항온 풍속 측정: 난류 경계층 흐름 연구 도구

Constant Temperature Anemometry: A Tool to Study Turbulent Boundary Layer Flow
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Constant Temperature Anemometry: A Tool to Study Turbulent Boundary Layer Flow

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09:29 min
October 13, 2017

Overview

출처: 샤오펑 리우, 호세 로베르토 모레토, 제이미 도라도 항공우주공학과, 샌디에이고 주립대학교, 샌디에이고, 캘리포니아

경계층은 유동장에 침지된 고체 바디의 표면에 바로 인접한 얇은 유동 영역입니다. 이 지역에서점성 전단 응력과 같은 점성 효과는 유체와 고체 표면 사이의 마찰의 영향으로 인해 유동이 지연됩니다. 경계 층 의 외부, 흐름은 비스타, 즉, 마찰, 열 전도 또는 질량 확산으로 인한 소멸 효과가 없다.

경계 층 개념은 1904 년 Ludwig Prandtl에 의해 도입되었으며, 이는 견고한 몸위에 흐르는 처리를위한 Navier-Stokes (NS) 방정식에 상당한 단순화를 가능하게합니다. 경계 층 내부의 NS 방정식은 경계 레이어 방정식으로 감소되고 경계 층 외부에서는 NS 방정식의 단순화된 버전인 오일러 방정식에 의해 흐름을 설명할 수 있다.

그림 1. 플랫 플레이트를 통해 경계 층 이 개발됩니다.

경계 층 개발을위한 가장 간단한 경우는 발생률이 0 각도로 플랫 플레이트에서 발생합니다. 플랫 플레이트의 경계 층 개발을 고려할 때 경계 층 외부의 속도는 일정하므로 벽을 따라 압력 그라데이션이 0으로 간주됩니다.

고체 체면에서 자연적으로 발생하는 경계 층은 일반적으로 다음 단계를 거칩니다: 첫째, 라미나르 경계 층 상태; 둘째, 전환 상태 및 세 번째, 난류 경계 층 상태. 각 주에는 경계 레이어의 흐름 구조를 설명하는 자체 법률이 있습니다.

경계 층의 개발 및 구조에 대한 연구는 이론적 연구와 실용적인 응용 분야에서 매우 중요합니다. 예를 들어, 경계 층 이론은 선박, 항공기 및 터보 머신의 블레이드에 피부 마찰 드래그를 계산하기위한 기초입니다. 피부 마찰 드래그는 경계 층 내의 신체 표면에 생성되며 직접 접촉하는 유체 입자를 통해 표면에 가해지는 점성 전단 응력 때문입니다. 피부 마찰은 표면의 유체 점도 및 국소 속도 그라데이션에 비례하여 표면 정상 방향으로 기울어집니다. 피부 마찰 드래그는 전체 표면에 존재하므로 비행기 날개와 같은 넓은 영역에 걸쳐 유의하게됩니다. 또한 난류 유체 흐름은 더 많은 피부 마찰 드래그를 생성합니다. 거시적 난류 유체 모션은 높은 운동량으로 유체 입자를 표면으로 끌어내려 경계 층 내의 운동 전달을 향상시킵니다.

이 데모는 혼합 또는 데딩과 같이 흐름이 불규칙하고 평균 흐름에 변동이 중첩되는 플랫 플레이트 위에 난류 경계 층에 중점을 둡니다. 따라서, 난류 경계 층의 어느 시점에서의 속도는 시간의 함수이다. 이 데모에서는 일정한 온도 핫 와이어 적임제 또는 CTA가 경계 층 조사를 수행하는 데 사용됩니다. 이어서, 절제차트 방법은 난류 경계층에서 피부 마찰 계수를 계산하는 데 사용될 것이다.

Principles

난류 흐름은 혼합 또는 eddying 모션과 같은 불규칙한 변동이 평균 흐름에 중첩되는 흐름입니다. 난류 경계 층의 어느 지점에서든 속도는 시간의 함수입니다. 변동은 유동 필드의 모든 방향으로 발생할 수 있으며 유체의 거시적 덩어리에 영향을 미칩니다. 따라서, 모멘텀 수송은 라미나르 경계 층에서 현미경(또는 분자) 척도에서 발생하는 반면, 난류 경계 층에서 거시적 척도에서 발생한다. 이러한 거시적 덩어리의 크기는 난류의 크기를 결정합니다.

