Anemometria de temperatura constante: uma ferramenta para estudar o fluxo em camada limite turbulenta

Uma camada limite é uma região de fluxo fina imediatamente adjacente à superfície de um corpo sólido em um campo de fluxo. A região de fluxo fora da camada limite, chamada de região de fluxo livre, tem uma velocidade constante. No entanto, dentro da camada limite há um gradiente de velocidade devido ao atrito na superfície. A camada limite normalmente passa por vários estágios.

Primeiro o estado de contorno laminar, seguido pelo estado de transição e, finalmente, o estado turbulento da camada limite, que envolve fluxo irregular e flutuações, como mistura ou redemoinho. A camada limite é a base para o cálculo do arrasto de fricção da pele em aeronaves.

O arrasto de fricção da pele é criado dentro da camada limite e é devido à tensão de cisalhamento viscosa exercida na superfície. O arrasto de fricção da pele é proporcional à viscosidade dinâmica do fluido, mu, e à taxa de deformação de cisalhamento da velocidade do fluxo local, que é o gradiente da velocidade do fluxo na direção normal. Portanto, torna-se significativo para grandes áreas, como uma asa de avião. Além disso, o arrasto de fricção da pele é maior no fluxo turbulento, uma vez que as partículas de fluido interagem com a superfície em alto momento.

Uma maneira de medir as propriedades da camada limite turbulenta é usando a anemometria de fio quente, que se baseia em dois princípios relacionados ao efeito de resfriamento do fluxo em um fio aquecido. De acordo com o primeiro princípio, quando um fluido flui sobre uma superfície quente, o coeficiente de calor convectivo muda, o que resulta em mudanças na temperatura da superfície.

O segundo princípio é a lei de Joule, que afirma que a dissipação de calor de um condutor elétrico, Q, é proporcional ao quadrado da corrente elétrica, I, aplicada ao condutor. Podemos usar os dois princípios para determinar a velocidade do fluxo de fluido em torno de uma sonda de fio metálico aquecido, medindo o potencial elétrico E, que deve ser aplicado para manter uma temperatura constante do fio.

Uma técnica de fio quente comumente usada é a Anemometria de Temperatura Constante ou CTA. O CTA consiste em um fio metálico muito fino, chamado sonda, que é conectado ao braço de uma ponte de Wheatstone. A ponte de Wheatstone controla o potencial elétrico e o ajusta conforme necessário para manter uma temperatura constante no fio. Qualquer resfriamento é causado pelo fluxo de fluido ao redor do fio. Assim, a mudança no potencial é uma função do coeficiente de transferência de calor e, por extensão, é uma função da velocidade.

Neste experimento, demonstraremos o uso de uma configuração de Anemometria de Temperatura Constante para medir a camada limite turbulenta sobre uma placa plana.

Primeiro, aprenderemos como o sistema Anemômetro de Temperatura Constante, ou CTA, responde às mudanças do sinal de fluxo usando um túnel de vento. Para começar, prenda a sonda de fio quente do sistema CTA dentro do túnel de vento usando um eixo de suporte.

Em seguida, configure uma fonte de alimentação CC, gerador de sinal e osciloscópio. Os componentes são conectados conforme mostrado. Para começar, ligue a fonte de alimentação de fio quente, o gerador de sinal e o osciloscópio. Defina o gerador de sinal para fornecer uma entrada de onda quadrada para a ponte de Wheatstone com uma amplitude de 150 mV e uma frequência de 10 kHz.

Observe o sinal de saída no osciloscópio para certificar-se de que a frequência e a amplitude estão corretas. Agora feche a seção de teste, conecte o cabo serial, ligue o túnel de vento e defina a velocidade do vento para 40 mph. Assim que o fluxo de ar se estabilizar, meça a largura do overshoot do sinal, tau, observado no osciloscópio. Use o valor medido de tau para calcular a frequência de corte para o sistema de fio quente usando esta equação. Em seguida, desligue o fluxo de ar do túnel de vento.

A seguir, estabeleceremos a correlação entre a velocidade do vento e o potencial elétrico da ponte de Wheatstone. Para começar, levante a sonda CTA na direção vertical para que fique na região do fluxo livre. Inicie o software de controle do túnel de vento e, em seguida, inicie o software do instrumento virtual. Defina a taxa de amostragem para 10 kHz e o número de amostras para 100.000.

Agora, com a velocidade do túnel de vento definida para 0 mph, registre a tensão na ponte de Wheatstone. Em seguida, aumente a velocidade do túnel de vento em incrementos de 3 mph até 15 mph, medindo a tensão em cada incremento. Certifique-se de permitir que o fluxo de ar se estabilize antes de registrar a medição de tensão.

Em seguida, aumente a velocidade do ar do túnel de vento até 60 mph em incrementos de 5 mph, medindo a tensão em cada incremento. Quando todas as medições estiverem concluídas, reduza a velocidade do ar para 30 mph e desligue o fluxo de ar do túnel de vento.

Usando a mesma configuração de antes, abaixe a sonda CTA lentamente até tocar o piso da seção de teste, que atuará como a placa plana. Defina o fluxo de ar para 40 mph. Manter a frequência de amostragem em 10 kilohertz e o número de amostras em 100.000. Registre a tensão na configuração vertical mais baixa, que fica ao lado da placa plana e na camada limite.

Agora, mova a sonda verticalmente em passos de 0,05 mm até uma altura de 0. 5 mm, registrando a leitura de tensão em cada posição. Em seguida, aumente a altura da sonda em incrementos de 0,1 mm até uma altura de 1. 5 mm. E depois em passos de 0,25 mm até uma altura final de 4 mm, enquanto registra a tensão em cada incremento.

Quando todas as medições forem feitas, reduza a velocidade do vento para 20 mph e desligue o fluxo de ar. Em seguida, desligue a fonte de alimentação, o gerador de sinal e o osciloscópio.

O primeiro passo na análise dos dados é usar os dados adquiridos durante a etapa de calibração do experimento, para determinar a correlação entre a tensão do fio quente e a velocidade do ar. Existem vários métodos diferentes para fazer isso, que envolvem o ajuste dos dados a relações conhecidas de transferência de calor, e isso é abordado em detalhes no apêndice deste vídeo.

Uma vez determinada a relação matemática, use as medições de tensão para calcular a velocidade em cada altura vertical. Depois de ajustar a altura nominal para levar em conta quaisquer artefatos de uma sonda sobrecurvada, plote o perfil de velocidade u(y), que pode então ser usado para determinar a espessura de deslocamento da camada limite.

Este valor representa a distância que a placa teria que ser movida verticalmente para obter a mesma vazão que ocorre entre a superfície e o fluido. Também podemos calcular a espessura do momento, definida como mostrado, que é a distância que a placa teria que ser movida verticalmente para ter o mesmo momento que existe entre o fluido e a placa.

A partir desses dois parâmetros, podemos calcular o fator de forma, H. O fator de forma é usado para determinar a natureza do fluxo, onde um fator de forma de cerca de 1,3 indica fluxo totalmente turbulento e cerca de 2,6 para fluxo laminar. Entre esses valores está o fluxo de transição. No caso deste experimento, o fator de forma foi calculado como 1,9, indicando fluxo de transição.

Em resumo, aprendemos sobre o desenvolvimento do fluxo da camada limite e, em seguida, usamos uma configuração de anemometria de temperatura constante para analisar a camada limite turbulenta sobre uma placa plana e observar um comportamento baixo.