8.6: 교차 원통형 흐름: 압력 분포 측정 및 항력 계수 추정

1. 실린더 주위의 압력 분포 측정

1. 풍동의 테스트 섹션의 상단 덮개를 제거하고 턴테이블(그림3)에24개의 내장 포트가 있는 깨끗한 알루미늄 실린더(d = 4인치)를 장착합니다. 포트 0이 업스트림을 향할 수 있도록 실린더를 설치합니다(그림4a).
2. 상단 덮개를 교체하고 0 - 23이라고 표시된 24개의 압력 튜브를 기마계 패널의 해당 포트에 연결합니다. 기마계 패널은 유색 기름으로 채워져야하지만 물에 표시해야합니다.
3. 풍전을 켜고 60mph에서 실행합니다. 기마계를 읽으면서 24개의 압력 측정을 모두 기록합니다. 이 비행 속도에서 레이놀즈 번호는 1.78 x 10^5입니다. 예상 유동 패턴은 도 2d에표시됩니다.
4. 모든 측정값이 기록되면 윈드 터널을 끄고 실린더에서 두 개의 문자열(d = 1mm)을 수직으로 테이프로 돌려 방해된 실린더를 만듭니다. 포트 3과 4(θ = 52.5°) 및 포트 20과 21(θ = 307.5°) 사이에 하나의 문자열을 테이프로 묶습니다. 그림 4b에표시된 대로 근처의 포트가 테이프에 의해 차단되지 않았는지 확인합니다.
5. 풍구를 켜고 3단계를 반복합니다. 모든 압력 측정을 기록합니다.

그림 3. 교차 원통형 흐름의 게이지 압력 측정 레이아웃.

그림 4. 풍터널에 실린더를 설치합니다(압력 포트는 실린더 의 중간에 있음).

그림 5. 기마계 패널.

유체가 실린더와 같은 물체 주위로 흐르면 물체에 가까운 압력과 속도가 지속적으로 변합니다. 비점성 전위 흐름 이론에 따르면 실린더 주변의 압력 분포는 수평뿐만 아니라 실린더의 수직, 상류 및 하류에서도 대칭입니다. 그 결과 순 항력은 0이 됩니다.

그러나 실험 결과는 점성 전위 이론이 실제와 크게 다른 유체 점도를 고려하지 않기 때문에 다른 흐름 패턴, 압력 분포 및 항력 계수를 제공합니다. 유체의 점도를 고려하면 실린더 주변의 실제 흐름 패턴을 더 잘 이해할 수 있습니다.

첫째, 경계층은 점성력의 결과로 실린더를 따라 개발됩니다. 이러한 점력은 물체의 표면을 가로질러 이동하는 유체의 마찰로 인해 발생하는 항력인 피부 마찰 항력을 유발합니다.

실린더는 절벽 몸체이기 때문에 유선형이 아니기 때문에 흐름 분리가 발생하고 물체 뒤에 저압 후류가 형성됩니다. 이것은 압력 차이로 인해 훨씬 더 큰 형태의 항력으로 이어집니다.

이 흐름 패턴의 특성은 레이놀즈 수에 따라 달라집니다. 레이놀즈 수는 유체를 설명하는 데 사용되는 무차원 숫자이며 점성력에 대한 관성력의 비율입니다. Rho 무한대는 유체의 밀도, V 무한대는 자유 스트림 속도, D는 실린더의 직경, mu는 유체의 동적 점도입니다.

약 4의 레이놀즈 수 아래에서 흐름 패턴은 실린더 뒤의 흐름 분리가 거의 없음을 보여줍니다. 레이놀즈 수가 증가하면 흐름 분리가 증가합니다. 약 40의 레이놀즈 수 아래에서, 우리는 후류에서 고정된 한 쌍의 소용돌이를 볼 수 있습니다.

레이놀즈 수가 높을수록 소용돌이는 소용돌이 흘리기(vortex sheding)라고 하는 과정에 의해 발생하는 교대 소용돌이 패턴이 있는 소용돌이 거리로 이동합니다. 훨씬 더 높은 레이놀즈 수에서는 층류 경계층이 난류로 전이된 후 후류가 무질서해집니다.

마지막으로, 매우 높은 레이놀즈 수와 난류에서 우리는 후류가 더 좁아지고 완전히 난류가 되는 것을 볼 수 있습니다.

이 실험실에서는 24개의 압력 포트가 있는 실린더에 풍동에서 유체 흐름을 적용합니다. 그런 다음 각 압력 탭에서 압력 측정값을 사용하여 압력 분포를 검사하고 실린더의 항력을 결정합니다.

이 실험에서는 테스트 섹션이 1피트 x 1피트인 공기역학 풍동을 사용합니다. 또한 압력 튜브용 24개의 내장 포트가 있는 알루미늄 실린더를 구하십시오. 24개의 열이 있는 압력계 패널도 필요합니다.

시작하려면 먼저 테스트 섹션의 상단 덮개를 제거하십시오. 테스트 섹션 하단의 슬릿을 통해 실린더 포트에 연결하는 튜브를 삽입합니다. 그런 다음 턴테이블 위에 실린더를 장착하고 포트 제로가 상류를 향하도록 방향을 지정합니다.