변동에 의한 효과는 점도가 증가한 것처럼. 그 결과, 경계층이 난류될 때 벽의 전단력과 드래그의 피부 마찰 성분이 훨씬 더 크다. 그러나 난류 경계 층이 더 긴 거리에 대한 불리한 압력 그라데이션을 협상할 수 있기 때문에 경계 층 분리가 지연되거나 완전히 피할 수 있습니다.

난류 흐름을 설명할 때, 로컬 속도 구성 요소를 평균 모션과 변동 동작의 합으로 표현하는 것이 편리합니다.

속도의 u 구성 요소의 시간 평균 값이며 변동속도는 어디입니까? 공간의 지정된 지점에서 시간 평균 값은 다음과 같이 계산됩니다.

통합 간격인 Δt는평균 속도 값으로 수렴되도록 변동 속도의 중요한 기간보다 훨씬 커야 합니다. 따라서, 정의에 의하면, 수렴된 평균 값은 시간, 즉.

플랫 플레이트의 경계 레이어의 경우 외부 속도는 일정합니다. 따라서 압력 그라데이션 용어는 0입니다. 이 단순화에도 불구하고 난류 경계 레이어에 대한 정확한 해결책은 없습니다. 그러나, 경계 층에 대한 광범위한 실험 및 분석 조사를 통해, 평균 속도의 접선 성분의 프로파일을 설명하는 흐름 구조 및 경험적으로 결정된 관계가 확립되었다.

벽 바로 근처에서 점성 전단이 지배합니다. 첫 번째 순서로 속도 프로파일은 선형입니다. 즉, y에 비례합니다. 따라서 벽 전단 응력은 다음과 같이 표현될 수 있습니다.

피부 마찰 속도라고 하며 다음과 같이 정의되는 곳:

여기서 θw는 피부 마찰, 즉 벽 전단 응력입니다. 피부 마찰은 일반적으로 피부 마찰 계수의 관점에서 표현된다, Cf,이는 로 정의된다 :

이러한 정의를 사용하면 라미나르 하위 계층의 경우 다음 관계가 유효합니다.

라미나르 하위 레이어에서 속도는 너무 작아서 점성 힘이 지배하고 난기류가 없습니다. 라미나르 하위 레이어의 가장자리는 5 ~ 10의 y+ 에 해당합니다.

1933년, Prandtl은 경계 층의 내부 영역에서의 평균 속도는 벽 전단 응력, 즉 피부 마찰, 유체 물속성 및 벽에서의 거리, y에 의존해야 한다고 추론했다. 따라서 내부 영역의 속도는 로그 법-더-월법에 의해 설명됩니다.

1930년, Von Kármán은 난류 경계 층의 외부 영역에서 평균 속도, 점도와 는 무관하지만 벽 전단 응력 및 거리, y에 의존하는 방식으로 자유 스트림 값 이하로 감소한다고 추론했습니다. 외부 지역의 속도는 다음을 통해 제공됩니다.

이는 깨어의 법칙으로 알려져있다. 이 방정식에서 경계 층 두께이며 다음과 같이 정의된 피부 마찰 속도입니다.

플랫 플레이트를 지나비압축성 흐름의 경우 상수는 다음과 같이 정의됩니다.

난류 경계 층 특성을 측정하는 적절한 기술은 가열 된 와이어에 흐름의 냉각 효과와 관련된 두 가지 원칙을 기반으로하는 핫 와이어 무모법에 의한 것입니다. 첫 번째 원리는 표면 을 통해 흐름의 열 전달을 기반으로합니다. 유체가 뜨거운 표면 위로 흐르면 대류 열 계수가 변경되어 해당 표면의 열 환율에 영향을 미치므로 표면 온도에 더 영향을 줄 수 있습니다.

두 번째 원칙은 전기 도체의 열 방출이 다음 방정식에 표시된 대로 제곱된 전기 도체에 적용되는 전기 전위에 비례한다는 것을 명시하는 Joule의 법칙입니다.

은 어디에, 나는 도체를 통해 전류, R은 도체의 전기 저항이며, U는 전기 전위이다. 하나는 프로브 단자에 적용 된 전기 잠재력을 측정하여 가열 된 금속 와이어 프로브를 둘러싼 유체 흐름의 속도를 상관화하기 위해 이러한 두 가지 원칙을 사용할 수 있습니다. 적용된 전위는 일정한 전류 적음제 또는 CCA인 와이어를 통해 일정한 전류를 유지하거나 와이어의 일정한 온도를 유지하는 데 사용될 수 있으며, 이는 일정한 온도 인 항모메트리 또는 CTA이다.

