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Os fluxos turbulentos desempenham um papel importante em uma ampla variedade de sistemas projetados e naturais. Como resultado, muitas vezes é necessário realizar medições dentro do sistema para caracterizar o fluxo. Fluxos turbulentos exibem flutuações de frequência muito altas, portanto, qualquer instrumento usado para medir e caracterizar a turbulência deve ter uma resolução de tempo alta o suficiente para resolver essas mudanças. Os anemômetros de fio quente são frequentemente usados para essas medições porque são pequenos, robustos e rápidos o suficiente para produzir resultados úteis. Este vídeo ilustrará como usar uma sonda anemômetro de fio quente calibrada para obter medições de velocidade e turbulência em diferentes posições dentro de um jato livre e, em seguida, realizar uma análise estatística básica dos dados para caracterizar o campo turbulento.
Um fluxo turbulento pode ser evidenciado por altas flutuações aleatórias nas variáveis de fluxo, como velocidade, pressão e vorticidade. Essas flutuações são o resultado de interações não lineares entre movimentos coerentes dentro do campo de fluxo, de modo que as oscilações de alta frequência observadas nas medições de turbulência são de efeitos físicos reais e não o resultado de ruído eletrônico aleatório. Uma descrição clássica de fluxo turbulento envolve a determinação do valor médio das variáveis de fluxo e suas flutuações correspondentes com o tempo. Por exemplo, a velocidade média, denotada por uma barra superior, é encontrada integrando a velocidade instantânea ao longo do tempo de medição e dimensionando pelo tamanho do domínio de integração. No caso de medições discretas, como as de sistemas de aquisição digital, a integral deve ser resolvida numericamente. Uma vez que a velocidade média tenha sido encontrada, ela pode ser subtraída do sinal original para produzir a flutuação dependente do tempo e a velocidade denotadas pelo primo. A partir dessas definições, é fácil mostrar que a média de um campo de flutuação é zero. Como resultado, é necessário um descritor estatístico mais apropriado para o campo de flutuação. Uma medida muito comum é a raiz quadrada média ou RMS das flutuações. Essa métrica é semelhante à média, exceto que a variável é elevada ao quadrado antes da integração e a raiz quadrada do resultado é obtida. A intensidade da turbulência é dada pelo RMS da velocidade e esta medição será demonstrada em um jato livre na próxima seção. A velocidade média de um jato livre tem um perfil inicialmente plano que se suaviza à medida que o jato se propaga devido ao arrastamento do ar circundante para dentro do jato. Esse arrastamento também faz com que o momento linear do jato se espalhe à medida que o jato flui a jusante, resultando no alargamento do jato à medida que se propaga. A região de interação entre o jato e o ar circundante é chamada de camada de mistura e essa região cresce em direção à linha central à medida que o jato se move rio abaixo. Isso deixa uma região dentro do jato conhecida como núcleo de potencial que é delimitada na direção do fluxo pela saída do jato e o ponto em que a camada de mistura atinge a linha central. O núcleo potencial é então uma região que não foi afetada pelas interações com o ambiente circundante. Na linha central, o núcleo potencial se estende a jusante até cerca de quatro vezes a largura da saída do jato. Agora que você está familiarizado com os fundamentos das medições de turbulência, vamos ver como isso pode ser usado para caracterizar um jato livre.
