Anemometria com fio quente

A anemometria de fio quente é uma técnica experimental comum para medir a velocidade do fluido durante os testes de fluxo. A velocidade é muitas vezes um parâmetro importante do fluxo a ser caracterizado. Mas, como acontece com muitas propriedades de fluxo, é um desafio medir sem afetar o experimento. A medição de fluxos turbulentos adiciona uma complicação adicional, uma vez que a velocidade pode flutuar rapidamente neste regime. Os anemômetros de fio quente são um diagnóstico bem-sucedido porque podem ser feitos muito pequenos para minimizar seu impacto no fluxo medido. E eles têm uma resposta de tempo rápida o suficiente para resolver flutuações rápidas de velocidade no fluxo. Este vídeo ilustrará como um anemômetro de fio quente funciona na configuração de temperatura constante. E então mostre como esses dispositivos são calibrados em preparação para seu uso em experimentos de fluxo.

Em sua forma mais simples, um anemômetro de fio quente consiste em um fio resistivo curto suspenso entre dois suportes e colocado no fluxo de interesse. O fio é aquecido eletricamente a uma temperatura bem acima da temperatura do fluido ambiente, de modo que o calor gerado neutralize o calor perdido do resfriamento por convecção. Como a taxa de resfriamento convectivo depende da velocidade do fluido, uma relação entre a energia elétrica no anemômetro e a velocidade do fluxo pode ser definida. O aquecimento Joule do fio é o produto da resistência do fio e do quadrado da corrente elétrica. Para a maioria dos materiais, a resistência depende da temperatura e é bem aproximada por relações lineares, onde a constante alfa é especificada pelo material do fio. O resfriamento convectivo pode ser modelado usando a Lei de King. Nesta equação, A e B são constantes a serem determinadas durante a calibração. E o expoente da velocidade N é tipicamente em torno de 0,45. No estado estacionário, o aquecimento e o resfriamento são equilibrados. Mas determinar a potência de entrada instantânea depende de conhecer a resistência e a corrente simultaneamente. Uma estratégia conhecida como Anemometria de Temperatura Constante é fornecer apenas corrente suficiente para manter a temperatura e, portanto, a resistência do fio constante. Isso é feito usando uma ponte de Wheatstone com o fio quente servindo como uma perna do circuito da ponte. A ponte pode ser pensada como dois divisores de tensão em paralelo, e a diferença em suas saídas é a tensão da ponte. Se as razões são um para R2 e RW para R3 são iguais, a ponte é balanceada e a tensão da ponte é zero. Caso contrário, a tensão da ponte é amplificada e usada como um sinal de feedback. A corrente fluirá através do fio quente, aquecendo-o até que a ponte esteja em equilíbrio. A temperatura de linha de base do fio quente pode ser ajustada ajustando o resistor de controle R1. A Lei de Ohm pode ser usada para relacionar a corrente que flui através do fio quente com a tensão da ponte. Agora, como nosso W é mantido constante, os termos de resistência podem ser absorvidos pelas constantes de calibração. E a velocidade é especificada em função da tensão da ponte. As constantes de calibração são determinadas colocando o anemômetro em um sistema de fluxo de referência. As medições devem ser feitas em várias velocidades de fluxo conhecidas para que uma regressão de mínimos quadrados possa ser realizada. A veia contracta do jato livre é um fluxo de referência útil porque a velocidade média é bem caracterizada pela densidade do fluido e diferencial de pressão. Agora que você entende como funciona o anemômetro de fio quente, vamos ver como o dispositivo pode ser calibrado experimentalmente usando a veia contracta de um jato livre.

