Pomiar przepływów turbulentnych

Przepływy turbulentne odgrywają ważną rolę w wielu różnych systemach inżynieryjnych i naturalnie występujących. W związku z tym często konieczne jest wykonanie pomiarów w systemie w celu scharakteryzowania przepływu. Przepływy turbulentne wykazują bardzo duże fluktuacje częstotliwości, więc każdy instrument używany do pomiaru i charakteryzowania turbulencji musi mieć wystarczająco wysoką rozdzielczość czasową, aby rozwiązać te zmiany. Anemometry z gorącym drutem są często używane do tych pomiarów, ponieważ są małe, wytrzymałe i wystarczająco szybkie, aby uzyskać użyteczne wyniki. Ten film pokaże, jak używać skalibrowanej sondy anemometru z gorącym drutem do uzyskania pomiarów prędkości i turbulencji w różnych pozycjach w swobodnym strumieniu, a następnie przeprowadzenia podstawowej analizy statystycznej danych w celu scharakteryzowania pola turbulentnego.

O przepływie turbulentnym mogą świadczyć duże losowe fluktuacje zmiennych przepływu, takich jak prędkość, ciśnienie i wirowość. Fluktuacje te są wynikiem nieliniowych oddziaływań między koherentnymi ruchami w polu przepływu, więc oscylacje o wysokiej częstotliwości obserwowane w pomiarach turbulencji pochodzą z rzeczywistych efektów fizycznych, a nie są wynikiem losowego szumu elektronicznego. Klasyczny opis przepływu turbulentnego polega na wyznaczeniu średniej wartości zmiennych przepływu i odpowiadających im wahań w czasie. Na przykład średnią prędkość, oznaczoną słupkiem powyżej, oblicza się przez całkowanie prędkości chwilowej w czasie pomiaru i skalowanie przez rozmiar dziedziny całkowania. W przypadku pomiarów dyskretnych, takich jak te z cyfrowych systemów akwizycji, całka musi być rozwiązana numerycznie. Po znalezieniu średniej prędkości można ją odjąć od oryginalnego sygnału, aby uzyskać zależną od czasu fluktuację i prędkość oznaczoną przez liczbę pierwszą. Na podstawie tych definicji łatwo wykazać, że średnia pola fluktuacji wynosi zero. W związku z tym potrzebny jest bardziej odpowiedni deskryptor statystyczny dla pola fluktuacji. Bardzo powszechną miarą jest średnia kwadratowa lub RMS wahań. Ta metryka jest podobna do średniej, z tą różnicą, że zmienna jest podnoszona do kwadratu przed całkowaniem i pobierany jest pierwiastek kwadratowy z wyniku. Intensywność turbulencji jest określona przez wartość skuteczną prędkości, a pomiar ten zostanie zademonstrowany na swobodnym strumieniu w następnej sekcji. Średnia prędkość swobodnego strumienia ma początkowo płaski profil górny, który wygładza się w miarę rozchodzenia się strumienia z powodu porywania otaczającego powietrza do strumienia. To porywanie powoduje również, że liniowy pęd dżetu rozprzestrzenia się w zależności od rozpiętości, gdy strumień przepływa w dół rzeki, co powoduje poszerzenie strumienia podczas jego rozchodzenia się. Obszar interakcji między strumieniem a otaczającym powietrzem nazywany jest warstwą mieszającą i obszar ten rośnie w kierunku linii środkowej, gdy strumień porusza się w dół rzeki. Pozostawia to obszar wewnątrz strumienia znany jako potencjalny rdzeń, który jest ograniczony w kierunku strumienia przez wylot strumienia i punkt, w którym warstwa mieszająca sięga linii środkowej. Potencjalnym jądrem jest więc region, który nie został dotknięty interakcjami z otaczającym środowiskiem. Na linii środkowej potencjalne jądro rozciąga się w dół strumienia do około czterokrotnej szerokości wylotu dżetu. Teraz, gdy jesteś już zaznajomiony z podstawami pomiarów turbulencji, przyjrzyjmy się, jak można to wykorzystać do scharakteryzowania swobodnego dżetu.

