8.12: 一定温度麻酔:乱流境界層の流れを研究するツール

1. ホットワイヤシステムの動的応答決定

この手順の目的は、向間計システムがフロー信号の変化に応答する速度を理解することです。この機能は、正方形の波を適用して信号のオンとオフを切り取ったときの周波数応答を測定することによって測定されます。

1. サポートシャフトを使用して、風洞内のCTAシステムのホットワイヤプローブを固定します。
2. DC電源、信号発生器、オシロスコープをセットアップし、図2(a)に示すように接続します。信号発生器はホイートストーン橋に正方形波入力を供給し、出力波形はオシロスコープで可視化されます。
3. ホットワイヤ電源、オシロスコープ、信号発生器をオンにします。
4. 150 mVの振幅と10 kHzの周波数で正方形の波を出力する信号発生器を設定します。
5. オシロスコープの出力信号を観察し、出力波形式の周波数と振幅が正しいことを確認します。
6. テストセクションを閉じ、シリアルポートを差し込みます。風洞をオンにし、対気速度を時速 40 マイルに設定します。
7. 気流が安定したら、オシロスコープから信号オーバーシュートの幅を測定します。τの定義については、図 3 を参照してください。
8. この方程式を使用してホットワイヤシステムのカットオフ周波数を取得するには、τの測定値を使用します: f_cut = 1/1.5τ.
9. 風洞を消せ

2. ホットワイヤキャリブレーション

この手順の目的は、対気速度とホイートストーン橋の電位との相関関係を確立することです。これにより、流速を測定することができます。

1. ホットワイヤプローブを垂直位置に調整して、平らなプレート(この場合は風洞の床)から十分な距離に近い距離に保たれて、フリーストリーム領域に配置します。
2. 風洞制御ソフトウェアを起動します。
3. 仮想計測器ソフトウェアを開き、サンプリング周波数を10 kHzに設定し、サンプル数を100,000に設定します。これらのパラメータは、測定される流れフィールドの流れ特性によって決定され、対象統計の収束要件に関する知識に応じて異なる場合があります。
4. 風洞速度を 0 mph に設定し、ホイートストーン ブリッジの電圧を記録します。
5. 風洞の風速を最大 3 mph から 15 mph まで増やします。
6. 風洞の風速を最大 5 mph から 60 mph まで増やし、各増分で電圧を測定します。
7. すべての測定が完了したら、空気の流れを 30 mph に減らし、風洞をオフにします。

図 3.信号オーバーシュートの幅のスケマティックで、正方形波検定中にオシロスコープで観察された。

3. 境界層調査

1. 前の実験セクションと同じセットアップを使用して、フラットプレートとして機能するテストセクションの床に触れるまで、ホットワイヤプローブをゆっくりと下げます。
2. 風洞をオンにし、対気速度を 40 mph に設定し、サンプリング周波数を 10 kHz に設定し、サンプル数を以前のように 100,000 に設定します。
3. 平板の隣と境界層にある最も低い垂直設定で電圧読み取りを記録します。
4. プローブを垂直に動かし、0.05 mm の高さを 0.50 mm まで高くし、電圧読み取りを垂直位置で記録します。
5. プローブの高さを0.10mmの高さ1.50mmまで上げ、垂直位置での電圧読み取りを記録します。
6. プローブの高さを0.25mmのステップで4.00mmの最終高さに上げ、垂直位置での電圧読み取りを記録します。
7. すべての測定が完了したら、風速を 20 mph に下げ、風洞、CTA、電源、オシロスコープ、およびファンクション ジェネレータをオフにします。

境界層は、流れ場内の固体のサーフェスに隣接する薄い流れ領域です。境界層の外側の流れの領域は、自由流領域と呼ばれますが、速度は一定です。ただし、境界層内には、表面での摩擦による速度勾配があります。境界層は通常、いくつかの段階を経ます。

最初に層流境界状態、次に遷移状態、最後に乱流境界層の状態であり、これは混合や渦巻きなどの不規則な流れと変動を伴います。境界層は、航空機の皮膚摩擦抗力を計算するための基礎となります。

表皮摩擦抗力は境界層内で作成され、表面に加えられる粘性せん断応力によるものです。表皮摩擦抗力は、流体の動的粘性 mu と、局所的な流れごとの速度せん断ひずみ速度 (法線方向の流れごとの速度の勾配) に比例します。そのため、飛行機の翼のような広い領域では重要になります。さらに、乱流では、流体粒子が高運動量で表面と相互作用するため、表皮摩擦抗力が高くなります。

乱流境界層の特性を測定する方法の1つは、加熱されたワイヤ上の流れの冷却効果に関連する2つの原理に基づくホットワイヤ風速計を使用することです。第1の原理によれば、流体が高温の表面を流れると、対流熱係数が変化し、その結果、表面温度が変化します。

