乱流球法:風洞流量の評価

Turbulence Sphere Method: Evaluating Wind Tunnel Flow Quality

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Turbulence Sphere Method: Evaluating Wind Tunnel Flow Quality

8.1: Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

8.4: Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

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09:23 min

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October 13, 2017

Overview

出典:ホセ・ロベルト・モレトとシャオフェン・リウ、サンディエゴ州立大学航空宇宙工学科、サンディエゴ、カリフォルニア州

風洞試験は、使用中に気流を受ける車両や構造物の設計に役立ちます。風洞データは、調査対象のオブジェクトのモデルに制御された空気の流れを適用することによって生成されます。通常、テストモデルのジオメトリは似ていますが、フルサイズのオブジェクトに比べて縮尺が小さくなります。低速風洞試験中に正確で有用なデータを確実に収集するには、テストモデル上のトンネルフローフィールドとフルサイズのオブジェクト上の実際のフローフィールドの間にレイノルズ数の動的な類似性が必要です。

このデモンストレーションでは、明確に定義された流れ特性を持つ滑らかな球上の風洞の流れを分析する。球は明確に定義された流れ特性を持つため、有効なレイノルズ数をテストレイノルズ数に関連付ける風洞の乱流係数と、風洞の自由流乱流強度を決定できます。

Principles

低速流の動的類似性を維持するには、実験のレイノルズ数は、研究対象の流れ現象のレイノルズ数と同じでなければなりません。しかし、異なる風洞で、自由な空気で行われた実験は、同じレイノルズ数であっても、異なる結果を提供する可能性があります。これらの違いは、風洞試験区間内の自由流の乱流の影響に起因する可能性があり、これは風洞試験[1]の「有効なレイノルズ数」として認識される可能性があります。

風洞の有効なレイノルズ数を取得し、乱流強度を推定するために使用される単純な方法は、乱流球の使用です。この方法は、風洞の乱流係数を決定することにより、乱流強度の間接測定を得る。乱気流係数TFは、有効なレイノルズ数、R_eff、トンネルレイノルズ数、再_検定、次のように相関します。

乱流強度は、ホットワイヤー麻酔、レーザードップラーヴェロシメトリー、またはパーティクル画像ヴェロシメトリーフローフィールド調査によって直接測定できます。これらの直接測定方法が導入される前は、風洞の相対的な乱流を測定する主な方法は乱流球でした。直接方法は通常時間とコストがかかるため、従来の乱流球法は、空気の流れの質を測定するための高速かつ安価な代替手段のままです。

乱流球法は、球引き上げの危機と臨界レイノルズ数、Re_c、および流れ乱流強度との間の強い相関関係という2つの経験的結果に依存しています。ドラッグクライシスとは、球引き分け係数C_dが流れ分離点の後方シフトにより突然低下する現象を指します。流れが臨界レイノルズ数に達すると、層流から乱流への境界層遷移が球の前縁に非常に近い位置で発生します。この初期遷移により、乱流境界層は長い距離で不利な圧力勾配をネゴシエートできるため、流れの分離が遅れるため、層境界層よりも分離が起こりにくくなります。遅延分離は、より良い圧力回復を促進し、ウェイクと圧力ドラッグのサイズを小さくし、全体的なドラッグを大幅に減少させます。

このデモで使用する乱流球には、先頭エッジに 1 つの圧力タップがあり、後縁から 22.5° 位置するポイントで 4 つの圧力タップがあります。直径が 4.0、4.987、6.0 の 3 つの球がそれぞれ調査されます。滑らかな球の場合、クリティカルレイノルズ数は明確に定義され、C_D = 0.3 の場合に発生します。これはΔ P /q = 1.220 の値に相当し、ΔPは 4 つの後圧ポートで測定された平均圧力と球のリーディングエッジでの停滞圧力との差であり、qはフローダイナミックです。圧力。

Re_cはC_DおよびΔP/qによってよく定義されるが、流れの乱流に強く依存する。球を使用したこのデモンストレーションを使用して、乱流係数を定義できます。初期の飛行測定では、自由な大気中では、滑らかな球体のRe_c = 3.85 x 10⁵が見つかりました。自由空気臨界レイノルズは、次の式によって風洞乱流に相関しています。

