Medición de flujos turbulentos

Mechanical Engineering

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Overview

Fuente: Ricardo Mejía-Alvarez y Hussam Hikmat Jabbar, Departamento de ingeniería mecánica, Universidad Estatal de Michigan, East Lansing, MI

Flujos turbulentos exhiben fluctuaciones de muy alta frecuencia que requieren instrumentos de alta resolución de tiempo para su adecuada caracterización. Hot-wire anemómetros tienen un corto bastante tiempo de respuesta para cumplir con este requisito. El propósito de este experimento es demostrar el uso de anemometría para caracterizar un chorro turbulento de hilo caliente.

En este experimento, previamente calibrada Hot-wire el sondeo servirá para obtener mediciones de velocidad en diferentes posiciones dentro del jet. Finalmente, demostramos un análisis estadístico básico de los datos para caracterizar el campo turbulento.

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JoVE Science Education Database. Ingeniería mecánica. Medición de flujos turbulentos. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Una descripción del flujo turbulento

Flujo turbulento puede ser evidenciado por altamente aleatorias fluctuaciones en variables de flujo como velocidad, presión y Vorticidad. La figura 1 representa una señal de velocidad típica obtenida mediante la medición de velocidad en un punto fijo en un flujo turbulento. Las fluctuaciones de esta señal no son ruido aleatorio, sino el resultado de las interacciones no lineales entre movimientos coherentes dentro del campo de flujo. Una descripción clásica de flujo turbulento, consiste en la determinación del valor promedio de las variables de flujo y sus fluctuaciones correspondientes as time avanza. Para ello, utilizamos la definición de la media de una función para determinar el promedio de una medición de la velocidad:

(1)

Aquí, es el tamaño del dominio de integración, que será un intervalo de tiempo en las medidas actuales. Como se indicó en la ecuación (1), utilizaremos un overbar para denotar la media de una variable. Dado que una adquisición de una señal digital es discreta, la integral en la ecuación (1) debe resolverse numéricamente, usando la trapezoidal o regla de Simpson [1]. Las fluctuaciones de una variable dependiente del tiempo como se puede entonces calcular como sigue:

(2)

Como se ve en esta ecuación, campos de fluctuación se denotaron mediante un símbolo principal. Aplicando la ecuación (1) para , fácilmente podemos determinar que el promedio de un campo de fluctuación es cero:

(3)

Por lo tanto, un descriptor estadístico más apropiado para el campo de fluctuación es la raíz cuadrada de la media de las fluctuaciones:

(4)

Este descriptor estadístico es de hecho muy común medida de la intensidad de la turbulencia. El experimento actual se basará en la determinación de la intensidad media de la velocidad y la turbulencia de un campo turbulento.

Figure 1
Figura 1 . Típica señal de velocidad del flujo turbulento como recuperado por un anemómetro de hilo caliente. La señal cruda, , puede ser descompuesto en un campo de fluctuación, , sobrepuesta en el valor medio de velocidad, .

Disposición experimental

Como se muestra en la figura que 2 (a) la instalación es básicamente un pleno que se obtiene a presión por un ventilador centrífugo. La figura que 2 (b) muestra que hay una hendidura en el lado opuesto de la cámara que emite un chorro plano. Como se muestra en la figura 2 c, posee un sistema atraviesa el hilo caliente anemómetro en lugares prescritos en el jet planar. Se utilizará este sistema transversal para determinar la velocidad en diferentes posiciones del interés en el jet. El esquema de la figura 3 muestra un lugar representativo en el cual se realizará anemometría para caracterizar el campo turbulento en el jet del planar.

Figure 2
Figura 2 . Disposición experimental. (A): flujo de fondo; la cámara está presurizada por medio de un ventilador centrífugo. (B): para emitir el chorro plano. (C): atraviesa el sistema para cambiar la posición del anemómetro a lo largo del jet. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3 . Esquema de la proyección de chorro plano: el vena contracta, la distribución de velocidad en una determinada posición aguas abajo y el diagrama de conexiones. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Procedure

