妥当性をテストすることが
(7)
そこから私たちを取得します。
(8)
私たちの実験とを比較した結果 (参考表 2 参照)、実験が満足のいく結果を提供したことを結論付けることができます。図 5では、式 (7) の予測と比較した実験結果を示しています。
図 5.実験結果。円柱まわりの流れのストローハル数とレイノルズ数の関係の予測に対して現在の実験結果との比較。
本研究では円柱周りの流れの画像から定性的および定量的な情報を抽出する水素気泡の使用法を示した。これらの実験から抽出された定量的情報含まれて無料ストリーム速度 ()、渦放出周波数 (
)、レイノルズ数 (Re) とストローハル数 (St)。特に、再セント対の結果は過去の研究 [3] 非常に良い一致を出展しました。
現在の実験で使用される遅い速度のため気泡シートの摂動はムラのある泡層を生成します。これらの筋は、基本的に streaklines です。水素気泡シートが下流に移動、これらの streaklines を濃くより不規則になります。無料ストリームにおける乱流強度のものであります。泡が重要な分散を提示する前にテストのセクションを残して以来、トンネルの速度が増加すると、効果は減衰します。Streaklines は、水にさらしたそれの小さい部分を残しながらワイヤをコーティングすることによりあらかじめ選択した場所でも製作可能します。
現在の流動挙動は橋と、オフショアの石油リグの柱風のタービン塔数名線極の電源などの土木構造物まわりの流れに直接適用されます。実際には、この動作は、空のスクレーパーなど円筒形以外の形状を持つにぶい物体によって展示します。渦構造振動流体-構造相互作用を生成することを考えるは、そのデザインの重要な渦構造が公開される周波数を知ることです。点では、エンジニアはことを確認、それようでこの効果、構造体の壊滅的な障害につながる必然的にのでそれが渦周波数と共鳴構造の固有振動数であります。[10] の法律適切なスケーリングを使用と水素気泡水トンネル エンジニアはその構造の設計が安全であるかどうかを確認するまたは変更が必要なかどうかを見つける前に構造とフローの相互作用をシミュレートできます。
にぶい物体のほか水素気泡可視化、翼など合理化された物体周辺の流れを勉強したり、船体を出荷する非常に強力なツールです。によりこの手法で生成される流線の使用、1 つ迎え角で失速行われるなどパラメーターを決定したり、流速に基づく揚力特性を推定します。もっと重大に、流体ラインの歪みのパターンは、そのデザインを最適化するためにエンジニアに役立ちます。
水素気泡の可視化は上記のような外部の流れに制限されません言及。このメソッドは、開いているチャネルまたは完全に閉じ込められたフロー システムを介してフローを観察するも使用できます。後者の場合、壁は光アクセスを確保するため透明になる必要があります。たとえば、1 つはサブソニック流流ディフューザーの設計に興味が幾何学を決定し流動状態をディフューザーはく離と不安定性を展示いたします水素気泡が使用できます。これらの観察に基づいて、デザインは、その適切な機能を確保する実験的最適化されて可能性があります。
Due to the nonlinear nature of its governing laws, fluid motion induces complicated flow patterns. These flow patterns are influenced by many factors, one of which is flow past an obstacle such as a bluff body. A bluff body is an object that, due to its shape, causes separated flow over most of its surface. Depending on the flow conditions, this flow may become unstable, giving rise to oscillating flow patterns in the wake called vortex shedding. This video will introduce the basics of flow separation and vortex shedding caused by a bluff body and demonstrate a technique used to visualize the resulting flow patterns.
First, let’s consider the uniform steady flow of water with velocity U infinity called the free stream velocity approaching a circular cylinder. Boundary layer separation on the object’s surface leads to the formation of vortices around the body that eventually detach into the wake. When periodic detachment takes place, the vortices generate alternating areas of low pressure behind the body. This process is called the Von Karman vortex street. This repeating pattern occurs at certain ranges of Reynolds number, a dimensionless parameter defined as the ratio of inertial forces to viscous forces. Here, nu is the kinematic viscosity of the fluid, V is the characteristic velocity or U infinity in this case, and D is the cylinder diameter. For example, in the setup in the following demonstration, when the Reynolds number is around five, the flow exhibits two stable counter-rotating vortices behind the cylinder. As the Reynolds number increases, these vortices elongate in the direction of the flow. When the Reynolds number reaches approximately 37, the wake becomes unstable and oscillates sinusoidally as a result of an imbalance between pressure and momentum. The frequency in which vortices are shed off the cylinder is not constant, rather it varies with the value of the Reynolds number. This shedding frequency is characterized by the Strouhal number, which is another dimensionless parameter. The Strouhal number is defined as shown where f is the vortex shedding frequency. Experimental analysis of flow patterns uses four types of flow lines. A path line is the path that a given fluid particle follows as it moves with the flow. A streak line is the continuous locus of all fluid particles whose motion originated from the same location. A streamline is an imaginary line that is instantaneously and locally tangent to the velocity field. Note that path lines, streak lines, and streamlines coincide with each other under steady flow conditions. In the current flow, this corresponds to regions of the flow upstream from the bluff body or far enough from the influence of its wake. On the other hand, path lines, streak lines, and streamlines differ from each other under unsteady flow conditions. In the current flow, this corresponds basically to the wake of the bluff body. Finally, timelines are the continuous locus of fluid particles that were released to the flow at the same instant in time. In the following experiment, we will use a continuous sheet of tiny hydrogen bubbles to analyze flow patterns using timelines and streak lines. Now, let’s take a look at how to set up the flow experiment.
