난류 측정
출처: 리카르도 메지아 알바레즈와 후삼 히크마트 자바, 기계 공학과, 미시간 주립 대학, 이스트 랜싱, MI
난류 흐름은 적절한 특성에 대해 높은 시간 해상도를 가진 계측기가 필요한 매우 높은 주파수 변동을 나타낸다. 핫 와이어 적층계는 이 요구 사항을 충족하기에 충분…
- 슬릿, W의너비를 측정하고 이 값을 표 1에 기록합니다.
- 핫와이어 적층계를 중심선을 따라 x = 1.5W와 같은 출구에서 멀리 떨어진 거리에서 설정합니다. 표 2에서 이 스트림방향으로 위치를 기록합니다. 중심선은 스팬와이즈 좌표(y=0)의 원점이다.
- 제트를 횡단하기 위한 데이터 수집 프로그램을 시작합니다. 총 5000개의 샘플(예: 10s 데이터)에 대해 샘플 속도를 500Hz로 설정합니다.
- 테이블 3에서 핫와이어의 현재 스팬위 위치를 기록합니다.
- 데이터를 수집합니다.
- 데이터 수집 시스템은 방정식(1) 및 (4)를 사용하여 해당 데이터 집합의 평균 속도 및 난류 강도를 계산합니다.
- 이 두 값을 표 3에 기록합니다.
- 핫와이어를 다음(양수) spanwise
위치(mm)로 이동합니다. - 평균 속도와 난류 강도 모두에서 눈에 띄는 변화가 없을 때까지 5~ 8단계를 반복합니다.
- 핫 와이어를 다시 중심으로 이동합니다.
- 핫와이어를 다음(음수) spanwise
위치(mm)로 이동합니다. - 데이터를 수집합니다.
- 데이터 수집 시스템은 방정식(1) 및 (4)를 사용하여 해당 데이터 집합의 평균 속도 및 난류 강도를 계산합니다.
- 이 두 값을 표 3에 기록합니다.
- 평균 속도와 난류 강도 모두에 눈에 띄는 변화가 없을 때까지 11에서 14 단계를 반복합니다.
- 핫 와이어를 다시 제트기의 중심선으로 이동합니다.
- 다운스트림 방향으로 제트기의 중심선을 따라 핫와이어를 새 위치(예: x = 3W)로이동합니다.
- 원하는 만큼 스트림 방향으로 위치(예: x = 1.5W,3W, 6W, 9W)에대해 4~17단계를 반복합니다.
표 1 . 실험 연구를 위한 기본 매개 변수입니다.
| 매개 변수 | 값 |
| 슬릿 너비(W) | 19.05 mm |
| 공기 밀도(r) | 1.2 kg/m3 |
| 트랜스듀서 교정 상수(m_p) | 76.75 Pa/V |
| 교정 상수 A | 5.40369 V2 |
| 교정 상수 B | 2.30234 V2(m/s)-0.65 |
그림 4. 유량 시스템의 흐름 제어. plenum 의 상단에 스택은 제트 슬릿에서 흐름을 우회하여 제트기의 출구 속도를 제어 할 수있는 목적을 제공합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
난류는 다양한 엔지니어링 및 자연 발생 시스템에서 중요한 역할을 합니다. 결과적으로, 흐름을 특성화하기 위해 시스템 내에서 측정을 수행해야 하는 경우가 많습니다. 난류 흐름은 매우 높은 빈도의 변동을 나타내므로 난류를 측정하고 특성화하는 데 사용되는 모든 기기는 이러한 변화를 해결할 수 있을 만큼 충분히 높은 시간 분해능을 가져야 합니다. 열선 풍속계는 작고 견고하며 유용한 결과를 얻을 수 있을 만큼 빠르기 때문에 이러한 측정에 자주 사용됩니다. 이 동영상은 보정된 열선 풍속계 프로브를 사용하여 자유 제트 내의 여러 위치에서 속도 및 난류를 측정한 다음 데이터의 기본 통계 분석을 수행하여 난류장을 특성화하는 방법을 보여줍니다.
