Constant Temperature Anemometry: een hulpmiddel om turbulente grenslaagstroming te bestuderen

Een grenslaag is een dunne stromingsgebied direct aangrenzend aan het oppervlak van een vast lichaam in een stromingsveld. Het stromingsgebied buiten de grenslaag, de vrije stromingsgebied genoemd, heeft een constante snelheid. Echter, binnen de grenslaag is er een snelheidsgradiënt als gevolg van wrijving op het oppervlak. De grenslaag doorloopt meestal verschillende stadia.

Eerst de laminare grenstoestand, gevolgd door de overgangstoestand en ten slotte de turbulente grenslaagtoestand, die onregelmatige stroming en fluctuaties omvat, zoals mengen of werveling. De grenslaag is de basis voor de berekening van huwrijvingsweerstand op vliegtuigen.

Huwrijvingsweerstand ontstaat binnen de grenslaag en is het gevolg van de viskeuze schuifspanning die op het oppervlak wordt uitgeoefend. Huwrijvingsweerstand is evenredig met dynamische viscositeit van de vloeistof, mu, en de lokale stroomopwaartse snelheidsschuifspanningssnelheid, dat is de gradiënt van de stroomrichtingssnelheid in de normale richting. Het wordt dus belangrijk voor grote oppervlakken, zoals een vleugel van een vliegtuig. Bovendien is huwrijvingsweerstand hoger in turbulente stroming, omdat de vloeistofdeeltjes met hoog momentum met het oppervlak in wisselwerking treden.

Een manier om turbulente grenslaageigenschappen te meten is door gebruik te maken van hot wire anemomeetrie, die is gebaseerd op twee principes die verband houden met het koeleffect van stroming op een verwarmde draad. Volgens het eerste principe verandert de convectiewarmtecoëfficiënt wanneer een vloeistof over een heet oppervlak stroomt, wat resulteert in veranderingen in de oppervlaktetemperatuur.

Het tweede principe is Joule's wet, die stelt dat de warmteafvoer van een elektrische geleider, Q, evenredig is met het kwadraat van de elektrische stroom, I, die op de geleider wordt toegepast. We kunnen de twee principes gebruiken om de snelheid van de vloeistofstroom rond een verwarmde metalen draadsensor te bepalen, door het elektrische potentiaal E te meten dat moet worden toegepast om een constante temperatuur van de draad te handhaven.

Een veelgebruikte hot wire techniek is Constant Temperature Anemometry of CTA. CTA bestaat uit een zeer dunne metalen draad, de sonde genoemd, die is verbonden met de arm van een Wheatstone-brug. De Wheatstone-brug regelt het elektrische potentiaal en past het aan indien nodig om een constante temperatuur over de draad te handhaven. Elke koeling wordt veroorzaakt door stroming rond de draad. Dus de verandering in het potentiaal is een functie van de warmteoverdrachtscoëfficiënt en bij uitbreiding een functie van de snelheid.

In dit experiment zullen we de toepassing van een Constant Temperature Anemometry setup demonstreren om de turbulente grenslaag over een vlakke plaat te meten.

Eerst zullen we leren hoe het Constant Temperature Anemometer, of CTA, systeem reageert op veranderingen in het stromingssignaal met behulp van een windtunnel. Om te beginnen, bevestig de hot wire sonde van het CTA systeem in de windtunnel met behulp van een steunschacht.

Vervolgens, zet een DC-voeding, signaalgenerator en oscilloscoop op. De componenten zijn aangesloten zoals getoond. Om te beginnen, zet de hot wire voeding, de signaalgenerator en de oscilloscoop aan. Stel de signaalgenerator in om een vierkante golfinvoer naar de Wheatstone-brug te leveren met een amplitude van 150 mV en een frequentie van 10 kHz.

Observeer het uitgangssignaal in de oscilloscoop om er zeker van te zijn dat de frequentie en amplitude correct zijn. Sluit nu het teststuk, sluit de seriële kabel aan, zet de windtunnel aan en stel de windsnelheid in op 40 mph. Zodra de luchtstroom stabiel is, meet u de breedte van de signaalvoerslag, tau, waargenomen op de oscilloscoop. Gebruik de gemeten waarde van tau om de afsnijfrequentie voor het hot wire systeem te berekenen met behulp van deze vergelijking. Schakel vervolgens de luchtstroom van de windtunnel uit.

Vervolgens zullen we de correlatie tussen windsnelheid en het elektrische potentiaal van de Wheatstone-brug vaststellen. Om te beginnen, verhoog de CTA sonde in de verticale richting zodat deze zich in het vrije stromingsgebied bevindt. Start de windtunnel besturingssoftware en start vervolgens de virtuele instrumentsoftware. Stel de bemonsteringssnelheid in op 10 kHz en het aantal monsters op 100.000.

Nu, met de luchtsnelheid van de windtunnel ingesteld op 0 mph, neem de spanning op de Wheatstone-brug op. Verhoog vervolgens de luchtsnelheid van de windtunnel in stappen van 3 mph tot 15 mph, meting van de spanning bij elke increment. Zorg ervoor dat u de luchtstroom laat stabiliseren voordat u de spanningsmeting registreert.

Vervolgens verhoog de luchtsnelheid van de windtunnel tot 60 mph in stappen van 5 mph, meting van de spanning bij elke increment. Wanneer alle metingen zijn voltooid, verlaag de luchtsnelheid tot 30 mph en zet vervolgens de luchtstroom van de windtunnel uit.

Gebruik dezelfde opstelling als eerder, laat de CTA sonde langzaam zakken tot deze de vloer van de testsectie raakt, die als vlakke plaat zal fungeren. Stel de luchtstroom in op 40 mph. Houd de bemonsteringsfrequentie op 10 kHz en het aantal monsters op 100.000. Neem de spanning op bij de laagste verticale stand, die naast de vlakke plaat en in de grenslaag ligt.

Verplaats nu de sonde verticaal in stappen van 0,05 mm tot een hoogte van 0,5 mm, meting van de spanningswaarde bij elke positie. Verhoog vervolgens de sondehoogte in stappen van 0,1 mm tot een hoogte van 1,5 mm. En vervolgens in stappen van 0,25 mm tot een laatste hoogte van 4 mm, terwijl de spanning bij elke increment wordt opgenomen.

Wanneer alle metingen zijn uitgevoerd, verlaag de windsnelheid tot 20 mph en zet vervolgens de luchtstroom uit. Zet vervolgens de voeding, signaalgenerator en oscilloscoop uit.

De eerste stap bij het analyseren van de gegevens is om de gegevens te gebruiken die zijn verkregen tijdens de kali