First, assemble the equipment according to the electrical diagram shown. Fix the positive electrode in the water at the downstream end of the test section. Next, fix the negative electrode upstream. This should be near the point where the bubbles are released into the stream before the flow reaches the object of study. Turn on the flow facility. Then set the dial of the frequency controller to position two in order to establish a mean velocity of about 0.04 meters per second. This velocity corresponds to a flow rate of about 50 to the minus fifth cubed meters per second. Now turn on the DC power supply and increase the voltage to about 25 volts with the current around 190 milliamps. On a signal generator, set the output to a square wave with a zero-volt to five-volt square signal that closes the circuit in its high position and opens it in the low position. Maximize the DC offset to five volts so that the circuit is always closed and the system generates bubbles continuously. To produce timelines, change the DC offset in the signal generator to one volt. Then set the frequency of the square wave to 10 Hertz. Timelines will be produced in the flow. Then set the symmetry of the square wave to minus two in order to increase the space between timelines.
First measure the diameter of the rod using a caliper in SI units. Fix the cylindrical rod downstream of the negative electrode. Cast high-intensity light on the layer of hydrogen bubbles, making sure that the light is not directly behind the line of view to prevent over saturation of the imaging system. Align the visualization system with the rod so that only the circular tip is visible in front of the camera. Add a mark in the visualization window and downstream of the rod to use it as the reference point to count vortex shed cycles.
First measure the width of the shadow cast by the rod on the bubble sheet. Take the measurement right at the rod to avoid distortion with distance. Use the rod diameter to determine the conversion factor from machine units to real-world units. Next, choose a group of nearly undistorted timelines away from the bluff body and the influence of its wake. Measure the distance L between the first and last timeline in machine units. Count the number of timelines in the group and note the frequency of the square wave. Determine the approaching flow velocity from the following equation. Now using the kinematic viscosity of water, calculate the Reynolds number. Next, determine the Strouhal number by observing the vortices in the wake of the rod. Note that the vortices move at a different velocity as compared to the timelines in the free stream. Using the fixed string as reference, count the number of vortex shedding cycles, NS, crossing the reference point during a defined period of time. Calculate the shedding frequency. Then use the results to calculate the Strouhal number.
Now that we have gone over the procedure and analysis, let’s take a look at the results. The validity of the result can be determined using a relationship between the Reynolds number and the Strouhal number. The coefficients St* and m depend on the Reynolds number range and can be found in the literature. The Reynolds number in this example is 115. Thus, the values of St* and m can be used to calculate the Strouhal number. The calculated value for the Strouhal number is 0.172, which correlates well to the measured value of 0.169. When this experiment was conducted with varying operational parameters, the calculations of the Reynolds and Strouhal numbers correlated well to the mathematical relationship between the two numbers. This shows how well the bubble method can be used to understand flow patterns around a bluff body.
Understanding flow patterns is essential to the design and operation of many types of engineering applications. Pillars of bridges and offshore oil rigs are designed to withstand the turbulence caused by current flow past the structure. Knowing the vortex shedding frequencies at which a given structure will be exposed is critical for its design. In that regard, engineers have to make sure that the natural frequency of the structure is not such that it will resonate with the vortex shedding frequency because this will inevitably lead to catastrophic failure of the structure. It is also essential to study fluid flow around a streamline object such as an air foil or ship hull. By making use of flow lines, engineers can determine parameters such as the angle at which an airplane stalls or even estimate lift characteristics based on flow velocity.
You’ve just watched Jove’s video on visualizing flow lines around a bluff body. You should now understand the basics of fluid flow patterns and the Von Karman vortex street, how to set up an experiment to visualize these flow patterns, and how to study the flow behavior. Thanks for watching.
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