난류는 속도, 압력 및 소용돌이와 같은 흐름 변수의 높은 무작위 변동으로 입증될 수 있습니다. 이러한 변동은 유동장 내에서 일관된 움직임 간의 비선형 상호 작용의 결과이므로 난류 측정에서 볼 수 있는 고주파 진동은 무작위 전자 잡음의 결과가 아닌 실제 물리적 효과에서 비롯된 것입니다. 난류 흐름에 대한 고전적인 설명은 흐름 변수의 평균값과 시간에 따른 해당 변동의 결정을 포함합니다. 예를 들어, 오버 바(over bar)로 표시되는 평균 속도는 측정 시간에 대한 순간 속도를 통합하고 통합 영역의 크기로 스케일링하여 구합니다. 디지털 수집 시스템과 같은 이산 측정의 경우, 적분은 수치로 해결되어야 합니다. 평균 속도가 발견되면 원래 신호에서 빼서 소수로 표시된 시간 종속 변동 및 속도를 산출할 수 있습니다. 이러한 정의에서 변동 필드의 평균이 0임을 쉽게 보여줄 수 있습니다. 결과적으로, 변동 필드에 대한 보다 적절한 통계적 설명자가 필요합니다. 매우 일반적인 측정값은 변동의 제곱근 평균 제곱근 또는 RMS입니다. 이 메트릭은 변수가 적분 전에 제곱되고 결과의 제곱근이 취해진다는 점을 제외하고는 평균과 유사합니다. 난류 강도는 속도의 RMS에 의해 주어지며 이 측정은 다음 섹션에서 자유 제트에 대해 시연됩니다. 자유 제트기의 평균 속도는 처음에는 평평한 상단 프로파일을 가지고 있으며 주변 공기가 제트로 유입되어 제트가 전파됨에 따라 부드러워집니다. 이 동반은 또한 제트가 하류로 흐를 때 제트의 선형 운동량이 스팬 방향으로 확산되어 제트가 전파됨에 따라 제트가 넓어지게 합니다. 제트와 주변 공기 사이의 상호 작용 영역을 혼합층이라고 하며 이 영역은 제트가 하류로 이동함에 따라 중심선을 향해 성장합니다. 이것은 제트 출구와 혼합층이 중심선에 도달하는 지점에 의해 스트림 방향 방향으로 구분되는 전위 코어로 알려진 제트 내부에 영역을 남깁니다. 잠재적 코어는 주변 환경과의 상호 작용에 의해 영향을 받지 않은 영역입니다. 중심선에서 전위 코어는 제트 출구 너비의 약 4배까지 하류로 확장됩니다. 이제 난류 측정의 기본 사항에 익숙해졌으므로 이것이 자유 제트를 특성화하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 살펴보겠습니다.
설정을 시작하기 전에 시설의 레이아웃 및 안전 절차를 숙지하십시오. 이 실험은 열선 풍속계 교정에 사용된 것과 동일한 유량 시스템에서 수행되며 데이터 수집 시스템도 동일한 방식으로 설정해야 합니다. 데이터 수집 소프트웨어에서 샘플링 속도를 500 Hertz로 설정하고 총 샘플을 5,000으로 설정합니다. 상수 n, A, B를 보정에서 결정된 값과 일치하도록 업데이트합니다. 이제 흐름 시설을 설정합니다. 보정된 스페이서를 사용하여 슬릿 폭을 19.05mm 또는 3/4인치로 설정한 다음 열선 풍속계를 출구에서 슬릿 폭의 1.5배인 제트기의 대정맥 수축으로 변환합니다. 슬릿 위의 풍속계부터 시작하여 오실로스코프의 신호가 최소 변동에 도달할 때까지 높이를 낮춥니다. 제트의 중심선에 해당하는 이 수직 위치를 기록하십시오. 이제 신호 변동이 최대가 되고 이 위치가 제트의 상부 전단층에 해당할 때까지 풍속계를 다시 변환합니다. 유속이 최대화되도록 블랭크 오리피스 플레이트를 스택에 삽입한 다음 흐름 시설을 켭니다. 일정한 흐름이 설정되면 데이터 수집 시스템을 사용하여 제트기의 이 지점에서 평균 속도와 난류 강도를 측정하고 이러한 값을 기록합니다. 이제 풍속계를 스팬 방향으로 2mm 아래로 이동하고 평균 속도와 난류 강도를 다시 측정합니다. 풍속계를 2mm씩 계속 낮추고 두 측정값에서 눈에 띄는 변화가 없을 때까지 측정합니다. 최종 높이를 기록한 후 같은 거리만큼 중심선 아래에 있을 때까지 풍속계를 아래로 이동합니다. 풍속계가 중심선으로 돌아올 때까지 측정 및 이동을 재개합니다. 완료되면 제트 출구에서 슬릿 너비의 3배가 될 때까지 풍속계를 다운스트림으로 이동합니다. 첫 번째 위치에서 사용한 것과 동일한 절차에 따라 이 새로운 스트림 방향 위치에서 제트 프로파일을 측정합니다. 제트 출구에서 슬릿 너비의 6배 및 9배에서 제트 프로파일 측정을 반복합니다. 측정을 완료한 후 흐름 시설을 종료합니다.
데이터를 살펴보세요. 각 흐름별 위치에서는 일련의 스팬별 지점에서 취해진 평균 속도와 난류 강도를 측정합니다. 먼저 평균 속도를 스팬별 위치의 함수로 플로팅합니다. 중심선 값으로 값을 스케일링하고 곡선이 50% 임계값과 교차하는 점을 찾아 필요에 따라 보간합니다. 이 점들은 이 흐름별 위치에서 제트 폭 델타를 정의합니다. 차이를 취하여 너비를 계산합니다. 이 경우 너비는 약 21.5mm입니다. 이제 서로 다른 흐름선 위치에서 평균 중심선 속도와 제트 폭을 비교합니다. 중심선 속도는 기본적으로 전위 코어로 인해 출구에서 슬릿 폭의 약 4배까지 변경되지 않지만 이 거리를 초과하면 감소합니다. 거리에 따른 제트 폭의 증가는 주변 공기가 동반됨에 따라 제트의 선형 운동량이 스팬 방향으로 퍼진다는 것을 나타냅니다. 이제 난류 강도를 스팬별 위치의 함수로 플로팅합니다. 혼합은 제트와 주변 환경 사이의 경계에서 발생하기 때문에 난류 강도는 중심선에서 멀어질수록 최고조에 달합니다.
