测量紊流

Mechanical Engineering

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Overview

资料来源: 里卡多梅希亚-阿尔瓦雷斯和 Hussam Hikmat, 密歇根州立大学机械工程系, 东兰辛, MI

湍流流动表现出非常高的频率波动, 需要具有高时间分辨力的仪器来进行适当的表征。热线风速有足够短的时间响应来满足这一要求。本实验的目的是演示用热线测速来表征湍流射流。

在这个实验中, 一个先前校准的热线探头将被用来获得在射流中不同位置的速度测量。最后, 我们将对数据进行基本的统计分析, 以描述湍流场的特征。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 机械工程. 测量紊流. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

紊流的描述

湍流的流动可以通过高度随机的波动来证明, 如流速、压力和涡度。图1表示一个典型的速度信号, 通过测量紊流中定点的速度来获得。该信号的涨落不是随机噪声, 而是流场内相干运动之间的非线性相互作用的结果。对湍流流动的经典描述, 包括随着时间的推移, 确定流动变量的平均值及其相应的涨落。为此, 我们使用函数平均值的定义来确定速度测量的平均值:

(1)

这里, 是集成域的大小, 这将是当前度量中的时间间隔. 正如等式 (1) 所暗示的, 我们将使用一个顶来表示一个变量的平均值。鉴于信号的数字采集是离散的, 等式 (1) 的积分应该用梯形或辛普森定律 [1] 来进行数值求解。像这样的与时间相关的变量的涨落可以按如下方式计算:

(2)

正如在这个等式中所看到的, 起伏场是用一个素数符号表示的。通过将公式 (1) 应用于, 我们可以很容易地确定波动字段的平均值为零:

(3)

因此, 波动场的一个更合适的统计描述符是波动的根平均平方:

(4)

这个统计描述符实际上是一个非常普遍的测量湍流强度。目前的实验将以确定湍流场的平均速度和湍流强度为基础。

Figure 1
1.由热线风速仪恢复的湍流流动速度的典型信号。原始信号, , 可以在波动字段中分解, , 叠加在平均速度值上, .

实验设置

如图 2 (a) 所示, 该设施基本上是一个由离心风扇加压的全会。图 2 (B) 显示了在一个平面射流的另一侧有一个狭缝。如图 2 (C) 所示, 一个遍历系统在平面射流的指定位置持有热线风速仪。这个遍历系统将被用来确定不同位置的射流的速度。图3的示意图显示了一个具有代表性的位置, 测速将被执行, 以描述平面射流中的湍流场。

Figure 2
2.实验装置(A): 流动设施;压舱通过离心风扇被加压。(B): 用于发出平面射流的狭缝。(C): 遍历系统以改变风速仪沿射流的位置.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
3.平面射流示意图显示: 腔 contracta, 给定下游位置的速度分布, 以及连接关系图.请单击此处查看此图的较大版本.

Procedure

  1. 测量狭缝的宽度, W, 并在表1中记录此值。
  2. 沿中心线将热线风速仪设置为从出口等于x = 1.5W的距离。在表2中记录此流向位置。中心线是展坐标的原点 (y = 0)。
  3. 启动用于遍历 jet 的数据获取程序。将采样率设为500赫兹, 共5000样本 (即10s 的数据)。
  4. 记录表3中热线的当前展位置。
  5. 获取数据。
  6. 数据采集系统将利用方程 (1) 和 (4) 计算该数据集的平均速度和湍流强度。
  7. 在表3中记录这两个值。
  8. 将热线移动到下一个 (正) 展位置 (mm).
  9. 重复步骤5至 8, 直到平均速度和湍流强度没有任何明显的变化。
  10. 将热线移回中心线。
  11. 将热线移动到下一个 (负) 展位置 (mm).
  12. 获取数据。
  13. 数据采集系统将利用方程 (1) 和 (4) 计算该数据集的平均速度和湍流强度。
  14. 在表3中记录这两个值。
  15. 重复步骤11至 14, 直到平均速度和湍流强度没有任何明显的变化。
  16. 将热线移回喷气机的中心线。
  17. 将热线沿下游方向的射流中心线移动到新位置 (例如x = 3W)。
  18. 重复步骤4到 17, 为所需的许多流向位置 (例如x = 1.5w, 3w, 6w, 9w)。

表1。实验研究的基本参数。

参数
狭缝宽度 (W) 19.05 毫米
空气密度 (r) 1.2 公斤/米3
传感器校准常数 (m_p) 76.75 Pa/五
校准常数 A 5.40369 V2
校准常数 B 2.30234 V2(m/秒)-0.65

Figure 4
图4。流量控制系统。在全会顶部的栈服务的目的是分流从射流狭缝允许控制喷气机的出口速度.请单击此处查看此图的较大版本.

