乱流を測定

乱流は、さまざまな工学的および自然に発生するシステムで重要な役割を果たします。その結果、流れの特性を評価するために、システム内で測定を行う必要があることがよくあります。乱流は非常に高い周波数変動を示すため、乱流の測定と特性評価に使用される機器は、これらの変化を解決するのに十分な高い時間分解能を備えている必要があります。熱線式風速計は、小型で堅牢で、有用な結果が得られるほど高速であるため、これらの測定によく使用されます。このビデオでは、校正済みの熱線風速計プローブを使用して、フリージェット内のさまざまな位置で速度と乱流の測定値を取得し、データの基本的な統計分析を実行して乱流場を特徴付ける方法を示します。

乱流は、速度、圧力、渦度などの流れ変数の高いランダム変動によって証明できます。これらの変動は、流れ場内のコヒーレントな運動間の非線形相互作用の結果であるため、乱流の測定で見られる高周波振動は、ランダムな電子ノイズの結果ではなく、実際の物理的影響によるものです。乱流の古典的な説明には、流れ変数の平均値とそれに対応する時間の変動の決定が含まれます。たとえば、オーバーバーで示される平均速度は、測定時間にわたる瞬間速度を積分し、積分領域のサイズでスケーリングすることによって求められます。デジタル集録システムのような離散計測の場合、積分は数値で解く必要があります。平均速度が見つかったら、元の信号からそれを差し引いて、素数で示される時間依存の変動と速度を求めることができます。これらの定義から、変動フィールドの平均がゼロであることを示すのは簡単です。その結果、変動フィールドのより適切な統計記述子が必要になります。非常に一般的な尺度は、変動の二乗平均平方根またはRMSです。このメトリクスは平均と似ていますが、変数が積分前に二乗され、結果の平方根が取得される点が異なります。乱流強度は速度のRMSによって与えられ、この測定値は次のセクションでフリージェットで示されます。フリージェットの平均速度は、最初はフラットトッププロファイルを持ち、周囲の空気がジェットに巻き込まれるため、ジェットが伝播すると滑らかになります。この巻き込みにより、ジェットが下流に流れるときにジェットの線形運動量がスパン方向に広がり、ジェットが伝播するときにジェットが広がります。ジェットと周囲の空気との間の相互作用の領域は混合層と呼ばれ、ジェットが下流に移動するにつれて、この領域は中心線に向かって成長します。これにより、ジェットの内部にはポテンシャルコアと呼ばれる領域が残り、ジェット出口と混合層が中心線に到達する点によって流れ方向で区切られます。その場合、潜在的なコアは、周囲の環境との相互作用の影響を受けていない領域です。中心線上では、ポテンシャルコアはジェット出口の幅の約4倍まで下流に伸びています。乱流測定の基本を理解したところで、これを使用してフリージェットを特徴付ける方法を見てみましょう。

セットアップを開始する前に、施設のレイアウトと安全手順をよく理解しておいてください。この実験は、熱線風速計のキャリブレーションに使用したのと同じフローシステムで実行され、データ収集システムも同じ方法でセットアップする必要があります。データ集録ソフトウェアで、サンプリングレートを500ヘルツに、合計サンプルを5,000に設定します。定数 n、A、B を、キャリブレーションから決定された値と一致するように更新します。次に、フロー機能を設定します。キャリブレーションされたスペーサーを使用して、スリット幅を19.05ミリメートルまたは4分の3インチに設定し、次に熱線風速計を出口からスリット幅の1.5倍離れたジェットの大静脈収縮に変換します。スリットの上の風速計から始めて、オシロスコープの信号が最小の変動に達するまで高さを下げます。ジェットの中心線に対応するこの垂直位置を記録します。次に、信号の変動が最大になり、この位置がジェットの上部せん断層に対応するまで、風速計を元に戻します。ブランクオリフィスプレートをスタックに挿入して流速が最大になるようにしてから、フローファシリティをオンにします。定常流が確立されたら、データ収集システムを使用して、ジェットのこのポイントでの平均速度と乱流強度を測定し、これらの値を記録します。次に、風速計をスパン方向に 2 mm 下に動かし、平均速度と乱流強度を再度測定します。風速計を2ミリメートル刻みで下げ続け、両方の測定値に目立った変化がなくなるまで測定を行います。最終的な高さを記録した後、風速計を中心線より下に同じ距離だけ下に移動するまで移動させます。測定と平行移動を再開し、風速計が中心線に戻るまで直進します。終了したら、風速計を下流に平行移動して、ジェット出口からスリット幅の3倍になるようにします。この新しいストリームワイズ位置でジェット プロファイルを計測するには、最初の場所で使用したのと同じ手順に従います。ジェット出口からのスリット幅の6倍と9倍でジェットプロファイルの測定を繰り返します。測定が完了したら、フロー機能をシャットダウンします。

データを見てみましょう。各ストリームワイズ位置で、一連のスパンワイズ ポイントで取得された平均速度と乱流強度の計測値があります。まず、平均速度をスパン方向の位置の関数としてプロットします。中心線の値で値をスケールし、曲線が 50% のしきい値と交差するポイントを見つけ、必要に応じて補間します。これらの点は、この流れ方向の位置でのジェット幅デルタを定義します。差を取って幅を計算します。この場合、幅は約21.5ミリメートルです。次に、さまざまな流路位置での平均中心線速度とジェット幅を比較します。中心線の速度は、ポテンシャルコアにより出口からのスリット幅の約4倍までは基本的に変化しませんが、この距離を超えると減少します。距離とともにジェット幅が増加するのは、周囲の空気が巻き込まれるにつれて、ジェットの線形運動量がスパン方向に広がることを示しています。次に、乱流強度をスパン方向の位置の関数としてプロットします。混合はジェットと周囲の環境との境界で発生するため、乱流の強度は中心線から離れてピークに達します。

乱流は、科学および工学のアプリケーションで遍在しています。換気、暖房、空調などのエンジニアリングアプリケーションでの評価には、ダクトに導入され、半径方向に横断するポータブルホットワイヤープローブを使用して速度プロファイルを取得するのが一般的です。エンジニアは、この情報を使用して、新しく設置されたフローシステムのバランスを取り、適切な動作を確保するか、誤動作しているシステムのトラブルシューティングを行い、その動作を妨げる問題を解決します。新しい地上、空中、または船舶の車両または構造物が乱流の力に耐えるように設計されている場合、風洞または水洞の現実的な流れ条件下でその性能をテストする必要があります。大気や海洋で発生する乱流状態をシミュレートするために、流入する流れは、流れに大きな変動をもたらすアクティブまたはパッシブグリッドによって乱される可能性があります。次に、調査中の車両または構造物を風洞または水洞の試験セクションに取り付けて、乱流によってもたらされる負荷にどのように対処するかを測定できます。これらの測定は、結果として生じる抗力と揚力を測定する空力バランスを使用して直接行うことができます。また、トンネルでテストされたモデルの周囲の速度は、パフォーマンスに関する重要な情報を提供する場合があります。この特性評価は、通常、風洞の熱線式風速計を使用して行われます。

Jove による乱流の測定方法の紹介をご覧になりました。これで、熱線式風速計を導入して、流れプロファイルと乱流強度を測定および評価する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。