이 데모에서는 일정한 온도 적음부(CTA)를 사용하여 난류 경계 층 조사를 수행합니다. CTA는 고주파 반응을 가지며 큰 간섭 없이 작은 난류 스케일을 측정할 수 있는 널리 사용되는 종래의 흐름 진단 기술입니다. CTA 기술은 휘트스톤 브리지의 팔에 연결된 매우 얇은 금속 와이어(보통 백금 또는 텅스텐으로 만든 ≈ 5 μm)를사용합니다(그림 2). 와이어는 전류를 적용하여 일정한 온도로 가열됩니다. 냉각은 와이어 주변의 유체 흐름에 의해 발생합니다. 휘트스톤 브리지는 가열된 와이어 저항, 따라서 와이어 온도가 일정하게 유지되도록 흐름 속도 변화에 대응하여 와이어에 적용된 전기 전위를 제어합니다. 휘트스톤 브리지의 전기 전위 변화는 CTA의 신호 출력을 정의합니다.

따라서, 교량 전위수의 변화는 열 전달 계수의 기능이며, 여기서 열 전달 계수는 속도의 기능이다. 우리는 핫 와이어 장치를 실험적으로 보정하여 브리지의 공기 속도와 전기 잠재력 사이의 경험적 상관 관계를 얻을 수 있습니다. 여기에는 알려진 열 전달 관계를 사용하여 실험 데이터를 피팅하는 것이 포함됩니다.

그림 2. TSI 일정한 온도 방적계 모델 1750. (a) 적혈계 및 케이블 커넥터. (b) Rs가 핫와이어 프로브를 나타내는 전기 회로 다이어그램.

CTA를 사용하여 공기 속도를 계산하면, 우리는 평평한 플레이트에 피부 마찰 계수, Cf를추론 할 수 있습니다. 불행히도 피부 마찰 드래그의 직접 측정을 사용할 수 없으므로 간접 적인 방법이 그 값을 결정하는 데 사용됩니다. 절제차트 방법은 이러한 방법 중 하나입니다. Clauser 차트 방법에서, 피부 마찰 계수의 측정값, Cf는,측정된 경계층 속도 프로파일을 로그 법에서 유래한 곡선 의 제품군과 규정된 피부 마찰 계수 값을 비교하여 결정된다. 반로그 플롯에서 측정된 속도 프로파일의 로그 법 부분과 가장 잘 겹치는 곡선은 측정된 피부 마찰 계수의 값을 제공합니다.

Procedure

1. 핫와이어 시스템 동적 응답 결정

이 절차의 목적은 방혈계 시스템이 유동 신호 변화에 얼마나 빨리 대응할 수 있는지 이해하는 것입니다. 이 기능은 사각 파를 적용하여 신호가 켜지고 끌 때 주파수 응답을 측정하여 측정합니다.

  1. 지지축을 사용하여 윈드터널 내부CTA 시스템의 핫 와이어 프로브를 보호합니다.
  2. DC 전원 공급 장치, 신호 발생기 및 진동기를 설정하고 그림 2(a)에 표시된 대로 연결합니다. 신호 발생기는 휘트스톤 브리지에 사각형 파동 입력을 공급하며 출력 파형은 오실로스코프에 시각화됩니다.
  3. 핫와이어 전원 공급 장치, 오실로스코프 및 신호 발생기를 켭니다.
  4. 150mV 진폭과 10kHz 주파수로 사각 파를 출력하기 위해 신호 발생기를 설정합니다.
  5. 오실로스코프의 출력 신호를 관찰하여 출력 파형태 주파수 및 진폭이 올바른지 확인합니다.
  6. 테스트 섹션을 닫고 직렬 포트를 연결합니다. 풍구를 켜고 공기 속도를 40mph로 설정합니다.
  7. 공기 흐름이 안정화되면 오실로스코프에서 신호 오버슈트, θ의폭을 측정합니다. θ의정의에 대한 그림 3을 참조하십시오.
  8. θ의 측정값을 사용하여 방정식을 사용하여 핫와이어 시스템의 차단 주파수를 얻습니다: f = 1/1.5θ.
  9. 풍구를 끕니다.

2. 핫 와이어 교정

이 절차의 목적은 휘트스톤 브리지의 공기 속도와 전기 잠재력 사이의 상관 관계를 확립하는 것입니다. 이렇게 하면 유동 속도를 측정할 수 있습니다.

