Overview
ソース: リカルド ・ メヒア アルバレスとコメディフランセーズ Hikmat ジャバー、機械工学科、ミシガン州立大学、イースト ランシング、MI
乱流は、彼らの適切な特性の高時間分解能の計測器を必要とする非常に高い周波数の変動を表わします。熱線風速計はこの要件を満たすために短いに十分な時間応答を持っています。この実験の目的の使用を示すため、熱線による乱流噴流の特性評価に計。
この実験では、以前校正熱線プローブを使用すると、ジェット内の異なる位置で速度測定が取得されます。最後に、乱流場の特性データの基本的な統計分析を示します。
Principles
乱流流れの説明
乱流は、速度、圧力、および渦度など流れの変数のランダムな変動によって証明されることができます。図 1 は、乱流場の固定点での速度を測定することにより得られた一般的な速度信号を表します。この信号の変動、ランダム ノイズでなく流れ場中でのコヒーレント運動間の非線形相互作用の結果です。内乱流の古典的な説明には、時間が進むにつれて流れの変数の平均値とその対応する変動の決定が含まれます。このため、速度測定の平均値を決定するのにと関数の平均値、定義を使用します。
(1)
ここでは、
現在測定時間間隔となる統合ドメインのサイズです。式 (1) で示唆した、変数の平均値を示すために、オーバー ラインを使用します。デジタル信号による離散は、積分方程式 (1) の解決されなければならない数値で、台形または Simpson の規則 [1] のいずれかを使用しています。時間依存変数の変動のような
次のように計算できます。
(2)
この式からわかるように、変動フィールドはプライム記号で示されます。式 (1) を適用することによって
、我々 は簡単に変動場の平均がゼロであるを判断できます。
(3)
したがって、変動場のより適切な統計的の記述子は、変動の二乗です。
(4)
実際に、この統計的の記述子は乱れ強さの非常に一般的な指標です。現在の実験は、乱流場の平均速度および乱れの強さの決定に基づいて行われます。
図1.一般的で回復される、乱流の速度の信号、熱線流速計。生の信号 
変動場で分解することができます、 
の速度の平均値の上に重ね、 
.
実験のセットアップ
2 (a) 施設は基本的に遠心送風機によって加圧を取得しますプレナムを図に示す。図 2 (b) 平面噴流の問題充満の反対側にスリットがあることを示します。示すように、図 2(C)、トラバース システムを保持、熱線流速計平面噴流内の所定の場所で。このトラバース システムは、ジェットに興味の別の位置での速度を判断する使用されます。図 3 の回路図は、平面噴流の乱流を特徴付けるためを計が実行する代表的な位置を示します。
図2.実験のセットアップ。(A): 施設の流れ充満は遠心送風機によって加圧されます。(B): 平面噴流の発行用スリットします。(C): ジェットに沿って流速計の位置を変更するシステムを走査します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
図3.平面噴流表示の概略: 縮み、渡された下流位置と接続の図で速度分布。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
- スリットの幅を測定しW、し表 1 にこの値を記録します。
- 設定、熱線流速計と同じ出口からの距離でx = 1.5W中心線に沿って。表 2 にこの縦位置を記録します。中心線はスパン方向の座標の原点 (y = 0)。
- ジェットをトラバースするためデータ収集プログラムを開始します。5000 サンプル (すなわち、データの 10 秒) の合計は 500 Hz でサンプリング レートを設定します。
- 現在のスパンの位置を記録、表 3 に熱線します。
- データを取得します。
- データ集録システムでは、式 (1) と (4) を使用して、データセットの平均速度および乱れの強さを計算します。
- 表 3 に、これらの 2 つの値を記録します。
- ホットワイヤーを (肯定的な) スパン方向の次の位置に移動 (
mm)。 - 手順 5-8 を繰り返して、平均速度と乱れの強さの両方に任意の顕著な変化はありません。
- 移動、中心線に戻って熱線します。
- ホットワイヤーを (負) スパン方向の次の位置に移動 (
mm)。 - データを取得します。