Antes de começar a configurar, familiarize-se com o layout e os procedimentos de segurança da instalação. Este experimento será realizado no mesmo sistema de fluxo que foi usado para a calibração do anemômetro de fio quente e o sistema de aquisição de dados deve ser configurado da mesma maneira. No software de aquisição de dados, defina a taxa de amostragem para 500 Hertz e o total de amostras para 5.000. Atualize as constantes n, A e B para corresponder aos valores determinados a partir da calibração. Agora configure o recurso de fluxo. Use um espaçador calibrado para definir a largura da fenda para 19,05 milímetros ou três quartos de polegada e, em seguida, traduza o anemômetro de fio quente para a veia contracta do jato 1,5 vezes a largura da fenda de distância da saída. Começando com o anemômetro acima da fenda, abaixe a altura até que o sinal no osciloscópio atinja uma flutuação mínima. Registre esta posição vertical que corresponde à linha central do jato. Agora translade o anemômetro de volta para cima até que a flutuação do sinal seja máxima e essa posição corresponda à camada de cisalhamento superior do jato. Insira a placa de orifício em branco na pilha para que a velocidade do fluxo seja maximizada e, em seguida, ligue o recurso de fluxo. Uma vez estabelecido o fluxo constante, use o sistema de aquisição de dados para medir a velocidade média e a intensidade da turbulência neste ponto do jato e registre esses valores. Agora mova o anemômetro para baixo em dois milímetros e meça a velocidade média e a intensidade da turbulência novamente. Continue abaixando o anemômetro em incrementos de dois milímetros e fazendo medições até que não haja nenhuma mudança perceptível em ambas as medições. Depois de registrar a altura final, translade o anemômetro para baixo até que esteja abaixo da linha central na mesma distância. Retome as medições e a tradução até que o anemômetro esteja de volta à linha central. Quando terminar, translade o anemômetro a jusante até que ele tenha três vezes a largura da fenda da saída do jato. Faça medições do perfil do jato nesta nova posição de fluxo seguindo o mesmo procedimento que você usou no primeiro local. Repita suas medições do perfil do jato em seis e nove vezes a largura da fenda da saída do jato. Depois de concluir as medições, desligue o recurso de fluxo.
Dê uma olhada em seus dados. Em cada posição do fluxo, você tem medições da velocidade média e da intensidade da turbulência feitas em uma série de pontos do vão. Primeiro, plote a velocidade média em função da posição do vão. Dimensione os valores pelo valor da linha central e encontre os pontos onde a curva cruza o limite de 50%, interpolando conforme necessário. Esses pontos definem a largura do jato Delta nesta posição do fluxo. Calcule a largura tomando a diferença. Nesse caso, a largura é de cerca de 21,5 milímetros. Agora compare a velocidade média da linha central e a largura do jato nas diferentes posições da linha de fluxo. A velocidade da linha central permanece basicamente inalterada até cerca de quatro vezes a largura da fenda da saída devido ao núcleo potencial, mas diminui além dessa distância. O aumento na largura do jato com a distância é indicativo da dispersão do momento linear do jato à medida que o ar circundante é arrastado. Agora plote a intensidade da turbulência em função da posição do vão. Como a mistura acontece na fronteira entre o jato e o ambiente circundante, a intensidade da turbulência atinge o pico longe da linha central.
O fluxo turbulento é onipresente em aplicações científicas e de engenharia. Para sua avaliação em aplicações de engenharia, como ventilação, aquecimento e ar condicionado, é comum o uso de sondas portáteis de fio quente que são introduzidas no duto e atravessam radialmente para obter os perfis de velocidade. Essas informações são então usadas pelo engenheiro para equilibrar um sistema de fluxo recém-instalado para garantir sua operação adequada ou para solucionar problemas de um sistema com defeito e resolver qualquer problema que impeça sua operação. Quando um novo veículo ou estrutura terrestre, aérea ou marítima é projetado para suportar as forças de fluxos turbulentos, é necessário testar seu desempenho em condições realistas de fluxo em um túnel de vento ou água. Para simular as condições de turbulência que ocorrem na atmosfera ou no oceano, o fluxo de entrada pode ser perturbado com grades ativas ou passivas que introduzirão flutuações significativas no fluxo. Em seguida, o veículo ou estrutura em estudo pode ser montado na seção de teste do túnel de vento ou água para medir como ele lida com as cargas introduzidas pelo fluxo turbulento. Essas medições podem ser feitas diretamente com balanças aerodinâmicas que medem as forças de arrasto e sustentação resultantes. Além disso, a velocidade ao redor do modelo testado no túnel pode fornecer informações importantes sobre o desempenho. Essa caracterização é normalmente feita com anemômetros de fio quente em túneis de vento.
Você acabou de assistir à introdução de Jove à medição de fluxos turbulentos. Agora você deve entender como implantar anemômetros de fio quente para medir e avaliar perfis de fluxo e intensidade de turbulência. Obrigado por assistir.
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