  1. 핫 와이어 프로브를 수직 위치로 조정하여 플랫 플레이트에서 멀리 떨어져 있어 이 경우 풍동 바닥이 되어 자유 스트림 영역에 위치하도록 합니다.
  2. 풍동 제어 소프트웨어를 시작합니다.
  3. 가상 계측기 소프트웨어를 열고 샘플링 주파수를 10kHz로 설정하고 샘플 수를 100,000으로 설정합니다. 이러한 파라미터는 측정할 유동필드의 유동 특성에 의해 결정되며 대상 통계의 수렴 요구 사항에 대한 지식에 따라 달라질 수 있다.
  4. 풍구 속도를 0mph로 설정하고 휘트스톤 브리지의 전압을 기록합니다.
  5. 풍관 공기 속도를 최대 15mph의 3mph 단위로 증가시킵니다. 전압을 측정하기 전에 각 공기 속도에서 흐름을 안정화할 수 있습니다.
  6. 풍터널 공기 속도를 최대 60mph의 5mph 단위로 늘리고 각 증분에서 전압을 측정합니다.
  7. 모든 측정이 완료되면 공기 흐름을 30mph로 줄이고 풍동을 끕니다.

그림 3. 적각 파 테스트 중 오실로스코프에서 관찰된 바와 같이 신호 오버슈트의 폭에 대한 회로도.

3. 경계 층 설문 조사

  1. 이전 실험 섹션에서와 동일한 설정을 사용하여 테스트 섹션 바닥에 닿을 때까지 핫 와이어 프로브를 천천히 낮추면 플랫 플레이트역할을 합니다.
  2. 풍구를 켜고 공기 속도를 40mph로 설정하고 샘플링 주파수를 10kHz로 설정하고 샘플 수를 이전과 마찬가지로 100,000개로 설정합니다.
  3. 평평한 플레이트 옆과 경계 층에 있는 가장 낮은 수직 설정에서 전압 판독값을 기록합니다.
  4. 프로브를 수직으로 이동하여 0.05mm의 계단에서 높이를 0.50mm까지 높이고 수직 위치에서 전압 판독값을 기록합니다.
  5. 프로브 높이를 0.10mm의 높이까지 1.50mm까지 늘리고 수직 위치에서 전압 판독값을 기록합니다.
  6. 프로브 높이를 0.25mm 단계까지 4.00mm의 최종 높이까지 늘리고 수직 위치에서 전압 판독값을 기록합니다.
  7. 모든 측정이 완료되면 공기 속도를 20mph로 줄이고 풍동, CTA, 전원 공급 장치, 오실로스코프 및 기능 발생기를 끕니다.

경계층은 유동 필드에서 고체 바디의 표면에 바로 인접한 얇은 유동 영역입니다. 자유 스트림 영역이라고 하는 경계 레이어 외부의 흐름 영역은 일정한 속도를 가지고 있습니다. 그러나 경계 층 내에는 표면의 마찰로 인한 속도 그라데이션이 있습니다. 경계 레이어는 일반적으로 여러 단계를 거칩니다.

먼저 라미나르 경계 상태, 전환 상태 그리고 마지막으로, 혼합 또는 eddying 같은 불규칙한 흐름과 변동을 포함하는 난류 경계 층 상태. 경계 층은 항공기의 피부 마찰 드래그 계산의 기초입니다.

피부 마찰 드래그는 경계 층 내에서 생성되며 표면에 가해지는 점성 전단 응력 때문입니다. 피부 마찰 드래그는 유체 동적 점도, mu 및 국소 스트림 현명한 속도 전단 변형률에 비례하며, 이는 정상 방향으로 스트림 방향으로 속도의 그라데이션이다. 따라서 비행기 날개와 같은 넓은 지역에 는 의미가 있습니다. 또한, 유체 입자가 높은 운동량에서 표면과 상호 작용하기 때문에 피부 마찰 드래그는 난류 흐름에서 더 높습니다.

난류 경계 층 속성을 측정하는 한 가지 방법은 가열 된 와이어에 흐름의 냉각 효과와 관련된 두 가지 원칙을 기반으로핫 와이어 무모트리를 사용하는 것입니다. 첫 번째 원리에 따르면, 유체가 뜨거운 표면 위로 흐르면 대류 열 계수가 변경되어 표면 온도가 변경됩니다.

두 번째 원칙은 전기 도체열 방출 Q가 도체에 적용되는 전류의 제곱에 비례한다는 것을 명시하는 Joule의 법칙입니다. 우리는 와이어의 일정한 온도를 유지하기 위해 적용되어야 하는 전기 전위 E를 측정하여 가열된 금속 와이어 프로브를 둘러싼 유체 흐름의 속도를 결정하기 위해 두 가지 원칙을 사용할 수 있습니다.

