Измерение турбулентных потоков

Турбулентные потоки играют важную роль в самых разных инженерных и естественных системах. В результате часто возникает необходимость в проведении измерений внутри системы, чтобы определить характеристики потока. Турбулентные потоки демонстрируют очень высокие частотные флуктуации, поэтому любой инструмент, используемый для измерения и определения характеристик турбулентности, должен иметь достаточно высокое временное разрешение для устранения этих изменений. Для этих измерений часто используются анемометры с горячей проволокой, потому что они небольшие, надежные и достаточно быстрые, чтобы дать полезные результаты. В этом видео показано, как использовать откалиброванный зонд анемометра с горячей проволокой для получения измерений скорости и турбулентности в различных положениях свободной струи, а затем выполнить базовый статистический анализ данных для определения характеристик турбулентного поля.

О турбулентном потоке могут свидетельствовать высокие случайные колебания переменных потока, таких как скорость, давление и завихренность. Эти флуктуации являются результатом нелинейных взаимодействий между когерентными движениями в поле потока, поэтому высокочастотные колебания, наблюдаемые при измерениях турбулентности, являются результатом реальных физических эффектов, а не результатом случайного электронного шума. Классическое описание турбулентного потока включает в себя определение среднего значения переменных потока и соответствующих им колебаний во времени. Например, средняя скорость, обозначенная полосой над столбиком, находится путем интегрирования мгновенной скорости за время измерения и масштабирования по размеру области интегрирования. В случае дискретных измерений, таких как измерения с помощью цифровых систем сбора данных, интеграл должен быть решен численно. После того, как средняя скорость найдена, ее можно вычесть из исходного сигнала, чтобы получить зависящие от времени колебания и скорость, обозначаемые простым числом. Из этих определений легко показать, что среднее значение поля флуктуаций равно нулю. В результате требуется более подходящий статистический дескриптор для поля колебаний. Очень распространенной мерой является среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение колебаний. Эта метрика похожа на среднее значение, за исключением того, что переменная возводится в квадрат перед интегрированием и берется квадратный корень из результата. Интенсивность турбулентности задается среднеквадратичным значением скорости, и это измерение будет продемонстрировано на свободной струе в следующем разделе. Средняя скорость свободной струи имеет изначально плоский верх, который сглаживается по мере распространения струи из-за попадания окружающего воздуха в струю. Это увлечение также приводит к тому, что линейный импульс струи распространяется по всему диапазону по мере того, как струя течет вниз по потоку, что приводит к расширению струи по мере ее распространения. Область взаимодействия между струей и окружающим воздухом называется слоем смешивания, и эта область увеличивается к центральной линии по мере того, как струя движется вниз по потоку. В результате внутри струи остается область, известная как потенциальное ядро, которое ограничено в направлении потока выходом струи и точкой, в которой слой смешивания достигает центральной линии. Потенциальное ядро — это область, которая не подверглась влиянию взаимодействия с окружающей средой. На центральной линии потенциальное ядро простирается вниз по потоку примерно в четыре раза на ширину выхода струи. Теперь, когда вы знакомы с основами измерения турбулентности, давайте рассмотрим, как это можно использовать для определения характеристик свободной струи.