湍流在各种工程和自然发生的系统中起着重要的作用。因此, 经常需要在系统内进行测量, 以确定流程的特征。湍流流动表现出非常高的频率波动, 所以任何用于测量和表征湍流的仪器都必须有足够的时间分辨率来解决这些变化。热线风速通常用于这些测量, 因为它们体积小, 健壮, 而且速度快, 可以产生有用的结果。这个视频将说明如何使用校准热线风速仪探头, 以获得在不同位置的速度和湍流测量在一个自由射流, 然后对数据进行基本的统计分析, 以表征湍流场。

湍流流动可以通过高随机波动来证明, 如流速、压力和涡度。这些波动是流场内相干运动之间的非线性相互作用的结果, 因此在湍流测量中看到的高频振荡来自于实际的物理效应, 而不是随机电子噪声的结果。湍流流动的经典描述包括确定流动变量的平均值和它们随时间变化的相应波动。例如, 通过将瞬时速度与测量时间相结合并按集成域的大小进行缩放, 可找到平均速度 (用一个过杆表示)。在离散测量的情况下, 如从数字采集系统, 必须解决积分的数值。一旦发现平均速度, 就可以从原始信号中扣除, 从而产生由素数表示的时间依赖性波动和速度。从这些定义中, 可以很容易地证明波动场的平均值为零。因此, 需要一个更合适的波动场统计描述符。一个非常普遍的措施是波动的根平均平方或 RMS。这个度量与平均值相似, 只是变量在积分之前是平方, 而结果的平方根是取的。湍流强度由速度的 RMS 给出, 这个测量将在下一节的自由射流上演示。自由射流的平均速度有一个最初平坦的轮廓, 平滑的喷气机传播由于周围的空气夹带到喷气机。这一夹带还导致射流的线性动量传播跨度-明智的射流流下游导致扩大射流, 因为它传播。射流与周围空气之间的相互作用区域称为混合层, 当射流向下游移动时, 该区域向中心线生长。这将留下一个区域内的喷气机称为潜在的核心, 是划定的流明智的方向, 由喷气出口和点, 混合层到达中心线。潜在的核心是一个没有受到周围环境相互作用影响的区域。在中心线, 潜在的核心延伸到下游约四倍的宽度的喷气机出口。现在, 您已经熟悉了湍流测量的基础知识, 让我们来看看如何用它来表征一个自由射流。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。本实验将在热丝风速计标定的同一流量系统上进行, 并以相同的方式设置数据采集系统。在数据采集软件中, 将采样率设置为500赫兹, 样本总数为5000。更新常数 n、a 和 B, 以匹配从校准确定的值。现在设置流程设施。使用校准间隔将狭缝宽度设置为19.05 毫米或三英寸, 然后将热线风速仪转换为1.5 倍于出口的狭缝宽度的 contracta 腔。从狭缝上方的风速计开始, 降低高度直到示波器上的信号达到最小的波动。记录垂直位置, 它对应于射流的中心线。现在翻译的风速仪备份, 直到信号的波动是一个最大的, 这个位置对应的上层剪切层的喷气机。将空白孔板插入堆叠, 使流速最大化, 然后打开流量装置。一旦稳定流建立, 使用数据采集系统来测量在这一点的平均速度和湍流强度在喷气机和记录这些值。现在, 将风速计的跨度降低两毫米, 并再次测量平均速度和湍流强度。继续降低风速两毫米, 并采取测量, 直到没有明显的变化, 两个测量。在录制完最后的高度后, 将风速计向下平移, 直到它在中心线下的距离相同。恢复测量和翻译, 直到风速计回到中心线。当您完成后, 翻译风速计顺流, 直到它是三倍狭缝宽度从喷气机出口。按照您在第一个位置使用的相同步骤, 在这个新的流明智位置测量 jet 配置文件。重复您的测量的喷气机外形在六和九倍狭缝宽度从喷气机出口。完成测量后, 关闭流设备。