Procedure

1. 風洞における乱流球の準備

風洞ピトー管を圧力スキャナのポート#1に接続し、静圧ポートを圧力#2に接続します。
外部残高をロックします。
球柱を風洞内のバランスサポートに固定します。
直径6の球を取り付けます。
最先端の圧力タップを圧力スキャナのポート#3に接続し、4 つの後方圧力タップを圧力スキャナのポート#4に接続します。
空気供給ラインを圧力レギュレータに取り付け、圧力を65 psiに設定します。
圧力スキャナのマニホールドを圧力線に接続します。
データ集録システムと圧力スキャナを起動します。テストの20分前までに必ず電源を入れて下さい。
滑らかな球のための自由空気臨界レイノルズ数に基づいて最大動的圧力を推定します。推奨されるテストパラメータについては、表 1 および 2 を参照してください。
0 からq_までの動的圧力テスト範囲を定義し、範囲を 15 間隔で分割してテストポイントを定義します。

表 1.最初のテストのパラメータ。

球の直径(イン)	q_分[H2O で]	q_マックス[H2O で]
4	4	6
4.987	2	3.4
6	1	2.4

表 2.2 番目のテストのパラメータ。

球の直径(イン)	q_分[H2O で]	q_マックス[H2O で]
4	3.4	7.2
4.987	1.3	5.1
6	—	—

2. 安定化・圧力スキャン測定の実施

気圧と室温を読み取り、値を記録します。
マノメーターメーカーが提供する方程式を使用して、気圧に補正を適用します。
データ取得ソフトウェアをセットアップし、圧力スキャナに接続し、適切な IP アドレスを設定します。
各コマンドの後に enter キーを押す次のコマンドを挿入します。
>カルズ
>セットちゃん1 0
>セットちゃん 1-1..1-4
>設定 fps 10
試験区間と風洞に破片が入らないことを確認します。
テストセクションのドアを閉じます。
風洞速度ダイヤルをゼロに設定します。
風洞および風洞冷却システムをオンにします。
風速 0 mph でデータの記録を開始し、次のコマンドを挿入して圧力をスキャンします。
>スキャン
風洞の気温を記録します。
ステップ 1.10 で定義されている次のテストポイントの動的圧力まで風速を上げます。
対気速度が安定するまで待ってから、最後のテストポイントが実行されるまで手順 2.9 ~ 2.11 を繰り返します。
対気速度をゆっくりとゼロにします。
すべてのポイントが計測された場合は、球の 6 を次の球に置き換えます 1.2 ~ 1.5。
2.3 ~ 2.14 の手順を繰り返し、安定化と圧力スキャンの実験を繰り返します。
3 つの球すべてに対してテストが実行された後、風洞が冷却するのを待ちます。
風洞およびデータ取得ソフトウェアをオフにします。

空力テストでは、風洞は、様々な物体やスケールされた航空機の空力特性を決定する上で非常に重要です。風洞データは、テストセクション内に取り付けられたテストモデルに制御された空気の流れを適用することによって生成されます。通常、テストモデルのジオメトリは似ていますが、実際のオブジェクトと比較して縮尺は小さくなります。

風洞試験で生成されたデータの有用性を確保するためには、風洞流れ場と実際の物体上の実際の流れ場との動的な類似性を確保する必要があります。動的な類似性を維持するには、風洞実験のレイノルズ数は、テスト中の流れ現象のレイノルズ数と同じでなければなりません。

しかし、同じテストレイノルズ数でも風洞や自由気で行われる実験は、風洞試験区内の自由流の乱流の影響により、異なる結果を提供することができます。これらの違いは、風洞に対してより効果的なレイノルズ数として認識される場合があります。では、風洞でのテストを自由空実験とどのように関連付けるにはどうすればよいでしょうか。

球のような既知の流れ挙動を持つ明確に定義された物体を使用して、風洞内の自由流の乱流の強度を推定することができます。このメソッドは、乱流球法と呼ばれています。乱流球法は、球引き下げ危機と呼ばれるよく研究された状態に依存しています。

球体ドラッグクライシスは、レイノルズ数が臨界値に達すると球のドラッグ係数が突然低下する現象を表します。流れが重要なレイノルズ数に達すると、境界層は層積層から球の前端に非常に近い乱流に遷移します。この遷移は、低レイノルズ数の流れと比較して、遅延流量分離とより薄い乱流覚醒を引き起こし、ドラッグを減少させる。

したがって、テストレイノルズ数の範囲で球のドラッグ係数を測定し、重要なレイノルズ数を決定することができます。これにより、テストレイノルズ数をレイノルズ数の有効数に相関させる乱流係数を決定することができます。