난류는 과학 및 엔지니어링 응용 분야에서 흔히 볼 수 있습니다. 환기, 난방 및 공조와 같은 엔지니어링 응용 분야에서의 평가를 위해 덕트에 도입되고 방사상으로 횡단하는 휴대용 열선 프로브를 사용하여 속도 프로파일을 얻는 것이 일반적입니다. 그런 다음 엔지니어는 이 정보를 사용하여 새로 설치된 유량 시스템의 균형을 조정하여 적절한 작동을 보장하거나 오작동하는 시스템의 문제를 해결하고 작동을 방해하는 문제를 해결합니다. 새로운 지상, 공중 또는 해양 차량 또는 구조물이 난류 흐름의 힘을 견디도록 설계된 경우 바람 또는 물 터널의 실제 흐름 조건에서 성능을 테스트해야 합니다. 대기 또는 해양에서 발생하는 난류 조건을 시뮬레이션하기 위해 들어오는 흐름은 능동 또는 수동 그리드로 방해를 받을 수 있으며, 이로 인해 흐름에 상당한 변동이 발생할 수 있습니다. 그런 다음 연구 중인 차량 또는 구조물을 풍력 또는 수상 터널의 테스트 섹션에 장착하여 난류에 의해 도입된 하중에 어떻게 대처하는지 측정할 수 있습니다. 이러한 측정은 결과적인 항력 및 양력을 측정하는 공기역학적 저울을 사용하여 직접 수행할 수 있습니다. 또한 터널에서 테스트된 모델 주변의 속도는 성능과 관련된 중요한 정보를 제공할 수 있습니다. 이 특성화는 일반적으로 풍동에서 열선 풍속계로 이루어집니다.
여러분은 방금 Jove의 난류 측정에 대한 소개를 시청했습니다. 이제 유동 프로파일과 난류 강도를 측정하고 평가하기 위해 열선 풍속계를 배치하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Q1: Why do turbulent flows require high time-resolution instruments for measurement?
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations in velocity, pressure, and vorticity that result from nonlinear interactions between coherent motions. Instruments must have sufficient time resolution to capture these rapid changes. Hot wire anemometers are ideal because their short time-response allows them to resolve these high-frequency oscillations and provide accurate characterization of the turbulent field.
Q2: What is the potential core in a free jet and how does it change downstream?
The potential core is a region within the jet that has not been affected by interactions with surrounding air. It extends from the jet exit to where the mixing layer reaches the centerline, typically about four times the jet width. Beyond this point, the mixing layer continues growing toward the centerline as surrounding air is entrained, causing the potential core to disappear and the jet to widen.
Q3: How is turbulence intensity calculated from velocity measurements?
Turbulence intensity is calculated using the Root Mean Square (RMS) of velocity fluctuations. First, determine the average velocity by integrating instantaneous velocity over the measurement time. Subtract this average from the original signal to obtain fluctuations. Then square the fluctuations, integrate, and take the square root of the result to obtain the RMS value representing turbulence intensity.
Q4: What is the mixing layer in a turbulent jet and where does turbulence intensity peak?
The mixing layer is the region of interaction between the jet and surrounding air, which grows toward the centerline as the jet propagates downstream. Turbulence intensity peaks away from the centerline within the mixing layer because this boundary region experiences the most vigorous mixing and highest velocity gradients between the fast jet core and slower surrounding fluid.
Q5: How does jet width change as the jet propagates downstream?
Jet width increases as the jet travels downstream due to entrainment of surrounding air and span-wise spreading of linear momentum. The jet width is determined by finding points where the average velocity equals 50% of the centerline value. This widening continues throughout the jet's propagation, with the rate of expansion related to the entrainment of ambient fluid into the jet.
Q6: What practical applications use hot wire anemometry for turbulent flow assessment?
Hot wire anemometry is widely used in HVAC systems, where portable probes measure velocity profiles in ducting to balance newly-installed systems or troubleshoot malfunctions. In vehicle and structure design, hot wire anemometers characterize turbulent conditions in wind and water tunnels to evaluate performance under realistic flow loads. These measurements help engineers ensure proper system operation and assess aerodynamic performance.
Q7: How does the centerline velocity of a free jet behave at different downstream positions?
The centerline velocity remains essentially unchanged up to about four times the slit width from the jet exit due to the presence of the potential core. Beyond this distance, the centerline velocity decreases as the mixing layer reaches the centerline and the jet begins to decay. This transition marks the end of the potential core region and the beginning of the fully-developed jet region.