Het meten van turbulente stromingen
Bron: Ricardo Mejia-Alvarez en Hussam Hikmat Jabbar, Afdeling Mechanische Techniek, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulente stromingen…
- Meet de breedte van de spleet, W, en noteer deze waarde in tabel 1.
- Plaats het hot-wire anemometer op een afstand van de uitgang gelijk aan x = 1.5W langs de middellijn. Noteer deze stroomafwaartse positie in tabel 2. De middellijn is de oorsprong van de span-coördinaat (y = 0).
- Start het dataverzameling programma voor het travers van de jet. Stel de sample rate in op 500 Hz voor een totaal van 5000 samples (d.w.z. 10s aan gegevens).
- Noteer de huidige span-positie van de hot-wire in tabel 3.
- Verzamel data.
- Het dataverzameling systeem zal de gemiddelde snelheid en turbulentie-intensiteit van dat dataset berekenen met behulp van vergelijkingen (1) en (4).
- Noteer deze twee waarden in tabel 3.
- Verplaats de hotwire naar de volgende (positieve) span-positie (
mm). - Herhaal stappen 5 tot 8 tot er geen opvallende verandering is in zowel de gemiddelde snelheid als de turbulentie-intensiteit.
- Verplaats de hot-wire terug naar de middellijn.
- Verplaats de hotwire naar de volgende (negatieve) span-positie (
mm). - Verzamel data.
- Het dataverzameling systeem zal de gemiddelde snelheid en turbulentie-intensiteit van dat dataset berekenen met behulp van vergelijkingen (1) en (4).
- Noteer deze twee waarden in tabel 3.
- Herhaal stappen 11 tot 14 tot er geen opvallende verandering is in zowel de gemiddelde snelheid als de turbulentie-intensiteit.
- Verplaats de hot-wire terug naar de middellijn van de jet.
- Verplaats de hot-wire langs de middellijn van de jet in de stroomafwaartse richting naar een nieuwe positie (bijv. x = 3W).
- Herhaal stappen 4 tot 17 voor zoveel stroomafwaartse posities als gewenst (bijv. x = 1.5W, 3W, 6W, 9W).
Tabel 1. Basisparameters voor experimenteel onderzoek.
| Parameter | Waarde |
| Spleetbreedte (W) | 19.05 mm |
| Luchtdichtheid (r) | 1.2 kg/m3 |
| Transducer kalibratie constante (m_p) | 76.75 Pa/V |
| Kalibratie constante A | 5.40369 V2 |
| Kalibratie constante B | 2.30234 V2(m/s)-0.65 |
Figuur 4. Stroomcontrole in het stroomsysteem. De stapel bovenop de plenum dient om de stroom van de jetspleet te leiden, waardoor de uitgangssnelheid van de jet kan worden gecontroleerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Turbulente stromingen spelen een belangrijke rol in een breed scala aan geconstrueerde en natuurlijk voorkomende systemen. Als gevolg hiervan is het vaak noodzakelijk om metingen uit te voeren binnen het systeem om de stroming te karakteriseren. Turbulente stromingen vertonen zeer hoge frequentieschommelingen, dus elk instrument dat wordt gebruikt om turbulentie te meten en te karakteriseren, moet een voldoende hoge tijdsresolutie hebben om deze veranderingen op te lossen. Hot wire anemometer worden vaak gebruikt voor deze metingen omdat ze klein, robuust en snel genoeg zijn om bruikbare resultaten op te leveren. Deze video zal illustreren hoe een gekalibreerd hot wire anemometer sonde te gebruiken om snelheid en turbulentiemetingen te verkrijgen op verschillende posities binnen een vrije straal en vervolgens een basisstatistische analyse van de gegevens uit te voeren om het turbulente veld te karakteriseren.