请看一下您的数据。在每一个流明智的位置, 你有测量的平均速度和湍流强度采取了一系列的跨度-明智的点。首先绘制平均速度作为一个函数的跨度-明智的位置。按中心线值缩放值, 并找到曲线与50% 阈值相交的点, 必要时进行插补。这些点定义的喷气宽度三角洲在这个流明智的位置。通过取差来计算宽度。在这种情况下, 宽度大约是21.5 毫米。现在比较平均中线速度和射流宽度在不同的流线位置。中心线速度基本上保持不变, 约四倍的狭缝宽度从出口由于潜在的核心, 但下降超过这个距离。射流宽度随距离的增加, 表明了射流的线性动量随周围空气的传播而增大的幅度。现在, 把湍流强度作为一个跨度--明智的位置的函数来绘制。由于混合发生在射流和周围环境之间的边界, 湍流强度峰值远离中心线。

紊流在科学和工程应用中无处不在。对于在通风、供暖和空调等工程应用中的评估, 通常使用可携带的热金属丝探头, 并向管道内径向移动, 以获得速度剖面。然后, 工程师使用此信息来平衡新安装的流系统, 以确保其正常运行, 或解决故障系统的故障, 并处理妨碍其运行的任何问题。当一种新的地面、空中或海上车辆或结构被设计成能经受紊流的作用力时, 必须在风或水隧道的实际水流条件下测试其性能。为了模拟大气或海洋中发生的湍流情况, 流入的水流可能会被主动或被动的栅格扰乱, 这会在水流中产生明显的波动。然后, 研究的车辆或结构可以安装在风洞试验段, 以测量它如何处理湍流所引入的荷载。这些测量可以直接与空气动力平衡, 测量产生的阻力和升力。此外, 在隧道中测试的模型周围的速度可能会提供有关性能的重要信息。这种特性通常是用热线风速在风洞中进行的。

你刚刚看了朱庇特的介绍测量湍流流。您现在应该了解如何部署热线风速, 以测量和评估流量剖面和湍流强度。谢谢收看

Results

图 5显示了在下游位置的平均速度分布情况x = 3W。和图 6显示了在同一下游位置的射流中湍流强度的分布。表3中的平均速度和湍流强度的局部值的结果在流向位置x = 3W.该表的最后一列是局部速度和中心线速度之间的比值。此比率用于确定 jet 宽度 (), 该值定义为两个位置之间的距离, 本地速度为中心速度的 50%. 请注意, 从表2中, 这两个位置位于和间隔中的某处. 它们的确切位置是使用线性插值确定的, 并且被确定为: mm 和 mm, 用于喷射厚度为 mm.

在表2中比较了四不同实验的结果。下表显示了 jet 的中心线速度 () 在中的基本保持不变, 但随着的变化而减小. 此效果是的潜在内核的存在及其对的消失的结果. 潜在的核心是喷气机内的区域, 它没有受到环境和射流之间相互作用的影响。相互作用的区域被称为混合层, 当射流顺流移动时, 它向中线方向生长, 远离射流。这种增长是由于周围空气夹带到喷气机。由于这种夹带效应, 射流的线性动量沿展方向传播, 导致其宽度随而增大. 此效果由表2上的结果证明. 由于混合发生在射流和周围环境之间的边界, 湍流强度峰值 () 远离中心线, 位于由和定义的展位置. 为了简单起见, 表2只显示了射流正侧湍流强度峰值的值。

Figure 5
5.代表性的结果。速度分布在 x = 3W.

Figure 6
6.代表性的结果。湍流强度分布在 x = 3W.

Table2.代表性的结果。在 x = 1.5w、 3w、 6w、 9w中的不同统计描述符.

x/W u#̅_cl(m/秒) δ(mm) (u′_rms) _max (m/秒) y_ (+, (u′_rms) _max)
1。5 27.677 19.37 4.919 0.9525
3。0 27.706 21.50 4.653 0.9525
6。0 24.783 28.18 4.609 0.9525
9。0 20.470 39.68 4.513 1.2700

Table3.代表性的结果。测量速度和湍流强度在 x = 3W.

y(mm) u#̅(m/秒) u′_rms (m/秒) u#̅∕u@xmltag@#̅_cl
-28.575 0.762 0.213 0.028
-25.400 0.783 0.311 0.028
-22.225 0.949 0.554 0.034
-19.050 1.461 1.218 0.053
-15.875 3.751 2.727 0.135
-12.700 8.941 4.114 0.323
-9.525 14.919 4.633 0.538
-6.350 22.383 4.043 0.808
-3.175 26.952 1.958 0.973
0.000 27.706 1.039 1.000
3.175 27.416 1.455 0.990
6.350 23.573 3.730 0.851
9.525 17.748 4.653 0.641
12.700 11.175 4.443 0.403
15.875 5.583 3.399 0.202
19.050 1.943 1.663 0.070
22.225 1.159 0.785 0.042
25.400 0.850 0.383 0.031
28.575 0.877 0.271 0.032

