Постоянная температурная анемометрия: инструмент для изучения турбулентного течения в пограничном слое

Пограничный слой — это тонкая область потока, непосредственно примыкающая к поверхности твердого тела в поле потока. Область течения за пределами пограничного слоя, называемая областью свободного потока, имеет постоянную скорость. Однако в пределах пограничного слоя существует градиент скорости из-за трения на поверхности. Пограничный слой обычно проходит несколько стадий.

Сначала ламинарное граничное состояние, за которым следует переходное состояние и, наконец, турбулентное состояние пограничного слоя, которое включает в себя нерегулярный поток и флуктуации, такие как перемешивание или вихряние. Пограничный слой является основой для расчета сопротивления трения обшивки на самолете.

Сопротивление трения обшивки создается внутри пограничного слоя и возникает из-за вязкого напряжения сдвига, оказываемого на поверхность. Сопротивление поверхностного трения пропорционально динамической вязкости жидкости, mu, и скорости сдвиговой деформации местного потока, которая представляет собой градиент скорости потока в нормальном направлении. Таким образом, он становится значимым для больших площадей, таких как крыло самолета. Кроме того, сопротивление трения кожи выше в турбулентном потоке, поскольку частицы жидкости взаимодействуют с поверхностью с высоким импульсом.

Одним из способов измерения свойств турбулентного пограничного слоя является использование анемометрии с горячей проволокой, которая основана на двух принципах, связанных с охлаждающим эффектом потока на нагретом проводе. Согласно первому принципу, когда жидкость течет по горячей поверхности, коэффициент конвективной теплоты изменяется, что приводит к изменению температуры поверхности.

Второй принцип — это закон Джоуля, который гласит, что тепловыделение электрического проводника, Q, пропорционально квадрату электрического тока I, приложенного к проводнику. Мы можем использовать эти два принципа для определения скорости потока жидкости вокруг нагретого металлического проволочного зонда, измеряя электрический потенциал E, который должен быть приложен для поддержания постоянной температуры провода.

Обычно используемым методом горячей проволоки является анемометрия постоянной температуры или CTA. CTA состоит из очень тонкой металлической проволоки, называемой зондом, которая соединена с плечом моста Уитстона. Мост Уитстона контролирует электрический потенциал и регулирует его по мере необходимости, чтобы поддерживать постоянную температуру по проводу. Любое охлаждение вызвано потоком жидкости вокруг провода. Таким образом, изменение потенциала является функцией коэффициента теплоотдачи и, в более широком смысле, является функцией скорости.

В этом эксперименте мы продемонстрируем использование анемометрии постоянной температуры для измерения турбулентного пограничного слоя на плоской пластине.

Сначала мы узнаем, как система анемометра постоянной температуры, или CTA, реагирует на изменения сигнала потока с помощью аэродинамической трубы. Для начала закрепите щуп с горячей проволокой системы CTA внутри аэродинамической трубы с помощью опорной шахты.

Затем настройте источник питания постоянного тока, генератор сигналов и осциллограф. Компоненты соединяются, как показано на рисунке. Для начала включите блок питания по горячему проводу, генератор сигналов и осциллограф. Настройте генератор сигналов на подачу сигнала на вход прямоугольной волны на мост Уитстона с амплитудой 150 мВ и частотой 10 кГц.

Наблюдайте за выходным сигналом в осциллографе, чтобы убедиться в правильности частоты и амплитуды. Теперь закройте тестовый участок, подключите последовательный кабель, включите аэродинамическую трубу и установите скорость ветра на 40 миль в час. Как только воздушный поток стабилизируется, измерьте ширину выброса сигнала, тау, наблюдаемую на осциллографе. Используйте измеренное значение тау для расчета частоты среза для системы горячей проволоки с использованием этого уравнения. Затем выключите обдув аэродинамической трубы.

Далее мы установим корреляцию между скоростью ветра и электрическим потенциалом моста Уитстона. Для начала поднимите зонд CTA в вертикальном направлении так, чтобы он находился в области свободного потока. Запустите программное обеспечение для управления аэродинамической трубой, а затем запустите программное обеспечение виртуального прибора. Установите частоту дискретизации на 10 кГц и количество выборок на 100 000.

Теперь, когда скорость полета в аэродинамической трубе установлена на 0 миль в час, запишите напряжение на мосту Уитстона. Затем увеличьте скорость полета в аэродинамической трубе с шагом от 3 миль в час до 15 миль в час, измеряя напряжение с каждым шагом. Перед записью измерения напряжения обязательно дайте воздушному потоку стабилизироваться.

Затем увеличьте скорость воздуха в аэродинамической трубе до 60 миль в час с шагом 5 миль в час, измеряя напряжение на каждом шаге. Когда все измерения будут завершены, уменьшите скорость полета до 30 миль в час, а затем выключите воздушный поток в аэродинамической трубе.

Используя ту же настройку, что и раньше, медленно опускайте датчик CTA, пока он не коснется пола испытательного участка, который будет действовать как плоская пластина. Установите воздушный поток на 40 миль в час. Частота дискретизации должна быть на уровне 10 килогерц, а количество проб — на уровне 100 000. Запишите напряжение на самом низком вертикальном уровне, который находится рядом с плоской пластиной и в пограничном слое.

Теперь переместите щуп вертикально с шагом 0,05 мм на высоту 0. 5 мм, записывая показания напряжения в каждой позиции. Затем увеличьте высоту щупа с шагом 0,1 мм до высоты 1. 5 мм. И далее с шагом 0,25 мм до конечной высоты 4 мм, при этом записывая напряжение при каждом шаге.

Когда все измерения будут выполнены, уменьшите скорость ветра до 20 миль в час, а затем выключите поток воздуха. Затем выключите блок питания, генератор сигналов и осциллограф.

Первым шагом в анализе данных является использование данных, полученных на этапе калибровки эксперимента, для определения корреляции между напряжением горячей проволоки и скоростью воздуха. Существует несколько различных методов для этого, которые включают в себя подгонку данных к известным соотношениям теплопередачи, и они подробно описаны в приложении к этому видео.

После того, как математическая зависимость определена, используйте измерения напряжения для расчета скорости на каждой вертикальной высоте. После регулировки номинальной высоты с учетом любых артефактов от изогнутого преобразователя постройте профиль скорости u(y), который затем можно использовать для определения толщины смещения пограничного слоя.

Это значение представляет собой расстояние, на которое пластина должна быть перемещена вертикально, чтобы получить ту же скорость потока, которая происходит между поверхностью и жидкостью. Мы также можем рассчитать толщину импульса, определенную как показано на рисунке, которая представляет собой расстояние, на которое пластина должна быть перемещена вертикально, чтобы иметь тот же импульс, который существует между жидкостью и пластиной.

Исходя из этих двух параметров, мы можем рассчитать коэффициент формы H. Коэффициент формы используется для определения характера потока, где коэффициент формы около 1,3 указывает на полностью турбулентный поток, а около 2,6 — на ламинарный поток. Между этими значениями происходит переходный поток. В данном эксперименте коэффициент формы был рассчитан как 1,9, что указывает на переходное течение.

Таким образом, мы узнали о развитии течения в пограничном слое, а затем использовали установку анемометрии постоянной температуры для анализа турбулентного пограничного слоя над плоской пластиной и наблюдения за низким поведением.