- データ集録システムでは、式 (1) と (4) を使用して、データセットの平均速度および乱れの強さを計算します。
- 表 3 に、これらの 2 つの値を記録します。
- 手順 11 に 14 を繰り返して、平均速度と乱れの強さの両方に任意の顕著な変化はありません。
- 移動、ジェットの中心線に戻って熱線します。
- 移動は新しい位置に下流方向にジェットの中心線に沿って熱線 (例えばx = 3W)。
- 手順 17 に 4 したかった多くの縦位置 (例えばx = 1.5W, 3W, 6W 9W)。
mm)。
mm)。表 1。実験的研究のための基本的なパラメーターです。
| パラメーター | 値 |
| スリット幅 (W) | 19.05 mm |
| 空気密度 (r) | 1.2 kg/m3 |
| 探触子の校正定数 (m_p) | 76.75 Pa/V |
| 校正定数 A | 5.40369 V2 |
| 校正定数 B | 2.30234 V2(m/s)-0.65 |
図 4。フロー システムのフロー制御。換気口の上にスタック フロー ジェットの出口の速度を制御することができますジェット スリットからの転用の目的を提供しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。
乱流は、さまざまな設計および自然発生するシステムで重要な役割を果たします。その結果、それは流れを特徴付けるためにシステム内で測定を実行する必要があります。乱流は、計測および乱流特性評価に使用される楽器は、これらの変更を解決する十分に高い時間分解能を持つ必要がありますので、非常に高周波数の変動を表わします。熱線風速計を小型、堅牢で、有用な結果をもたらすために十分に高速であるために、しばしばこれらの測定に使用されます。このビデオでは、校正熱線風速計プローブを使用して、速度および乱流自由噴流内の異なる位置測定を取得し、乱流場の特性データの基本的な統計分析を実行する方法を示します。
乱流は、速度、圧力、および渦度など流れの変数のランダムな変動を高によって証明されることができます。これらの変動は、乱流の測定に見られる高周波振動が実際の物理的な影響から、流れ場中のコヒーレント運動とランダムな電子ノイズの結果ではなく非線形相互作用の結果です。乱流の古典的な説明は、流れの変数の平均値と時間と彼らの対応する変動を決定します。たとえば、平均速度、上で示されたバー、測定時間をかけて瞬時速度を統合し、統合ドメインのサイズによってスケーリングであります。などデジタル集録システムから離散測定の場合積分を数値的に解決されなければなりません。平均速度が検出されたら、時間依存性変動と素数で示される速度を生成する元の信号から減算することができます。これらの定義から変動場の平均がゼロであることを示すには簡単です。その結果、変動場のより適切な統計的の記述子が必要です。非常に一般的な指標は、二乗平均平方根または変動の RMS です。このメトリックは、統合する前に、変数が平方され、結果の平方根を取得ことを除いて、平均に似ています。乱流強度は速度の RMS によって与えられるし、この測定値は、次のセクションで自由噴流の実証されます。自由噴流の平均速度は、ジェット、ジェットに周囲の空気の巻き込みによる伝達とを滑らかにする最初のフラット トップ プロファイルを持っています。この同調も span-wise ジェット下流結果伝達、ジェットの拡大の流れを広めるためジェットの線形運動量が発生します。ジェット間の相互作用の領域と混合層と呼ばれる周囲の空気とジェットとして中心線に向かって成長するこの地域下流に移動します。これは角柱まわりの方向にジェットの出口と混合層が中心線に到達する点で区切られている潜在的なコアとして知られているジェット内の領域を残します。潜在的なコアは、周囲の環境との相互作用に影響されていない領域です。中心線上に潜在的なコアを下流ジェットの出口の幅の約 4 倍に拡張します。乱流測定の基本を理解している、これを使用して自由噴流を特徴付ける方法を見てみましょう。