本実験では、風洞といくつかの異なる乱流球を組み込んだ圧力タップを用いた乱流球法を実証する。

この実験では、空力風洞と直径の変化する複数の乱流球を利用して、トンネル試験部の自由流流の乱流レベルを決定します。乱流球は、それぞれ先端に圧力タップを備え、後縁から22.5°に位置する4つの圧力タップを備えており、風洞の乱流を分析するのに役立ちます。

実験を設定するには、まず風洞ピトー管を圧力スキャナポート番号1に接続します。次に、風洞静的圧力ポートをポート番号 2 に接続します。次に、外部残高をロックします。風洞内のバランスサポートの球支柱を固定します。

次に、球体に6を取り付します。リーディングエッジ圧力タップを圧力スキャナポート番号3に接続し、4つの後方圧力タップをポート4に接続します。空気供給ラインを圧力レギュレータに接続し、圧力を65 psiに設定します。次に、圧力スキャナのマニホールドを65psiで調整された圧力ラインに接続します。

データ集録システムと圧力スキャナを起動します。システムが平衡化している間、滑らかな球のための自由空気臨界レイノルズ数に基づいてテストに必要な最大動的圧力、q maxを推定します。

ここでは、各球の最初と 2 番目の検定に推奨されるテストパラメータを一覧表示します。次に、これらのパラメータを使用して、0 から q max までの動的圧力テスト範囲を定義し、範囲を 15 の間隔に分割してテストポイントを定義します。

実験を実行する前に、部屋の気圧を読み取り、値を記録します。また、室温を読み取り、その値を記録します。マノメーターメーカーが提供する方程式を使用して、室温と地理位置情報を使用して気圧に補正を適用します。

次に、最初にスキャンプログラムを開いてデータ取得ソフトウェアをセットアップします。次に、適切なIPアドレスを設定し、接続を押すことによって、圧力センサからの信号を読み取り、校正するソフトウェアDSM 4000を接続します。製造元によって定義されているコマンドを挿入し、各コマンドの後に enter キーを押すことを忘れないでください。

ソフトウェアの準備が整いましたので、テストセクションと風洞に破片や緩い部品がないことを確認します。次に、テストセクションのドアを閉じて、風洞の速度がゼロに設定されているかどうかを確認します。風洞をオンにし、風洞冷却システムをオンにします。

風速がゼロに等しい状態で、データ集録システムでデータの記録を開始し、コマンドスキャンを入力して圧力測定を開始します。次に、風洞温度を記録します。風速は動的圧力に直接関係するため、次の動的圧力試験点に到達するまで風速を上げます。その後、対気速度が安定するまで待ち、再び圧力スキャンを開始します。必ず風洞の温度を記録してください。各動的圧力ポイントで圧力スキャンを行い、毎回風洞温度を記録して実験を続けます。6 インチの球体に対してすべてのポイントを測定したら、4.987 インチおよび 4 インチの乱流球の安定化と圧力スキャンの実験を繰り返します。

球体ごとに、圧力ポート3の停滞圧力と後方ポートの圧力を減算して圧力差、デルタPを測定した。また、試験部の総圧力、Pt、圧力ポート1と静圧、Ps、圧力ポート2から、試験動的圧力を決定するために使用されるqを測定した。

次に、正規化された圧力を計算し、これは動的圧力で割った圧力差に等しい。空気圧や気流温度も記録し、気流特性の計算を可能にしました。テストセクションにスロットがあることを思い出してください。したがって、試験部に流圧勾配がないと仮定すると、フリーストリーム流の局所静圧の絶対値を周囲の空気圧として使用することができる。

密度は、サザーランドの式を使用して得られる理想的なガス法則と粘度を使用して得られます。空気密度と粘度が決定されたら、レイノルズ数を計算できます。ここでは、レイノルズ数と正規化された圧力差のプロットを示し、デルタPをq以上に示す。

このプロットを使用すると、クリティカルレイノルズ数は正規化された圧力値 1.22 に対応するため、各球のクリティカルレイノルズ数を決定できます。各クリティカルレイノルズ数で、乱流係数と有効なレイノルズ数を評価できます。乱気流係数は、風洞内の乱流の強度と相関します。

要約すると、フリーストリーム乱流が風洞でのテストにどのように影響するかを学びました。次に、いくつかの滑らかな球を使用して、風洞流の乱流係数と強度を決定し、その品質を評価しました。

Results

球ごとに停滞圧力と後方ポートの圧力を測定した。これら2つの値の違いは、圧力差を与えます, ΔP.試験部の総_{圧力、Pt、}及び静圧、Psも測定され、これは試験動的圧力、q=Pt-Ps、および正規化された試験動的圧力を決定するために用いられる。圧力. 周囲の気圧、P _amb、および気流温度も記録され、空気密度、ε_試験、および粘度、μ_試験を含む気流特性を計算した。密度は理想的なガス法則を用いて得られ、サザーランドの式を用いて粘度が得られる。空気密度と粘度が決定されると、テストレイノルズ数を計算できます。