Antes de começar a configurar, familiarize-se com o layout e os procedimentos de segurança da instalação. O sistema de fluxo consiste em um plenum pressurizado por um ventilador centrífugo. Um jato livre se forma a partir da fenda na lateral do plenum e a pilha na parte superior permite que a pressão do plenum seja ajustada trocando as placas de orifício restritivas. Agora configure o sistema de aquisição de dados conforme mostrado no diagrama do texto. Conecte a guia de pressão do plenum à porta positiva do transdutor de pressão e deixe a porta negativa aberta para a atmosfera. Defina o canal zero no sistema de aquisição de dados para a tensão da ponte do anemômetro e o canal um para o transdutor de pressão. No software de aquisição de dados, defina o canal de fio quente como zero e o canal do transdutor de pressão como um. Finalmente, defina a constante N para 0,45 e a taxa de amostragem para 100 Hertz e o total de amostras para 1000. Insira os valores para a densidade do ar local na constante de calibração do transdutor nos campos apropriados para que o sistema de aquisição de dados relate os resultados em metros por segundo. Use um espaçamento calibrado para definir a largura da fenda para 19,05 milímetros ou três quartos de polegada. Em seguida, fixe o anemômetro de fio quente no fluxo na posição da veia contraída, que está a uma distância de 1,5 vezes a largura da fenda da abertura. Localize o anemômetro e o plano médio do jato atravessando a sonda na direção do fluxo cruzado até que o sinal no osciloscópio mostre flutuações mínimas. Agora cubra a pilha completamente para estabelecer a velocidade máxima do jato e, em seguida, ligue o recurso de fluxo. Use o software para registrar um ponto de dados. Após a conclusão da medição, troque a placa de orifício por uma com a menor abertura. Faça outra medição com a nova placa de orifício. Continue trocando placas de orifício e fazendo medições até coletar pelo menos seis pontos de dados, incluindo um com a pilha totalmente irrestrita. Recupere as constantes de calibração do software de aquisição de dados.

Depois de terminar de coletar dados, você terá medições de tensão dos circuitos da ponte correspondentes a uma faixa de diferentes velocidades de fluxo. Plote a tensão ao quadrado em função da velocidade elevada à potência 0,45. E, em seguida, execute um ajuste linear de mínimos quadrados aos dados. A inclinação e a interceptação do ajuste são as constantes de calibração para este anemômetro de fio quente. Agora que o anemômetro foi calibrado, ele pode ser usado em uma configuração de fluxo diferente para medir uma velocidade desconhecida.

Os anemômetros de fio quente são freqüentemente usados em experimentos científicos de fluxo. A anemometria de fio quente é amplamente utilizada para estudar os escoamentos da camada limite em túneis de vento. As camadas limite são um dos mais antigos temas de pesquisa em mecânica dos fluidos devido à sua relevância para aplicações tecnológicas, como projeto aerodinâmico, engenharia naval e geração de energia, entre outras. Em detrimento de todos esses campos, muitos efeitos envolvendo a camada limite ainda são incipientemente compreendidos. Rugosidade altamente irregular, gradientes de densidade e viscosidade e compressibilidade, para citar alguns. Com isso em mente, a anemometria de fio quente é usada em ambientes de laboratório para avaliar os fluxos da camada limite relevantes para as aplicações mencionadas acima. Usando estratégias semelhantes à demonstrada no experimento atual. Os sistemas de ventilação industrial são usados para controlar fumaça, partículas, aerossóis, produtos de combustão ou outros contaminantes em ambientes industriais. Normalmente, cada contaminante será gerado em uma taxa diferente. Portanto, o sistema de exaustão exigirá uma taxa de fluxo diferente para cada contaminante para eliminá-los com eficiência. Este procedimento é normalmente realizado com a ajuda de um anemômetro de fio quente. Em que o engenheiro define a posição de um amortecedor em cada linha, buscando fazer com que a leitura do anemômetro corresponda a um valor de velocidade pré-estimado.

Você acabou de assistir à introdução de Jove à anemometria de fio quente. Agora você deve entender como funciona um anemômetro de temperatura constante e como calibrar este dispositivo para uso em experimentos de fluxo. Obrigado por assistir.