Прежде чем приступить к настройке, ознакомьтесь с планировкой и процедурами безопасности объекта. Этот эксперимент будет проводиться на той же проточной системе, которая использовалась для калибровки анемометра с горячей проволокой, и система сбора данных должна быть настроена таким же образом. В программном обеспечении для сбора данных установите частоту дискретизации на 500 Гц, а общее количество выборок — на 5 000. Обновите константы n, A и B, чтобы они соответствовали значениям, определенным в ходе калибровки. Теперь настройте функцию потока. Используйте откалиброванную распорку, чтобы установить ширину щели на 19,05 миллиметра или три четверти дюйма, а затем переместите анемометр с горячей проволокой в сосудистую вену струи, в 1,5 раза превышающую ширину щели от выхода. Начиная с анемометра над щелью, снижайте высоту до тех пор, пока сигнал на осциллографе не достигнет минимального колебания. Запишите это вертикальное положение, которое соответствует центральной линии струи. Теперь переместите анемометр обратно вверх до тех пор, пока флуктуация сигнала не достигнет максимума и это положение не будет соответствовать верхнему сдвиговому слою струи. Вставьте пустую диафрагму в стопку так, чтобы скорость потока была максимальной, а затем включите устройство потока. После того, как установится устойчивый поток, используйте систему сбора данных для измерения средней скорости и интенсивности турбулентности в этой точке струи и запишите эти значения. Теперь переместите анемометр на два миллиметра вниз и снова измерьте среднюю скорость и интенсивность турбулентности. Продолжайте опускать анемометр с шагом в два миллиметра и проводить измерения до тех пор, пока не произойдет заметных изменений в обоих измерениях. После записи окончательной высоты переместите анемометр вниз до тех пор, пока он не окажется ниже центральной линии на такое же расстояние. Продолжайте измерения и перенос вверх до тех пор, пока анемометр не вернется к центральной линии. Когда вы закончите, переместите анемометр вниз по потоку до тех пор, пока он не станет в три раза шире щели от выхода струи. Произведите измерения профиля струи в этом новом положении по потоку, следуя той же процедуре, которую вы использовали в первом месте. Повторите измерения профиля струи на расстоянии в шесть и девять раз больше ширины щели от выхода струи. После завершения измерений выключите проточную установку.

Взгляните на свои данные. В каждом положении по потоку у вас есть измерения средней скорости и интенсивности турбулентности, полученные в ряде точек по диапазону. Сначала построим график средней скорости в зависимости от положения по пролету. Масштабируйте значения по значению центральной линии и найдите точки, где кривая пересекает порог в 50%, интерполируя по мере необходимости. Эти точки определяют ширину дельты струи в этом положении по течению. Рассчитайте ширину, взяв разницу. В этом случае ширина составляет около 21,5 миллиметров. Теперь сравните среднюю скорость центральной линии и ширину струи в разных положениях линий водотока. Скорость центральной линии остается в основном неизменной примерно в четыре раза больше ширины щели от выхода из-за потенциального ядра, но уменьшается за пределами этого расстояния. Увеличение ширины струи с расстоянием указывает на разброс линейного импульса струи при увлечении окружающим воздухом. Теперь построим график интенсивности турбулентности в зависимости от положения по пролету. Поскольку перемешивание происходит на границе между струей и окружающей средой, интенсивность турбулентности достигает пика в сторону от центральной линии.

Турбулентные потоки широко распространены в научных и инженерных приложениях. Для его оценки в инженерных приложениях, таких как вентиляция, отопление и кондиционирование воздуха, обычно используются портативные датчики с горячей проволокой, которые вводятся в воздуховод и проходят радиально для получения профилей скорости. Затем эта информация используется инженером либо для балансировки вновь установленной системы потока, чтобы обеспечить ее правильную работу, либо для устранения неисправности системы и решения любой проблемы, препятствующей ее работе. Когда новое наземное, воздушное или морское транспортное средство или сооружение спроектировано так, чтобы выдерживать силы турбулентных течений, необходимо проверить его характеристики в реальных условиях потока в ветровой или водной трубе. Для моделирования условий турбулентности, возникающих в атмосфере или океане, входящий поток может быть нарушен с помощью активных или пассивных сеток, которые внесут значительные колебания в поток. Затем исследуемое транспортное средство или конструкция могут быть установлены в испытательной секции ветровой или водной трубы, чтобы измерить, как они справляются с нагрузками, создаваемыми турбулентным потоком. Эти измерения могут быть выполнены непосредственно с помощью аэродинамических балансов, которые измеряют результирующее сопротивление и подъемную силу. Кроме того, скорость вокруг модели, испытываемой в туннеле, может дать важную информацию о производительности. Эта характеристика обычно проводится с помощью анемометра с горячей проволокой в аэродинамической трубе.

Вы только что посмотрели введение Юпитера в измерение турбулентных течений. Теперь вы должны понять, как использовать анемометры с горячей проволокой для измерения и оценки профилей потока и интенсивности турбулентности. Спасибо за просмотр.