일반적으로 사용되는 핫 와이어 기술은 일정한 온도 항모메트리 또는 CTA입니다. CTA는 휘트스톤 브리지의 팔에 연결된 프로브라고 하는 매우 얇은 금속 와이어로 구성됩니다. 휘트스톤 브리지는 전선 전체에서 일정한 온도를 유지하기 위해 전기 전위를 제어하고 필요에 따라 조정합니다. 냉각은 와이어 주변의 유체 흐름에 의해 발생합니다. 따라서, 전위의 변화는 열 전달 계수의 기능이며 연장에 의하면 속도의 함수이다.

이 실험에서는 일정한 온도 항모메트리 설정의 사용을 시연하여 평평한 플레이트 위에 난류 경계 층을 측정합니다.

먼저, 상수 온도 풍속계 또는 CTA 시스템이 풍동을 사용하여 유동 신호 변화에 어떻게 반응하는지 알아봅니다. 먼저 지원 축을 사용하여 윈드 터널 내부의 CTA 시스템의 핫 와이어 프로브를 확보합니다.

그런 다음 DC 전원 공급 장치, 신호 발생기 및 오실로스코프를 설정합니다. 구성 요소는 그림과 같이 연결됩니다. 먼저 핫 와이어 전원 공급 장치, 신호 발생기 및 오실로스코프를 켭니다. 150mV 진폭과 10kHz 주파수로 휘트스톤 브리지에 제곱파 입력을 공급하는 신호 발생기를 설정합니다.

진동의 출력 신호를 관찰하여 주파수와 진폭이 올바른지 확인합니다. 이제 테스트 섹션을 닫고 직렬 케이블을 연결하고 풍동을 켜고 풍속을 40mph로 설정합니다. 공기 흐름이 안정화되면 오실로스코프에서 관찰된 신호 오버슈트, 타우의 폭을 측정합니다. 타우의 측정값을 사용하여 이 방정식을 사용하여 핫 와이어 시스템의 컷오프 주파수를 계산합니다. 그런 다음 풍동 기류를 끕니다.

다음으로 우리는 풍속과 휘트스톤 교량의 전기적 잠재력 사이의 상관관계를 확립할 것입니다. 먼저 CTA 프로브를 수직 방향으로 올려 자유 스트림 영역에 있도록 합니다. 풍동 제어 소프트웨어를 시작한 다음 가상 계측기 소프트웨어를 시작합니다. 샘플링 속도를 10kHz로 설정하고 샘플 수를 100,000으로 설정합니다.

이제 풍관 의 공기 속도가 0mph로 설정되어 휘트스톤 브리지의 전압을 기록합니다. 그런 다음 풍관 의 공기 속도를 최대 15 mph의 3 mph 단위로 증가시키고 각 증분에서 전압을 측정합니다. 전압 측정을 기록하기 전에 공기 흐름이 안정화되도록 해야 합니다.

다음으로, 5mph 단위로 풍동 공기 속도를 최대 60mph까지 늘려 각 증분에서 전압을 측정합니다. 모든 측정이 완료되면 공기 속도를 30mph로 줄이고 풍동 기류를 끕니다.

이전과 동일한 설정을 사용하여 테스트 섹션 바닥에 닿을 때까지 CTA 프로브를 천천히 낮추면 플랫 플레이트역할을 합니다. 기류를 40mph로 설정합니다. 샘플링 빈도를 10킬로헤르츠와 샘플 수를 100,000으로 유지합니다. 평평한 플레이트 옆과 경계 층에 있는 가장 낮은 수직 설정에서 전압을 기록합니다.

이제 프로브를 0.05mm의 단계로 수직으로 0의 높이까지 이동합니다. 5mm, 각 위치에서 전압 판독을 기록합니다. 그런 다음, 0.1mm의 단위로 프로브 높이를 최대 1의 높이까지 늘립니다. 5mm. 그리고 각 증분에서 전압을 기록하는 동안, 4mm의 최종 높이까지 0.25mm의 단계에서.

모든 측정이 완료되면 풍속을 20mph로 낮추고 기류를 끕니다. 그런 다음 전원 공급 장치, 신호 발생기 및 오실로스코프를 차단합니다.

데이터를 분석하는 첫 번째 단계는 실험의 교정 단계에서 획득한 데이터를 사용하여 핫 와이어 전압과 공기 속도 사이의 상관 관계를 결정하는 것입니다. 이 작업을 수행하는 방법에는 데이터를 알려진 열 전달 관계에 맞게 맞추는 방법이 몇 가지 있으며 이 비디오의 부록에서 자세히 다룹니다.