Een turbulente stroming kan worden aangetoond door hoge willekeurige schommelingen in stromingsvariabelen zoals snelheid, druk en voortsnelling. Deze schommelingen zijn het resultaat van niet-lineaire interacties tussen coherente bewegingen binnen het stromingsveld, dus de hoge frequentieschommelingen die worden waargenomen in metingen van turbulentie komen van echte fysische effecten en niet het resultaat van willekeurige elektronische ruis. Een klassieke beschrijving van turbulente stroming omvat de bepaling van de gemiddelde waarde van stromingsvariabelen en hun corresponderende schommelingen met de tijd. Bijvoorbeeld, de gemiddelde snelheid, aangeduid met een streepkje, wordt gevonden door de onmiddellijke snelheid te integreren over de meettijd en te schalen met de grootte van het integratiedomein. In het geval van discrete metingen zoals die van digitale acquisitiesystemen, moet het integraal numeriek worden opgelost. Zodra de gemiddelde snelheid is gevonden, kan deze worden afgetrokken van het oorspronkelijke signaal om de tijdsafhankelijke schommeling en snelheid te verkrijgen, aangeduid met een apostrof. Uit deze definities is het eenvoudig om te laten zien dat het gemiddelde van een schommelingsveld nul is. Als gevolg hiervan is een meer geschikte statistische descriptor voor het schommelingsveld nodig. Een veel voorkomende maat is de Root Mean Square of RMS van de schommelingen. Deze metriek is vergelijkbaar met het gemiddelde, behalve dat de variabele wordt gevierkt voordat deze wordt geïntegreerd en de vierkantswortel van het resultaat wordt genomen. De turbulentie-intensiteit wordt gegeven door de RMS van de snelheid en deze meting zal worden gedemonstreerd op een vrije straal in de volgende sectie. De gemiddelde snelheid van een vrije straal heeft een aanvankelijk platte profiel dat glad wordt naarmate de straal zich voortplant door het insluiten van omringende lucht in de straal. Dit insluiten veroorzaakt ook dat het lineaire momentum van de straal zich spanwijdte-gewijs verspreidt naarmate de straal stroomafwaarts stroomt, wat resulteert in een verbreding van de straal naarmate deze zich voortplant. Het interactiegebied tussen de straal en de omringende lucht wordt het mengsel genoemd en dit gebied groeit naar de centrumlijn toe naarmate de straal stroomafwaarts beweegt. Dit laat een gebied binnen de straal over dat bekend staat als de potentiële kern en dat wordt begrensd in de stroomrichting door de straaluitgang en het punt waarop de mengzone de centrumlijn bereikt. De potentiële kern is dan een gebied dat niet is beïnvloed door interacties met de omgeving. Op de centrumlijn strekt de potentiële kern zich stroomafwaarts uit tot ongeveer vier keer de breedte van de straaluitgang. Nu u bekend bent met de basisprincipes van turbulentiemetingen, laten we eens kijken hoe dit kan worden gebruikt om een vrije straal te karakteriseren.
Voordat u begint met opzetten, maakt u vertrouwd met de lay-out en veiligheidsprocedures van de faciliteit. Dit experiment zal worden uitgevoerd op hetzelfde stromingssysteem dat werd gebruikt voor de hot wire anemometer kalibratie en het data-acquisitiesysteem moet op dezelfde manier worden ingesteld. In de data-acquisitiesoftware, stel de bemonsteringssnelheid in op 500 Hertz en de totale monsters op 5.000. Werk de constanten n, A en B bij om overeen te komen met de waarden die zijn bepaald uit de kalibratie. Stel nu de stromingsfaciliteit op. Gebruik een gekalibreerd spacer om de spleetbreedte in te stellen op 19,05 millimeter of driekwart van een inch en verplaats vervolgens de hot wire anemometer naar de vena contracta van de straal 1,5 keer de spleetbreedte van de uitgang. Begin met de anemometer boven de spleet en verlaag de hoogte totdat het signaal op de oscilloscoop een minimale fluctuatie bereikt. Noteer deze verticale positie die overeenkomt met de centrumlijn van de straal. Verplaats nu de anemometer terug naar boven totdat de signaal fluctuatie een maximum is en deze positie komt overeen met de bovenste schermlaag van de straal. Plaats de lege opening in de stapel zodat de stromingssnelheid wordt gemaximaliseerd en zet vervolgens de stromingsfaciliteit aan. Zodra een stabiele stroming is vastgesteld, gebruikt u het data-acquisitiesysteem om de gemiddelde snelheid en turbulentie-intensiteit op dit punt in de straal te meten en noteer deze waarden. Verplaats nu de anemometer spanwijdte-gewijs omlaag met twee millimeter en meet opnieuw de gemiddelde snelheid en turbulentie-intensiteit. Ga door met het verlagen van de anemometer met stappen van twee millimeter en het nemen van metingen totdat er geen merkbare verandering in beide metingen is. Nadat u de laatste hoogte heeft opgenomen, verplaatst u de anemometer naar beneden totdat deze zich onder de centrumlijn bevindt op dezelfde afstand. Hervat het nemen van metingen en verplaatsen totdat de anemometer weer op de centrumlijn is. Wanneer u klaar bent, verplaatst u de anemometer stroomafwaarts totdat deze drie keer de spleetbreedte van de straaluitgang is. Neem metingen van het straalprofiel op deze nieuwe stroomafwaartse positie volgens dezelfde procedure die u in de eerste locatie hebt gebruikt. Herhaal uw metingen van het straalprofiel op zes en negen keer de spleetbreedte van de straaluitgang. Nadat u de metingen hebt voltooid, schakelt u de stromingsfaciliteit uit.
Bekijk uw gegevens
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
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.