  1. Medir la anchura de la rendija, Wy registre este valor en la tabla 1.
  2. Ajustar el hilo caliente anemómetro a una distancia de la salida igual a x = 1.5W a lo largo de la línea central. Anote esta posición CBES en la tabla 2. La línea central es el origen de la coordenada spanwise (y = 0).
  3. Inicie el programa de adquisición de datos para atravesar el chorro. Establecer la frecuencia de muestreo de 500 Hz para un total de 5000 muestras (es decir, 10s datos).
  4. Registrar la posición spanwise actual de la Hot-wire en la tabla 3.
  5. Adquisición de datos.
  6. El sistema de adquisición de datos calcula la intensidad media de la velocidad y la turbulencia de ese conjunto de datos utilizando las ecuaciones (1) y (4).
  7. Anote los dos valores en la tabla 3.
  8. Mover el hotwire a la siguiente posición spanwise (positiva) ( mm).
  9. Repita los pasos 5 a 8 hasta que no haya ningún cambio notable en el promedio de la velocidad y la intensidad de la turbulencia.
  10. Mover el hilo caliente a la línea central.
  11. Mueva el hotwire a la siguiente posición spanwise (negativa) ( mm).
  12. Adquisición de datos.
  13. El sistema de adquisición de datos calcula la intensidad media de la velocidad y la turbulencia de ese conjunto de datos utilizando las ecuaciones (1) y (4).
  14. Anote los dos valores en la tabla 3.
  15. Repita los pasos 11 y 14 hasta que no haya ningún cambio notable en el promedio de la velocidad y la intensidad de la turbulencia.
  16. Mover el hilo caliente a la línea central del chorro.
  17. Mover el hilo caliente a lo largo de la línea central del chorro en la dirección aguas abajo a una nueva posición (por ejemplo, x = 3W).
  18. Repita los pasos 4 a 17 posiciones CBES tantos como quería (por ejemplo, x = 1,5W, 3W, 6W, 9W).

Tabla 1. Parámetros básicos para el estudio experimental.

Parámetro Valor
Anchura de la raja (W) 19.05 mm
Densidad del aire (r) 1,2 kg/m3
Constante de calibración del transductor (m_p) 76.75 Pa/V
A constante de calibración 5.40369 V2
Constante de calibración B 2.30234 V2(m/s)-0.65

Figure 4
Figura 4. Control de flujo en el sistema de flujo. La pila en la parte superior el pleno responde al propósito de desviar el flujo de la abertura del jet que permite para controlar la velocidad de salida de jet. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Flujos turbulentos juega un papel importante en una amplia variedad de sistemas de ingeniería y natural. Como resultado, a menudo es necesario realizar mediciones en el sistema con el fin de caracterizar el flujo. Flujos turbulentos exhiben fluctuaciones de frecuencia muy alta por lo que cualquier instrumento que se utiliza para medir y caracterizar turbulencia debe tener una resolución lo suficientemente alta para resolver estos cambios. Anemómetros de hilo caliente se utilizan a menudo para estas medidas porque son pequeños, robustos y lo suficientemente rápido como para producir resultados útiles. Este video muestra cómo utilizar una sonda Anemómetro de alambre caliente calibrado para obtener las mediciones de velocidad y turbulencia en diferentes posiciones dentro de un chorro libre y llevar a cabo un análisis estadístico básico de los datos para caracterizar el campo turbulento.

Flujo turbulento puede ser evidenciado por altas fluctuaciones al azar en las variables de flujo como velocidad, presión y Vorticidad. Estas fluctuaciones son el resultado de las interacciones no lineales entre movimientos coherentes dentro del campo de flujo, por lo que las oscilaciones de alta frecuencia en mediciones de turbulencia son de efectos físicos real y no el resultado de ruido electrónico. Una descripción clásica de flujo turbulento consiste en la determinación del valor promedio de las variables de flujo y sus correspondientes variaciones con el tiempo. Por ejemplo, la velocidad media, denotada por un bar, se encuentra integrando la velocidad instantánea en el tiempo de medición y escala por el tamaño del dominio de integración. En el caso de mediciones discretas como las de sistemas de adquisición digital, la integral debe resolverse numéricamente. Una vez que la velocidad media se ha encontrado, puede restarse de la señal original a la fluctuación del tiempo y la velocidad por el primer. De estas definiciones, es fácil demostrar que el medio de un campo de fluctuación es cero. Como resultado, es necesario un descriptor estadístico más apropiado para el campo de fluctuación. Una muy común es la cuadrática media o RMS de las fluctuaciones. Esta medida es similar a la media, excepto que la variable es cuadrada antes de la integración y se toma la raíz cuadrada del resultado. La intensidad de turbulencia se da por el RMS de la velocidad y esta medida será demostrada en un chorro libre en la siguiente sección. La velocidad media de un chorro libre tiene un perfil plano inicialmente que alisa hacia fuera como el jet se propaga debido al arrastre del aire circundante en el chorro. Este arrastre también causa el ímpetu linear del jet a span-wise como el chorro fluye aguas abajo dando por resultado la ampliación del jet como propaga. La región de interacción entre el chorro y el aire circundante se llama la capa de mezcla y esta región crece hacia la línea central que el jet se mueve aguas abajo. Esto deja una región interior del chorro conocido como el núcleo potencial que está delimitado por la salida del chorro y el punto en que la capa de mezcla alcanza la línea de centro en la dirección stream-wise. La base potencial entonces es una región que no ha sido afectada por las interacciones con el entorno. En la línea central, la base potencial se extiende aguas abajo a cerca de cuatro veces el ancho de la salida del chorro. Ahora que usted está familiarizado con los conceptos básicos de mediciones de turbulencia, veamos cómo esto se puede utilizar para caracterizar un chorro libre.