수학적 관계가 결정되면 전압 측정을 사용하여 각 수직 높이에서 속도를 계산합니다. 명목 높이를 조정하여 오버벤트 프로브의 아티팩트를 고려한 후 속도 프로파일 u(y)를 플롯한 다음 경계 층 변위 두께를 결정하는 데 사용할 수 있습니다.

이 값은 표면과 유체 사이에 발생하는 동일한 유량을 얻기 위해 플레이트를 수직으로 이동해야 하는 거리를 나타냅니다. 또한 유체와 플레이트 사이에 존재하는 동일한 모멘텀을 갖기 위해 플레이트를 수직으로 이동해야 하는 거리인 모멘텀 두께를 계산할 수 있습니다.

이 두 매개 변수에서 모양 계수 H를 계산할 수 있습니다. 형상 계수는 약 1.3의 형상 계수가 완전히 난류 흐름과 라미나르 흐름의 약 2.6을 나타내는 흐름의 특성을 결정하는 데 사용됩니다. 이러한 값 사이에는 과도기 흐름이 있습니다. 이 실험의 경우 형상 계수는 1.9로 계산되어 과도기 흐름을 나타냅니다.

요약하자면 경계층 흐름 개발에 대해 알게 된 다음 일정한 온도 항모메트리 설정을 사용하여 평평한 플레이트 위에 난류 경계 층을 분석하고 낮은 동작을 관찰했습니다.

Results

CTA는 다른 공기 속도로 핫 와이어의 전압을 측정하여 프로토콜의 섹션 2에서 보정되었습니다. 이 데이터는 측정된 변수, 전압 및 간접 변수인 공기 속도 사이의 수학적 관계를 결정하는 데 사용되었습니다. 실험 데이터를 속도에 맞게 수학적 관계에 맞추는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 일부는 부록에서 다룹니다. 수학적 관계가 결정되면 CTA를 추가 실험에서 전압에서 속도를 쉽게 계산할 수 있습니다.

프로토콜의 섹션 3에서, 공기 속도는 풍관의 다른 수직 위치에서 CTA를 사용하여 측정되었다. 이것은 평평한 플레이트에서 다른 거리, y를 나타냈다. 각 지점에서 측정된 순간 유동 속도에서 평균 경계 층 속도 프로파일을 얻을 수 있습니다. 속도 프로파일, u(y)는경계층 변위 두께라고 하는 표면과 유체 사이에 발생하는 동일한 유량을 얻기 위해 비스시드 흐름에 대해 플레이트가 수직으로 이동해야 하는 수직 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다. 이 것으로 정의됩니다.

무료 스트림 속도는 어디에 있습니다. 유체와 그 자체 사이에 존재하는 동일한 모멘텀을 갖기 위해 플레이트가 자신과 평행하게 이동하는 거리는 다음과 같이 정의됩니다.

그런 다음 흐름의 특성을 결정하는 데 사용할 수 있는 모양 계수 H는다음과 같이 정의됩니다.

셰이프 계수가 1.3인 경우 완전히 난류 흐름을 나타내고, 모양 계수가 2.6인 경우 라미나르 흐름을 나타내며, 그 사이의 모든 값은 전환 또는 난류를 나타내면서도 완전히 개발되지 않은 흐름을 나타낸다.

난류 경계 레이어 케이스의 경우 여러 속성을 추가로 검사할 수 있습니다. 피부 마찰은 Clauser 차트 방법을 사용하여 결정될 수 있습니다(그림 4 참조). 절제기 차트 방법은 측정된 속도, u(y)로부터 피부 마찰 계수, Cf를얻기 위해 사용될 수 있다. 로그 법에서, 우리는 다음과 같은 다음이있다 :

여기서 θ는 0.40 ~ 0.41 및 B=5.0 ~ 5.5를 ≈. 실질적으로 θ=0.4 및 B=5.5. 정의에서, 피부 마찰 계수는 에 의해 주어진다:

여기서 q는 자유 스트림의 동적 압력이며, θw는 벽의 전단 응력입니다. 그런 다음 로그 법으로 표현할 수 있습니다(부록 참조)

어디에, .

일련의 C f 값을 감안할 때 곡선 패밀리를 대 R y에대해 생성할 수 있습니다. R y의 여러 값은 100에서 100,000에 이르는 C f 값과 0.001에서 0.006에 이르는 Cf 값을 사용하여 로그 선형 형식으로 곡선을 플롯하는 데 사용해야 합니다. 이는 도 4에 도시된 바와 같이 피부 마찰 계수 Cf를결정하는 데 사용될 수 있는 절제차트를 형성한다. 측정된 경계층 속도 프로파일을 로그 법-더 월을 기반으로 하는 곡선 제품군과 규정된 피부 마찰 계수 값과 비교함으로써 측정된 속도 프로파일의 로그 법 부분과 가장 잘 겹치는 곡선은 측정된 피부 마찰 계수의 값을 제공합니다.