Applications and Summary

实验证明了热线测速在表征湍流流动中的应用。由于湍流表现出高频速度波动, 热线风速是适合其特性的仪器, 因为它们具有很高的时间分辨率。考虑到这一点, 我们用一个校准的热线风速仪来描述平面射流中不同位置的平均局部速度和湍流强度。这些数量是在介绍本文件时使用的湍流统计描述符确定的。从这些统计描述符, 它被观察喷气机传播在展方向由于流体夹带, 而湍流峰顶在混合的层数之内, 远离中心线喷气机, 由于流体混合。

紊流在科学和工程应用中无处不在。在通风、供暖和空调等工程应用中, 通常使用可携带的热丝探针, 并通过径向来获得速度剖面。然后, 工程师使用此信息来平衡新安装的流系统, 以确保其正常运行, 或解决故障系统, 并处理妨碍其运行的任何问题。

References

  1. Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
  2. King, L.V. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character 214 (1914): 373-432.
  3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  4. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
  5. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research,6:765-775, 1931.
  1. 测量狭缝的宽度, W, 并在表1中记录此值。
  2. 沿中心线将热线风速仪设置为从出口等于x = 1.5W的距离。在表2中记录此流向位置。中心线是展坐标的原点 (y = 0)。
  3. 启动用于遍历 jet 的数据获取程序。将采样率设为500赫兹, 共5000样本 (即10s 的数据)。
  4. 记录表3中热线的当前展位置。
  5. 获取数据。
  6. 数据采集系统将利用方程 (1) 和 (4) 计算该数据集的平均速度和湍流强度。
  7. 在表3中记录这两个值。
  8. 将热线移动到下一个 (正) 展位置 (mm).
  9. 重复步骤5至 8, 直到平均速度和湍流强度没有任何明显的变化。
  10. 将热线移回中心线。
  11. 将热线移动到下一个 (负) 展位置 (mm).
  12. 获取数据。
  13. 数据采集系统将利用方程 (1) 和 (4) 计算该数据集的平均速度和湍流强度。
  14. 在表3中记录这两个值。
  15. 重复步骤11至 14, 直到平均速度和湍流强度没有任何明显的变化。
  16. 将热线移回喷气机的中心线。
  17. 将热线沿下游方向的射流中心线移动到新位置 (例如x = 3W)。
  18. 重复步骤4到 17, 为所需的许多流向位置 (例如x = 1.5w, 3w, 6w, 9w)。

表1。实验研究的基本参数。

参数
狭缝宽度 (W) 19.05 毫米
空气密度 (r) 1.2 公斤/米3
传感器校准常数 (m_p) 76.75 Pa/五
校准常数 A 5.40369 V2
校准常数 B 2.30234 V2(m/秒)-0.65

Figure 4
图4。流量控制系统。在全会顶部的栈服务的目的是分流从射流狭缝允许控制喷气机的出口速度.请单击此处查看此图的较大版本.

湍流在各种工程和自然发生的系统中起着重要的作用。因此, 经常需要在系统内进行测量, 以确定流程的特征。湍流流动表现出非常高的频率波动, 所以任何用于测量和表征湍流的仪器都必须有足够的时间分辨率来解决这些变化。热线风速通常用于这些测量, 因为它们体积小, 健壮, 而且速度快, 可以产生有用的结果。这个视频将说明如何使用校准热线风速仪探头, 以获得在不同位置的速度和湍流测量在一个自由射流, 然后对数据进行基本的统计分析, 以表征湍流场。