Antes de comenzar la instalación, familiarícese con los procedimientos de diseño y seguridad de la instalación. Este experimento se realizará en el mismo sistema de flujo que fue utilizado para la calibración de anemómetros de hilo caliente y el sistema de adquisición de datos debe ser la configuración de la misma manera. En el software de adquisición de datos, establezca la frecuencia de muestreo 500 Hertz y las muestras en total a 5.000. Actualización de la n constantes, A y B para que coincida con los valores determinados de la calibración. Ahora configure la facilidad de flujo. Use un espaciador calibrado para establecer el ancho de la rendija a 19,05 milímetros o tres cuartos de pulgada y luego traducir el anemómetro caliente del alambre a la vena contracta del chorro de 1.5 veces el corte ancho de la salida. Comenzando con el anemómetro encima de la raja, bajar la altura hasta que llega a la señal en el osciloscopio una fluctuación mínima. Anote esta posición vertical que corresponde a la línea central del chorro. Ahora traducir el anemómetro hacia atrás hasta que la fluctuación de la señal es un máximo y esta posición corresponde a la capa superior esquileo del jet. Inserte la placa de orificio en blanco en la pila para que la velocidad de flujo serán maximizados y girar en la facilidad de flujo. Una vez establecido el flujo constante, utilizar el sistema de adquisición de datos para medir la intensidad media de velocidad y turbulencia en este punto en el jet y registrar estos valores. Ahora baje el anemómetro span-wise por dos milímetros y medir otra vez la intensidad media de velocidad y turbulencia. Continúe bajando el anemómetro en incrementos de dos milímetros y tomando medidas hasta que no haya ningún cambio notable en ambas mediciones. Después de registrar la altura final, traducir el anemómetro hacia abajo hasta que quede debajo de la línea de centro por la misma distancia. Volver a tomar las mediciones y traducir hasta el anemómetro en la línea de centro. Cuando termine de traducir el anemómetro aguas abajo hasta que es tres veces el ancho de la hendidura de la salida del chorro. Mídase el perfil de jet a esta nueva posición stream-wise siguiendo el mismo procedimiento que utilizó en la primera ubicación. Repita las medidas del perfil de jet a las seis y nueve veces el ancho de la ranura de la salida del chorro. Después de que hayas completado las mediciones, cerrar la facilidad de flujo.

Echa un vistazo a los datos. En cada posición de stream-wise, tienes las medidas de la velocidad media y la intensidad de la turbulencia en una serie de puntos span-wise. Parcela en primer lugar la velocidad media en función de la posición span-wise. Escala de los valores por el valor de la línea de centro y encontrar los puntos donde la curva cruza el umbral del 50%, interpolando si es necesario. Estos puntos definen la anchura jet Delta en esta posición stream-wise. Calcular el ancho tomando la diferencia. En este caso, la anchura es aproximadamente de 21,5 milímetros. Ahora comparar el centro promedio velocidad y jet ancho de línea en las posiciones de línea de corriente diferentes. La velocidad de la línea de centro sigue siendo básicamente sin cambios hasta cerca de cuatro veces el corte ancho de la salida debido a la potencial base, pero disminuye más allá de esta distancia. El aumento en la anchura del jet con distancia es indicativo de la extensión span-wise del ímpetu linear del jet como el aire es arrastrado. Ahora trama la intensidad de la turbulencia como una función de la posición span-wise. Puesto que mezcla sucede en el límite entre el jet y el entorno, picos de intensidad de turbulencia de la línea de centro.