セットアップを開始する前に、施設のレイアウトと安全手順に精通します。熱線風速計の校正に使用された同じフロー システムでこの実験を実行され、データ集録システムは、同じ方法でセットアップをする必要があります。データ集録ソフトウェアのサンプリング レートを 500 ヘルツと 5,000 サンプルの合計に設定します。定数 n, A と B は、キャリブレーションから決定される値を一致するように更新します。フロー機能が設定されました。19.05 ミリメートルまたはインチの四分の三にスリット幅を設定しの翻訳ジェットの縮みに熱線出口からスリット幅の 1.5 倍に調整スペーサーを使用します。スリット上の風速計を皮切りに、オシロ スコープで信号最小変動に達するまで高さを下げます。ジェットの中心線に相当するこの垂直方向の位置を記録します。戻るまで最大であり、この位置がジェットの上部せん断層に対応する信号の変動風速を翻訳します。流速が最大化し、フロー機能をオンに、スタックに空白のオリフィスを挿入します。定常流が確立されると、データ集録システムを使用して、ジェットでこの時点で平均的な速度と乱れ強度を測定、これらの値を記録します。今 2 ミリで span-wise 風速を移動し、平均速度および乱れの強さを再度測定します。2 ミリずつ、風速を下げることと、両方の測定で顕著な変化がなくなるまで計測を続けます。最終的な高さを記録した後それが同じ距離で中心線を下回るまでダウン、風速計を変換します。測定を行うと、風速が中心線に戻ってまでの翻訳を再開します。完了したら、下流ジェットの出口からスリット幅の 3 倍まで、風速計を変換します。最初の場所で使用する同じ手順を実行この新しい角柱まわりの位置に jet プロファイルの測定を取る。ジェットの出口からスリット幅 6 と 9 回でジェット機のプロフィールのあなたの測定を繰り返します。測定が完了したら後、は、フロー機能をシャット ダウンします。
あなたのデータを見てみましょう。各角柱まわりの位置・ スパン点のシリーズで撮影した乱れの平均速度の測定があります。まず平均速度をスパンの位置の関数としてプロットします。中央の行の値で値をスケールおよび 50% のしきい値は、必要に応じて補間曲線と交わるポイントを見つけます。これらのポイントは、ジェットの幅この角柱まわりの位置でデルタを定義します。差分を取ることによって幅を計算します。この場合、幅は約 21.5 ミリです。今平均センター線速度とジェットの幅別のストリーム ライン位置を比較します。センター回線速度は潜在的なコアのための出口からスリット幅の約 4 倍までは基本的には変わりませんが、この距離を超えて減少します。距離とジェットの幅の増加は、周囲の空気が流入、ジェットの線形運動量のスパンの広がりを表しています。スパンの位置の関数として乱流強度をプロットします。以来、噴流と周囲の環境との境界で起こる混合、乱れの中心線からピークします。
乱流は、科学や工学アプリケーションでユビキタスです。換気、暖房、エアコンなどのエンジニア リング アプリケーションで査定、ダクトと半径方向速度分布を取得するトラバースに導入されたポータブル熱線プローブを使用する一般的です。この情報は、どちらかその適切な運営を確保するか、正常に機能しないシステムのトラブルシューティングし、その操作を妨げている問題を解決する流れの新しくインストールされたシステムのバランスをとるエンジニアによって使用されます。乱流の力をスタンドに新しいの地上、空中、または海洋の車や構造物を設計する際、風や水のトンネルで現実的なフロー条件下でそのパフォーマンスをテストする必要は。大気や海洋で発生する乱流の条件をシミュレートするには、受信フローはフローの大幅な変動を導入、アクティブまたはパッシブのグリッドで邪魔できます。車や構造物調査の下では、乱流によって導入された負荷の対処方法を測定する風や水のトンネルのテスト セクションでマウントできます。これらの測定は直接測定結果の空力バランスをドラッグし、揚力可能です。また、トンネルのテスト モデルの周りの速度は、パフォーマンスに関する重要な情報を与える可能性があります。この特性には、風洞の熱線風速計は通常なされます。
ゼウスの乱流測定入門を見てきただけ。今測定し、流れプロファイルおよび乱れの強さを評価する熱線風速計を配置する方法を理解する必要があります。見ていただきありがとうございます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
図 5は、下流の位置にジェットで平均速度分布を示していますx = 3W。図 6は、同じ下流位置にジェットの乱流強度分布を示しています。表 3 は、縦位置の平均速度と乱れ強度のローカル値の結果x = 3w.このテーブルの最後の列は、ローカル速度と中心線速度の比率です。この比率はジェットの幅を決定する使用される