正規化された圧力差に対する試験レイノルズ数をプロットすることにより、各球の臨界レイノルズ数が決定された(図1)。臨界レイノルズ数は、正規化された圧力値= 1.220 に対応します。3 つの球の 3 つのカーブは、平均値が使用されるため、重要なレイノルズ数である Re_{C_トンネル}のより正確な推定値を提供します。Re_{C_トンネル}推定値では、乱流係数、TF、および有効なレイノルズ数は、次の式に従って決定できます。

そして

図 1.各球のクリティカルレイノルズ番号。

Applications and Summary

乱流球は、風洞乱流係数を決定し、乱流強度を推定するために使用されます。これは、風洞の流れの品質を評価するのに非常に便利な方法です。この方法は、ホットワイヤー麻酔や粒子画像速度測定などの空気速度と速度の変動を直接測定するものではなく、風洞の流量の完全な調査を提供することはできません。しかし、完全な調査は非常に面倒で高価であるため、風洞乱流強度の定期的なチェックには適していません。

乱流係数は、風洞に小さな変更を加えて流れの質を測定するなど、定期的にチェックすることができます。これらのクイックチェックは、完全な流れ乱流調査の必要性を示している可能性があります。乱気流係数から得られるその他の重要な情報は、風洞の有効なレイノルズ数です。レイノルズ数のこの修正は、スケーリングされたモデルとそのアプリケーションから取得したデータの動的な類似性と有用性を確実にするために重要です。

乱流球原理は、風洞試験部以外の他の環境での乱流レベルを推定するためにも使用できます。たとえば、この方法を使用して、機内乱流を測定できます。乱流プローブは乱流球の原理に基づいて開発され、飛行機に設置して大気中の乱流レベルをリアルタイムで測定することができます[2]。

もう一つの用途は、ハリケーンの間の流れ構造の研究です。ハリケーン内部の流れのその中の測定では、取得することは非常に危険で複雑なことができます。ホットワイヤー麻酔や粒子画像のベロシメトリーのような方法は、これらの条件では達成不可能です。乱流球原理は、ハリケーンが発生しやすい地域に配置できる消耗品測定システムを作成し、ハリケーン内部の流れの乱れを安全かつ低コストで測定するために使用できます[3]。

名前	会社	カタログ番号	コメント
機器
低速風洞	Sdsu		0-180 mphの範囲の速度が付いている閉鎖された戻りのタイプ
低速風洞	Sdsu		テストセクションサイズ45W-32H-67Lインチ
滑らかな球	Sdsu		3つの球、直径4″、4.987″、6″
ミニチュア圧力スキャナ	スキャニバルブ	ZOC33
デジタルサービスモジュール	スキャニバルブ	DSM4000
バロメーター
マノメータ	メリアム・インスツルメンツ株式会社	34FB8	10″の範囲の水のマノメーター。
温度計

References

Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.

Transcript

In aerodynamics testing, wind tunnels are invaluable to determining the aerodynamic properties of various objects and scaled aircraft. Wind tunnel data is generated by applying a controlled flow of air to a testing model, which is mounted inside the test section. The testing model typically has similar geometry, but at a smaller scale, as compared to the real object.

In order to ensure usefulness of the data generated in wind tunnel tests, we must ensure dynamic similarity between the wind tunnel flow field and the actual flow field over the real object. To maintain dynamic similarity, the Reynolds number of the wind tunnel experiment must be the same as the Reynolds number of the flow phenomenon being tested.

However, experiments performed in wind tunnels or in free-air even with the same test Reynolds number can provide different results due to the effects of free-stream turbulence inside the wind tunnel test section. These differences may be perceived as a higher effective Reynolds number for the wind tunnel. So how do we correlate testing in the wind tunnel to free-air experiments?

We can estimate the intensity of the free-stream turbulence in the wind tunnel using a well-defined object with known flow behavior, like a sphere. This method is called the turbulence sphere method. The turbulence sphere method relies on the well-studied condition called the sphere drag crisis.

The sphere drag crisis describes the phenomenon where the drag coefficient of a sphere suddenly drops as the Reynolds number reaches a critical value. When the flow reaches the critical Reynolds number, the boundary layer transitions from laminar to turbulent very close to the leading edge of the sphere. This transition, as compared to flow at a low Reynolds number, causes delayed flow separation and a thinner turbulent wake and thus decreased drag.