2番目の原理はジュールの法則で、導電体の熱放散Qは、導体に印加される電流Iの2乗に比例するというものです。この2つの原理を使用して、加熱された金属ワイヤプローブの周囲の流体の流れの速度を決定することができます。これは、ワイヤの温度を一定に保つために加える必要がある電位Eを測定することによって行われます。

一般的に使用されるホットワイヤー技術は、恒温風速計またはCTAです。CTAは、プローブと呼ばれる非常に細い金属線で構成されており、ホイートストンブリッジのアームに接続されています。ホイートストンブリッジは、電位を制御し、必要に応じて調整して、ワイヤ全体の温度を一定に保ちます。冷却は、ワイヤの周りの流体の流れによって引き起こされます。したがって、ポテンシャルの変化は熱伝達係数の関数であり、ひいては速度の関数です。

この実験では、恒温風速計セットアップを使用して、平板上の乱流境界層を測定する方法を示します。

まず、恒温風速計(CTA)システムが風洞を使用して流量信号の変化にどのように応答するかを学びます。まず、CTAシステムのホットワイヤープローブをサポートシャフトを使用して風洞内に固定します。

次に、DC電源、信号発生器、オシロスコープをセットアップします。コンポーネントは図のように接続されています。まず、ホットワイヤ電源、信号発生器、オシロスコープの電源を入れます。信号発生器を、150 mVの振幅と10 kHzの周波数でホイートストンブリッジに方形波入力を供給するように設定します。

オシロスコープで出力信号を観察し、周波数と振幅が正しいことを確認します。次に、テストセクションを閉じ、シリアルケーブルを差し込み、風洞をオンにして、風速を時速40マイルに設定します。気流が安定したら、オシロスコープで観測された信号オーバーシュートの幅(タウ)を測定します。タウの測定値を使用して、この式を使用して熱線システムのカットオフ周波数を計算します。次に、風洞の空気の流れを止めます。

次に、風速とホイートストン橋の電位との相関関係を確立します。まず、CTAプローブを垂直方向に上げて、フリーストリーム領域に入るようにします。風洞制御ソフトウェアを起動してから、仮想計器ソフトウェアを起動します。サンプリングレートを 10 kHz に、サンプル数を 100,000 に設定します。

次に、風洞の対気速度を 0 mph に設定して、ホイートストン橋の電圧を記録します。次に、風洞の対気速度を 3 mph から 15 mph まで上げ、各増分の電圧を測定します。電圧測定を記録する前に、空気の流れが安定するのを待ってください。

次に、風洞の空気速度を 5 mph 刻みで 60 mph まで上げ、各増分の電圧を測定します。すべての測定が完了したら、対気速度を 30 mph に下げてから、風洞の気流をオフにしてください。

以前と同じセットアップを使用して、CTAプローブがテストセクションの床に触れるまでゆっくりと下げます。これはフラットプレートとして機能します。エアーフローを時速 40 マイルに設定します。サンプリング周波数は 10 キロヘルツ、サンプル数は 100,000 に保ちます。電圧は、平板の隣と境界層にある最も低い垂直設定で記録します。

次に、プローブを0.05 mm刻みで垂直に動かし、高さ0まで動かします。5 mm、各位置での電圧読み取りを記録。次に、プローブの高さを0.1 mm刻みで高さ1まで上げます。5ミリメートル。次に、0.25 mmのステップで最終高さ4 mmまで、各増分で電圧を記録します。

すべての測定が完了したら、風速を時速20マイルに下げてから、気流をオフにします。次に、電源、信号発生器、オシロスコープをオフにしてください。

データ解析の最初のステップは、実験のキャリブレーションステップで取得したデータを使用して、熱線電圧と対気速度の相関関係を決定することです。これを行うにはいくつかの異なる方法があり、既知の熱伝達関係にデータを適合させる方法があり、このビデオの付録で詳しく説明しています。

数学的関係が決定されたら、電圧測定値を使用して、各垂直高さでの速度を計算します。オーバーベントプローブからのアーチファクトを考慮して公称高さを調整した後、速度プロファイルu(y)をプロットし、これを使用して境界層の変位厚さを決定できます。

この値は、表面と流体の間で発生するのと同じ流量を得るためにプレートを垂直に移動させる必要がある距離を表します。また、図のように定義される運動量の厚さを計算することもできますが、これは、流体とプレートの間に存在するのと同じ運動量を持つためにプレートを垂直に移動させる必要がある距離です。

これら2つのパラメータから、形状係数Hを計算できます。形状係数は流れの性質を決定するために使用され、形状係数約1.3は完全な乱流を示し、層流は約2.6を示します。これらの値の間には、移行フローがあります。この実験の場合、形状係数は1.9と計算され、遷移流を示しています。

要約すると、境界層の流れの発達について学び、次に恒温風速計のセットアップを使用して、平板上の乱流境界層を分析し、低い挙動を観察しました。