、ローカル速度が中心線速度の 50% と、2 つの位置の間の距離として定義されています。表 2 からの間隔でこれらの 2 つの位置がどこかにある注
、 
。正確な位置は、線形補間が使用されますであると判断: 
mm と
のジェット厚さ mm 
mm。
4 さまざまな実験の結果は、表 2 に比較されます。この表はどのようにジェット機の中心線速度
のままと基本的に
、減少しますが、
の
。この効果のための潜在的なコアの存在の結果は、
とその消失の
。潜在的なコアは、環境とジェットの間の相互作用に影響されていないジェット内の領域です。相互作用の領域は混合層と呼ばれる、ジェットが下流に移動すると、中心線に向かって、ジェット機から離れてなります。この成長は、ジェットに周囲の空気の巻き込みによるものです。この同調効果によるジェットの線形運動量とともに増加する幅を引き起こして、スパン方向に広がる。この効果の結果によって立証される2 のテーブルの上。混合がジェットと周囲の環境との間の境界で発生したという事実のために乱流強度のピーク (
) によって定義されるスパンの位置で、中心線から
、 
。わかりやすくするため、表 2 は、のみジェットの肯定的な側面で乱れ強さのピークの値を示します。
図5.代表的な結果。速度分布 x = 3w.
図6.代表的な結果。乱流強度分布 x = 3w.
テーブル2.代表的な結果。平面噴流の異なる統計的の記述子 x = 1.5W, 3W, 6W と 9W.
| x/W | u ̅_cl(m/s) | Δ(mm) | (u′_rms) _max (m/s) | 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 |
テーブル3.代表的な結果。流速および乱れの強さの測定 x = 3w.
| y(mm) | u ̅(m/s) | u′_rms (m/s) | u ̅∕u̅_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 となった |
| 0.000 | 27.706 | 1.039 | 1.000 |
| 3.175 | 27.416 | 145.5万 | 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 現在 |
| 28.575 | 0.877 | 0.271 | 0.032 |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
この実験実証の熱線による乱流の計。その乱れは、高周波数速度変動を展示、熱線風速計、そのための高時間分解能特性の評価のための適切な楽器。これを念頭において、我々 は、キャリブレーション使用熱線流速計平面噴流内の異なる位置で平均ローカル速度および乱れの強さを特徴付けるため。これらの量は、この文書の冒頭で説明した乱流の統計的の記述子を使用して求めた。これらの統計的の記述子からジェットが内部流体混合の結果として、ジェットの中心線から、混合層乱流ピーク中の流体の引き込みのためのスパン方向に広がることが観察されました。
乱流は、科学や工学アプリケーションでユビキタスです。換気、暖房、エアコンなどのエンジニア リング アプリケーションで評価、それは一般的なポータブル型熱線のダクティングに導入され、放射状の速度プロファイルを取得する走査プローブを使用します。この情報は、いずれかの適切な操作を保証するか誤動作しているシステムのトラブルシューティングを行うし、その操作を妨げている問題を解決する新しくインストールされたフロー システムのバランスをとるエンジニアによって使用されます。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
- 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.
- White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
- Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5th ed., Wiley, 2006.
- Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research,6:765-775, 1931.