湍流流动可以通过高随机波动来证明, 如流速、压力和涡度。这些波动是流场内相干运动之间的非线性相互作用的结果, 因此在湍流测量中看到的高频振荡来自于实际的物理效应, 而不是随机电子噪声的结果。湍流流动的经典描述包括确定流动变量的平均值和它们随时间变化的相应波动。例如, 通过将瞬时速度与测量时间相结合并按集成域的大小进行缩放, 可找到平均速度 (用一个过杆表示)。在离散测量的情况下, 如从数字采集系统, 必须解决积分的数值。一旦发现平均速度, 就可以从原始信号中扣除, 从而产生由素数表示的时间依赖性波动和速度。从这些定义中, 可以很容易地证明波动场的平均值为零。因此, 需要一个更合适的波动场统计描述符。一个非常普遍的措施是波动的根平均平方或 RMS。这个度量与平均值相似, 只是变量在积分之前是平方, 而结果的平方根是取的。湍流强度由速度的 RMS 给出, 这个测量将在下一节的自由射流上演示。自由射流的平均速度有一个最初平坦的轮廓, 平滑的喷气机传播由于周围的空气夹带到喷气机。这一夹带还导致射流的线性动量传播跨度-明智的射流流下游导致扩大射流, 因为它传播。射流与周围空气之间的相互作用区域称为混合层, 当射流向下游移动时, 该区域向中心线生长。这将留下一个区域内的喷气机称为潜在的核心, 是划定的流明智的方向, 由喷气出口和点, 混合层到达中心线。潜在的核心是一个没有受到周围环境相互作用影响的区域。在中心线, 潜在的核心延伸到下游约四倍的宽度的喷气机出口。现在, 您已经熟悉了湍流测量的基础知识, 让我们来看看如何用它来表征一个自由射流。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。本实验将在热丝风速计标定的同一流量系统上进行, 并以相同的方式设置数据采集系统。在数据采集软件中, 将采样率设置为500赫兹, 样本总数为5000。更新常数 n、a 和 B, 以匹配从校准确定的值。现在设置流程设施。使用校准间隔将狭缝宽度设置为19.05 毫米或三英寸, 然后将热线风速仪转换为1.5 倍于出口的狭缝宽度的 contracta 腔。从狭缝上方的风速计开始, 降低高度直到示波器上的信号达到最小的波动。记录垂直位置, 它对应于射流的中心线。现在翻译的风速仪备份, 直到信号的波动是一个最大的, 这个位置对应的上层剪切层的喷气机。将空白孔板插入堆叠, 使流速最大化, 然后打开流量装置。一旦稳定流建立, 使用数据采集系统来测量在这一点的平均速度和湍流强度在喷气机和记录这些值。现在, 将风速计的跨度降低两毫米, 并再次测量平均速度和湍流强度。继续降低风速两毫米, 并采取测量, 直到没有明显的变化, 两个测量。在录制完最后的高度后, 将风速计向下平移, 直到它在中心线下的距离相同。恢复测量和翻译, 直到风速计回到中心线。当您完成后, 翻译风速计顺流, 直到它是三倍狭缝宽度从喷气机出口。按照您在第一个位置使用的相同步骤, 在这个新的流明智位置测量 jet 配置文件。重复您的测量的喷气机外形在六和九倍狭缝宽度从喷气机出口。完成测量后, 关闭流设备。

请看一下您的数据。在每一个流明智的位置, 你有测量的平均速度和湍流强度采取了一系列的跨度-明智的点。首先绘制平均速度作为一个函数的跨度-明智的位置。按中心线值缩放值, 并找到曲线与50% 阈值相交的点, 必要时进行插补。这些点定义的喷气宽度三角洲在这个流明智的位置。通过取差来计算宽度。在这种情况下, 宽度大约是21.5 毫米。现在比较平均中线速度和射流宽度在不同的流线位置。中心线速度基本上保持不变, 约四倍的狭缝宽度从出口由于潜在的核心, 但下降超过这个距离。射流宽度随距离的增加, 表明了射流的线性动量随周围空气的传播而增大的幅度。现在, 把湍流强度作为一个跨度--明智的位置的函数来绘制。由于混合发生在射流和周围环境之间的边界, 湍流强度峰值远离中心线。

紊流在科学和工程应用中无处不在。对于在通风、供暖和空调等工程应用中的评估, 通常使用可携带的热金属丝探头, 并向管道内径向移动, 以获得速度剖面。然后, 工程师使用此信息来平衡新安装的流系统, 以确保其正常运行, 或解决故障系统的故障, 并处理妨碍其运行的任何问题。当一种新的地面、空中或海上车辆或结构被设计成能经受紊流的作用力时, 必须在风或水隧道的实际水流条件下测试其性能。为了模拟大气或海洋中发生的湍流情况, 流入的水流可能会被主动或被动的栅格扰乱, 这会在水流中产生明显的波动。然后, 研究的车辆或结构可以安装在风洞试验段, 以测量它如何处理湍流所引入的荷载。这些测量可以直接与空气动力平衡, 测量产生的阻力和升力。此外, 在隧道中测试的模型周围的速度可能会提供有关性能的重要信息。这种特性通常是用热线风速在风洞中进行的。

你刚刚看了朱庇特的介绍测量湍流流。您现在应该了解如何部署热线风速, 以测量和评估流量剖面和湍流强度。谢谢收看

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