테스트 섹션의 상단 덮개를 교체하고 0에서 23까지 표시된 24개의 압력 튜브를 압력계 패널의 해당 포트에 연결합니다.

모든 튜브가 제대로 연결되면 풍동을 시작합니다. 풍속을 시속 60마일로 높이고 압력계를 판독하여 24개의 압력 측정값을 모두 기록합니다. 이제 풍속을 다시 0으로 설정하고 풍동을 끕니다. 테스트 섹션을 엽니다.

이제 포트 3과 4 사이에 1mm 직경의 스트링을 수직으로 고정하여 실린더를 수정하며, 이는 52.5μ와 동일한 세타에 해당합니다. 끈을 제자리에 테이프로 붙이는 동안 가능한 한 똑바로 유지하십시오. 포트 20과 21 사이에 다른 문자열을 테이프로 붙입니다(307.5?와 같은 theta). 이 끈은 공기 흐름을 방해합니다. 포트가 흐름 압력을 감지할 수 있도록 핀을 사용하여 파란색 테이프를 통해 구멍을 뚫습니다.

그런 다음 테스트 섹션을 닫습니다. 풍동을 다시 켜고 풍속을 시속 60마일로 다시 높입니다. 압력계를 사용하여 24개의 압력 측정값을 기록합니다.

완료되면 풍속을 다시 0으로 설정하고 풍동을 끕니다. 압력계에서 튜브를 분리합니다. 그런 다음 테스트 섹션을 열고 실린더를 제거합니다.

이제 결과를 해석해 보겠습니다. 먼저, 시속 60마일인 자유 스트림 속도를 사용하여 레이놀즈 수를 결정할 수 있습니다. 실린더의 직경, 점도 및 자유 흐름의 밀도가 알려져 있습니다. 따라서 레이놀즈 수는 1.78 x 105와 같습니다.

이 레이놀즈 수에서는 그림과 같은 흐름 패턴을 기대할 수 있으며, 여기서 흐름 분리가 발생하고 실린더 뒤에서 난류 저압 후류가 발생합니다. 이 압력 차이는 항력으로 이어집니다.

이제 이 경우 깨끗한 실린더에 대한 실험 데이터를 살펴보겠습니다. 대칭으로 인해 포트 1에서 12까지만 살펴보겠습니다. Theta는 포트의 각도 위치이고 P-Gage는 압력계 판독값입니다.

먼저, 각 포트에 대한 무차원 압력 계수를 계산하며, 여기서 rho 무한대와 V 무한대는 각각 자유 스트림 밀도와 속도입니다. 교란된 실린더에 대해 동일한 계산을 수행합니다.

각 실린더에 대한 실험 결과를 이상과 비교하여 그래프를 그리면 정체점 또는 세타가 0이고 압력 계수가 깨끗한 실린더와 교란된 실린더 모두에 대해 최대임을 알 수 있습니다. 세타가 60°가 되기 전에는 깨끗하고 흐트러진 실린더가 이상적인 데이터와 잘 일치합니다.

60° 이후에는 실린더 뒤쪽에 저압 영역을 형성하기 때문에 이상에서 벗어납니다. 예상되는 흐름 패턴을 상기하면 흐름 패턴의 후류 영역에서 난류 소용돌이와 소용돌이를 볼 수 있음을 알 수 있습니다. 이 현상은 두 실린더에 대해 측정된 저압 영역과 잘 일치합니다.

그러나 둘 사이의 차이점은 스트링이 실린더에 추가된 곳에서 발생하며, 깨끗한 실린더는 교란된 실린더보다 후류에서 더 낮은 압력 영역을 경험합니다. 이는 흐름 분리가 발생하기 전에 방해받은 흐름이 실린더 주위를 더 감싸는 경향이 있기 때문입니다. 층류로 시작하는 경계층은 교란 직후 난류로 전환됩니다.

유동 분리 전에 항상 층류인 깨끗한 실린더보다 교란된 실린더를 더 많이 감싸는 것을 볼 수 있습니다. 방해받은 흐름은 후류에서 더 높은 역압을 갖기 때문에 항력이 더 낮아야 합니다. 이 가설을 확인해보자.

먼저 각 압력 포트의 각도 위치, 인접 포트와의 각도 거리, 각 포트의 게이지 압력 및 실린더의 반경을 사용하여 그림과 같이 항력 FD를 계산합니다. 각 실린더에 대한 항력을 계산하면 각 원통에 대한 비차원 항력 계수 CD를 계산할 수 있습니다.

예상대로 방해받은 실린더의 항력 계수는 깨끗한 실린더보다 낮습니다. 이러한 결과는 골프공에 보조개가 있는 이유도 설명합니다. 딤플은 난류 경계층 흐름을 유발하여 항력을 낮춥니다.

요약하면, 우리는 다양한 레이놀즈 수에서 관찰되는 특징적인 흐름 패턴과 난류 흐름으로의 전환에 대해 배웠습니다. 그런 다음 풍동에서 실린더에 교차 흐름을 적용하고 표면을 따라 압력 분포를 측정하여 각각의 항력을 결정했습니다.