그림 4: 절제차트.

이 결과는 일체형 방정식 방법을 사용하여 얻은 결과와 비교할 수 있다. 또한 속도 변동 프로파일을 얻을 수 있으며 실험 결과는 로그 법-더 월과 비교할 수 있다. 자세한 내용은 부록을 참조하십시오.

Applications and Summary

데모는 표면 위로 난류 흐름을 연구하는 데 사용되는 강력한 도구인 일정한 온도 무모법을 사용하는 방법을 보여 주며, 이 특정 경우 플랫 플레이트였습니다. 이 방법은 PIV, PTV 및 LDV와 같은 다른 방법보다 간단하고 저렴하며 높은 시간적 해상도를 제공합니다. 난류 경계 층에 핫 와이어 무모트리를 적용하면 난류 흐름의 동작을 입증하는 비용 효과적이고 실습 접근 방식을 제공합니다.

일정한 온도 적정은 수많은 응용 프로그램이 있습니다. 이 기술은 난류 및 라미나르 흐름을 모두 조사하는 데 사용할 수 있습니다. 핫와이어 적발법은 익선 또는 비행기 모델의 웨이크 흐름을 연구하는 데 사용할 수 있으므로 항공기 설계에 대한 귀중한 정보를 제공하는 에어포일의 드래그 및 웨이크 난류 수준과 같은 정보를 제공합니다.

핫와이어 무모는 또한 지구 대기에서 발견되는 다양한 공정의 질량 및 운동량 수송 및 혼합을 담당하는 깃털 흐름을 연구하는 것과 같은 환경 유체 역학 조사에 사용될 수 있습니다.

핫 와이어 무모의 변형은 일반적으로 견고하고 신뢰할 수있는 성능을 필요로하는 액체 흐름에 사용되는 핫 필름 적모입니다. 예를 들어, 자동차 엔진의 공기 유입 덕트에서 공기 흐름을 모니터링하는 것은 종종 뜨거운 필름으로 만들어진 센서에 의해 수행됩니다.

핫와이어 적정법의 적용은 기계 공학 영역에 국한되지 않습니다. CTA는 또한 호흡 비율을 측정하기 위하여 생물 의학 응용프로그램에서 예를 들면 이용될 수 있습니다.

재료 목록

이름 회사 카탈로그 번호 코멘트
설비
교육 아음속 풍터널 제트스트림 풍동의 테스트 섹션의 치수는 다음과 같습니다 : 5.25 “(너비) x 5.25″(높이) x 16 “(길이). 풍동은 0 – 80mph의 공기 속도를 달성 할 수 있어야합니다.
더 월 테스트 섹션의 벽은 유리로 만들어집니다.
CTA 모델 1750 TSI 주식회사
핫 와이어 프로브 TSI 주식회사 TSI 1218-T1.5 텅스텐 백금 코팅, 표준 경계 층 프로브. 프로브의 직경은 3.81 μm입니다. 와이어의 감지 영역의 길이는 1.27 mm입니다.
A/D 보드 내전악기 NI USB 6003 16비트 해상도의 최대 샘플링 속도 100kHz
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Transcript

A boundary layer is a thin flow region immediately adjacent to the surface of a solid body in a flow field. The region of flow outside of the boundary layer, called the free stream region has a constant velocity. However, within the boundary layer there is a velocity gradient due to friction at the surface. The boundary layer typically undergoes several stages.

First the laminar boundary state, followed by the transition state and finally, the turbulent boundary layer state, which involves irregular flow and fluctuations, like mixing or eddying. The boundary layer is the basis for the calculation of skin friction drag on aircraft.

Skin friction drag is created within the boundary layer and is due to the viscous shear stress exerted on the surface. Skin friction drag is proportional to fluid dynamic viscosity, mu, and the local stream wise velocity shear strain rate, which is the gradient of the streamwise velocity in the normal direction. So it becomes significant for large areas, such as an airplane wing. Additionally, skin friction drag is higher in turbulent flow, since the fluid particles interact with the surface at high momentum.

One way to measure turbulent boundary layer properties is using hot wire anemometry, which is based on two principles related to the cooling effect of flow on a heated wire. According to the first principle, when a fluid flows over a hot surface, the convective heat coefficient changes, which results in changes in the surface temperature.