Zanim zaczniesz ustawiać, zapoznaj się z układem i procedurami bezpieczeństwa w obiekcie. Eksperyment ten zostanie przeprowadzony na tym samym systemie przepływu, który został użyty do kalibracji anemometru z gorącym drutem, a system akwizycji danych powinien być skonfigurowany w ten sam sposób. W oprogramowaniu do akwizycji danych ustaw częstotliwość próbkowania na 500 Hz, a łączną liczbę próbek na 5 000. Zaktualizuj stałe n, A i B, aby odpowiadały wartościom wyznaczonym na podstawie kalibracji. Teraz skonfiguruj funkcję przepływu. Użyj skalibrowanej podkładki dystansowej, aby ustawić szerokość szczeliny na 19.05 milimetra lub trzy czwarte cala, a następnie przełóż anemometr z gorącego drutu na skurcz żyły strumienia 1.5-krotność szerokości szczeliny od wyjścia. Zaczynając od anemometru nad szczeliną, zmniejsz wysokość, aż sygnał na oscyloskopie osiągnie minimalne wahania. Zapisz tę pozycję pionową, która odpowiada linii środkowej strumienia. Teraz przesuń anemometr z powrotem w górę, aż fluktuacja sygnału osiągnie maksimum i ta pozycja odpowiada górnej warstwie ścinającej strumienia. Włóż pustą kryzę do stosu, aby prędkość przepływu została zmaksymalizowana, a następnie włącz urządzenie przepływowe. Po ustaleniu stałego przepływu należy użyć systemu akwizycji danych do pomiaru średniej prędkości i intensywności turbulencji w tym momencie dżetu i zarejestrować te wartości. Teraz przesuń anemometr w dół o dwa milimetry i ponownie zmierz średnią prędkość i intensywność turbulencji. Kontynuuj obniżanie anemometru w krokach co dwa milimetry i wykonywanie pomiarów, aż nie będzie zauważalnej zmiany w obu pomiarach. Po zarejestrowaniu ostatecznej wysokości przesuń anemometr w dół, aż znajdzie się poniżej linii środkowej na tę samą odległość. Wznów wykonywanie pomiarów i tłumaczenie w górę, aż anemometr znajdzie się z powrotem na linii środkowej. Kiedy skończysz, przesuń anemometr w dół, aż znajdzie się trzykrotnie większy od szerokości szczeliny od wyjścia strumienia. Wykonaj pomiary profilu strumienia w tym nowym położeniu strumienia, postępując zgodnie z tą samą procedurą, która została użyta w pierwszej lokalizacji. Powtórz pomiary profilu strumienia przy sześcio- i dziewięciokrotnej szerokości szczeliny od wyjścia strumienia. Po zakończeniu pomiarów zamknij urządzenie przepływowe.

Przyjrzyj się swoim danym. W każdym położeniu strumienia znajdują się pomiary średniej prędkości i intensywności turbulencji wykonane w szeregu punktów rozpiętości. Najpierw wykreśl średnią prędkość w funkcji położenia względem rozpiętości. Przeskaluj wartości według wartości linii środkowej i znajdź punkty, w których krzywa przecina próg 50%, interpolując w razie potrzeby. Punkty te definiują szerokość strumienia Delta w tym położeniu strumienia. Oblicz szerokość, biorąc różnicę. W tym przypadku szerokość wynosi około 21,5 milimetra. Teraz porównaj średnią prędkość linii środkowej i szerokość strumienia w różnych pozycjach linii strumienia. Prędkość linii środkowej pozostaje w zasadzie niezmieniona do około czterokrotności szerokości szczeliny od wyjścia ze względu na potencjalny rdzeń, ale zmniejsza się poza tą odległością. Wzrost szerokości strumienia wraz z odległością wskazuje na rozpiętość liniowego pędu strumienia w zależności od rozpiętości w miarę porywania otaczającego powietrza. Teraz wykreśl intensywność turbulencji jako funkcję położenia względem rozpiętości. Ponieważ mieszanie zachodzi na granicy między strumieniem a otaczającym środowiskiem, intensywność turbulencji osiąga szczyt z dala od linii środkowej.

Przepływ turbulentny jest wszechobecny w zastosowaniach naukowych i inżynieryjnych. Do jego oceny w zastosowaniach inżynieryjnych, takich jak wentylacja, ogrzewanie i klimatyzacja, często używa się przenośnych sond z gorącym drutem, które są wprowadzane do kanału i przesuwają się promieniowo w celu uzyskania profili prędkości. Informacje te są następnie wykorzystywane przez inżyniera do zrównoważenia nowo zainstalowanego systemu przepływu, aby zapewnić jego prawidłowe działanie lub do rozwiązywania problemów z nieprawidłowo działającym systemem i rozwiązywania wszelkich problemów, które utrudniają jego działanie. Gdy nowy pojazd lub konstrukcja naziemna, powietrzna lub morska jest zaprojektowana tak, aby wytrzymać siły przepływów turbulentnych, konieczne jest przetestowanie jej działania w realistycznych warunkach przepływu w tunelu aerodynamicznym lub wodnym. Aby symulować warunki turbulencji występujących w atmosferze lub oceanie, napływający przepływ może zostać zakłócony za pomocą aktywnych lub pasywnych sieci, które wprowadzą znaczne wahania przepływu. Następnie badany pojazd lub konstrukcję można zamontować w części testowej tunelu aerodynamicznego lub wodnego, aby zmierzyć, jak radzi sobie z obciążeniami wprowadzanymi przez przepływ turbulentny. Pomiary te można wykonać bezpośrednio za pomocą wag aerodynamicznych, które mierzą wynikowe siły oporu i siły nośnej. Również prędkość wokół modelu testowanego w tunelu może dostarczyć ważnych informacji dotyczących osiągów. Charakterystyka ta jest zwykle wykonywana za pomocą anemometrów z gorącym drutem w tunelach aerodynamicznych.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie Jowisza do pomiaru przepływów turbulentnych. Powinieneś teraz zrozumieć, jak rozmieścić anemometry z gorącym drutem do pomiaru i oceny profili przepływu i intensywności turbulencji. Dzięki za oglądanie.