Therefore, we can measure the drag coefficient of a sphere at a range of test Reynolds numbers to determine the critical Reynolds number. This enables us to determine the turbulence factor, which correlates the test Reynolds number to the effective of Reynolds number.

In this experiment, we will demonstrate the turbulence sphere method using a wind tunnel and several different turbulence spheres with built-in pressure taps.

This experiment utilizes an aerodynamic wind tunnel as well as several turbulence spheres with varying diameter to determine the turbulence level of the free-stream flow in the tunnel test section. The turbulence spheres, each with a pressure tap at the leading edge as well as 4 pressure taps located 22.5° from the trailing edge, have well-defined flow characteristics, which help us analyze turbulence in the wind tunnel.

To set up the experiment, first connect the wind tunnel pitot tube to pressure scanner port number 1. Then, connect the wind tunnel static pressure port to port number 2. Now, lock the external balance. Fix the sphere strut in the balance support inside the wind tunnel.

Then, install the 6 in sphere. Connect the leading edge pressure tap to the pressure scanner port number 3 and connect the four aft pressure taps to port 4. Connect the air supply line to the pressure regulator, and set the pressure to 65 psi. Then, connect the manifold of the pressure scanner to the pressure line regulated at 65 psi.

Start up the data acquisition system and pressure scanner. While the system equilibrates, estimate the maximum dynamic pressure, q max, necessary for the test based on the free-air critical Reynolds number for a smooth sphere.

Here, we list the recommended test parameters for the first and second test of each sphere. Now, using these parameters, define the dynamic pressure test range from zero to q max, and then define the test points by dividing the range into 15 intervals.

Before running the experiment, read the barometric pressure in the room and record the value. Also, read the room temperature and record its value. Apply the corrections to the barometric pressure using the room temperature and the geolocation using equations supplied by the manometer manufacturer.

Now, set up the data acquisition software by first opening the scanning program. Then, connect the software DSM 4000, which reads and calibrates the signal from the pressure sensor, by setting the proper IP address and pressing connect. Insert the commands as shown, which are defined by the manufacturer, remembering to press enter after each command.

Now that the software is ready, check to make sure that the test section and wind tunnel are free from debris and loose parts. Then, close the test section doors and check to see that the wind tunnel speed is set to zero. Turn on the wind tunnel, and then turn on the wind tunnel cooling system.

With the wind speed equal to zero, start recording data on the data acquisition system, then type the command scan to start pressure measurement. Then, record the wind tunnel temperature. Since wind speed is directly related to the dynamic pressure, increase the wind speed until you reach the next dynamic pressure test point. Then, wait until the air speed stabilizes and commence the pressure scan again. Be sure to record the wind tunnel temperature. Continue the experiment by conducting a pressure scan at each of the dynamic pressure points, recording the wind tunnel temperature each time. When all points have been measured for the 6-inch sphere, repeat the stabilization and pressure scan experiment for the 4.987 inch and 4-inch turbulence spheres.

For each sphere, we measured the stagnation pressure at pressure port 3 and the pressure at the aft ports via pressure port 4, which are subtracted to give the pressure difference, delta P. We also measured the test section total pressure, Pt, from pressure port one and the static pressure, Ps, from pressure port two, which are used to determine the test dynamic pressure, q.

Then we can calculate the normalized pressure, which is equal to the pressure difference divided by the dynamic pressure. The air pressure and the airflow temperature were also recorded, enabling the calculation of airflow properties. Recall that there is a slot in the test section, meaning that it is open to ambient air. Therefore, assuming that there is no streamwise pressure gradient in the test section, the absolute value of the local static pressure of the free-stream flow can be used as the ambient air pressure.

The density is obtained using the ideal gas law and the viscosity obtained using Sutherland’s formula. Once the air density and viscosity have been determined, we can calculate the Reynolds number. Here we show a plot of the Reynolds number versus the normalized pressure difference, delta P over q.

Using this plot, we can determine the critical Reynolds number for each sphere, since the critical Reynolds number corresponds to a normalized pressure value 1.22. With each critical Reynolds number, we can evaluate the turbulence factor and the effective Reynolds number. The turbulence factor is correlated to the intensity of the turbulence in the wind tunnel.

In summary, we learned how the free-stream turbulence affects testing in a wind tunnel. We then used several smooth spheres to determine the turbulence factor and intensity of the wind tunnel flow and evaluate its quality.

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