The second principle is Joule’s law, which states that an electrical conductors heat dissipation, Q, is proportional to the square of the electric current, I, applied to the conductor. We can use the two principles to determine the velocity of fluid flow surrounding a heated metallic wire probe, by measuring the electrical potential E, that has to be applied to maintain a constant temperature of the wire.

A commonly used hot wire technique is Constant Temperature Anemometry or CTA. CTA consists of a very thin metallic wire, called the probe, which is connected to the arm of a Wheatstone bridge. The Wheatstone bridge controls the electrical potential and adjusts it as needed in order to maintain a constant temperature across the wire. Any cooling is caused by fluid flow around the wire. Thus, the change in the potential is a function of the heat transfer coefficient and by extension is a function of velocity.

In this experiment, we will demonstrate the use of a Constant Temperature Anemometry setup to measure the turbulent boundary layer over a flat plate.

First, we will learn how the Constant Temperature Anemometer, or CTA, system responds to flow signal changes using a wind tunnel. To begin, secure the hot wire probe of the CTA system inside of the wind tunnel using a support shaft.

Then, set up a DC power supply, signal generator, and oscilloscope. The components are connected as shown. To begin, turn on the hot wire power supply, the signal generator and the oscilloscope. Set the signal generator to supply a square wave input to the Wheatstone bridge with a 150 mV amplitude and a 10 kHz frequency.

Observe the output signal in the oscilloscope to make sure that the frequency and amplitude are correct. Now close the test section, plug in the serial cable, turn on the wind tunnel and set the wind speed to 40 mph. Once the airflow stabilizes, measure the width of the signal overshoot, tau, observed on the oscilloscope. Use the measured value of tau to calculate the cut-off frequency for the hot wire system using this equation. Then turn off the wind tunnel airflow.

Next we will establish the correlation between wind speed and the electrical potential of the Wheatstone bridge. To begin, raise the CTA probe in the vertical direction so that it is in the free stream region. Start the wind tunnel control software and then start the virtual instrument software. Set the sampling rate to 10 kHz and the number of samples to 100,000.

Now, with the wind tunnel airspeed set to 0 mph, record the voltage on the Wheatstone bridge. Then, increase the wind tunnel airspeed at increments of 3 mph up to 15 mph, measuring the voltage at each increment. Be sure to allow the air flow to stabilize before recording the voltage measurement.

Next, increase the wind tunnel air speed up to 60 mph in 5-mph increments, measuring the voltage at each increment. When all measurements are complete, reduce the airspeed to 30 mph and then turn off the wind tunnel airflow.

Using the same setup as before, lower the CTA probe slowly until it touches the test section floor, which will act as the flat plate. Set the airflow to 40 mph. Keep the sampling frequency at 10 kilohertz and the number of samples at 100,000. Record the voltage at the lowest vertical setting, which is next to the flat plate and in the boundary layer.

Now, move the probe vertically in steps of 0.05 mm up to a height of 0. 5 mm, recording the voltage reading at each position. Then, increase the probe height in increments of 0.1 mm up to a height of 1. 5 mm. And then in steps of 0.25 mm up to a final height of 4 mm, while recording the voltage at each increment.

When all of the measurements have been made, reduce the wind speed to 20 mph and then turn off the airflow. Then shut off the power supply, signal generator, and oscilloscope.

The first step in analyzing the data is to use the data acquired during the calibration step of the experiment, to determine the correlation between the hot wire voltage and air speed. There are several different methods to do this, which involve fitting the data to known heat transfer relationships, and it’s covered in detail in the appendix of this video.

Once the mathematical relationship has been determined, use the voltage measurements to calculate velocity at each vertical height. After adjusting the nominal height to account for any artifacts from an overbent probe, plot the velocity profile u(y), which can then be used to determine the boundary layer displacement thickness.

This value represents the distance that the plate would have to be moved vertically in order to obtain the same flow rate that occurs between the surface and the fluid. We can also calculate the momentum thickness, defined as shown, which is the distance the plate would have to be moved vertically in order to have the same momentum that exists between the fluid and plate.

From these two parameters, we can calculate the shape factor, H. The shape factor is used to determine the nature of the flow, where a shape factor of about 1.3 indicates fully turbulent flow and about 2.6 for laminar flow. Between these values is transitional flow. In the case of this experiment, the shape factor was calculated as 1.9, indicating transitional flow.

In summary, we learned about boundary layer flow development, and then used a Constant Temperature Anemometry setup to analyze the turbulent boundary layer over a flat plate and observe low behavior.