Flujo turbulento es ubicuo en aplicaciones científicas y de ingeniería. Para su evaluación en aplicaciones de ingeniería tales como ventilación, calefacción y aire acondicionado, es común el uso de sondas de hilo caliente portable que se introducen en los conductos y travesía radialmente para obtener los perfiles de velocidad. Esta información entonces es utilizada por el ingeniero o equilibrar un sistema de flujo de recién instalado para su correcto funcionamiento o para solucionar problemas de un mal funcionamiento del sistema y solucionar cualquier problema que impide su funcionamiento. Cuando un vehículo terrestre, aéreo o marino o estructura está diseñada para resistir las fuerzas de flujo turbulento, es necesario probar su funcionamiento bajo condiciones de flujo realista en un túnel de viento o agua. Para simular condiciones de turbulencias que se producen en la atmósfera o el océano, el flujo entrante puede ser disturbado con rejillas activas o pasivas que introducirán importantes fluctuaciones en el flujo. Entonces el vehículo o estructura objeto de estudio puede montarse en la sección de prueba del túnel de viento o de agua para medir cómo enfrenta con las cargas introducidas por el flujo turbulento. Estas mediciones pueden hacerse directamente con Balanzas aerodinámicas que miden el resultado arrastrar y levantar fuerzas. Además, la velocidad en el modelo probado en el túnel podría brindar información importante en cuanto a rendimiento. Esta caracterización se hace típicamente con Anemómetros de hilo caliente en túneles de viento.

Sólo ha visto la introducción de Zeus para medición de flujos turbulentos. Ahora debería entender cómo implementar anemómetros de hilo caliente para medir y evaluar los perfiles de flujo y la intensidad de turbulencia. Gracias por ver.

Results

La figura 5 muestra la distribución de la velocidad promedio en todo el chorro en la posición descendente x = 3W. Y la figura 6 muestra la distribución de intensidad de turbulencia en el avión en la misma posición aguas abajo. La tabla 3 tiene los resultados de los valores locales de intensidad media de velocidad y turbulencia en la posición CBES x = 3w. La última columna de esta tabla es la proporción entre la velocidad local y la velocidad de la línea central. Este cociente se utiliza para determinar la anchura del jet, , que se define como la distancia entre las dos posiciones en que la velocidad local es 50% de la velocidad de la línea central. Nota en el cuadro 2 que estas dos posiciones están en alguna parte en los intervalos y . Su ubicación exacta se determinó mediante interpolación lineal y están decididos a ser: mm y mm, para un grueso chorro de mm.

Los resultados de cuatro experimentos diferentes se comparan en la tabla 2. Esta tabla muestra cómo la velocidad de la línea central del chorro, de , sigue siendo básicamente sin cambios por , pero disminuye con la para . Este efecto es el resultado de la presencia de la base potencial para y su desaparición para . El potencial es la región dentro de la jet que no ha sido afectado por la interacción entre el entorno y el chorro. La región de interacción se llama la capa de mezcla, y crece hacia la línea central y del jet, el jet se mueve aguas abajo. Este crecimiento es debido al arrastre del aire circundante en el chorro. Debido a este efecto de arrastre, el ímpetu linear del jet se propaga en la dirección spanwise, causando su anchura aumentar con . Este efecto se evidencia en los resultados de en la tabla 2. Debido a que mezcla ocurre en el límite entre el jet y el entorno, la intensidad de turbulencia picos () de la línea central, en las posiciones spanwise definido por y . Para la simplicidad, la tabla 2 muestra sólo los valores para el pico de intensidad de turbulencia en el lado positivo del jet.

Figure 5
Figura 5 . Resultados representativos. Distribución de velocidad en x = 3w.

Figure 6
Figura 6 . Resultados representativos. Distribución de intensidad de turbulencia en el x = 3w.

Tabla 2 . Resultados representativos. Diferentes descriptores estadísticos para el chorro plano x = 1.5W, 3W, 6W y 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

Tabla 3 . Resultados representativos. Las mediciones de intensidad de la velocidad y turbulencia en el x = 3w.

y (mm) ̅ u (m/s) u ′_rms (m/s) u ̅∕u ̅_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

Este experimento demostró la aplicación de Hot-wire anemometría para la caracterización de flujos turbulentos. Dado que la turbulencia exhibe fluctuaciones de velocidad de alta frecuencia, Hot-wire anemómetros son instrumentos adecuados para su caracterización debido a su alta resolución temporal. Con esto en mente, utilizamos una calibrada anemómetro para caracterizar la intensidad media de velocidad y turbulencia local en diferentes posiciones dentro de un chorro plano de hilo caliente. Estas cantidades se determinaron utilizando descriptores estadísticos para la turbulencia que se explicó en la introducción de este documento. De estos descriptores estadísticos, se observó que el jet se propaga en la dirección spanwise debido a arrastre fluido, mientras que picos de turbulencia dentro de las capas de mezcla, de la línea de centro del jet, como resultado de la mezcla de fluidos.

Flujo turbulento es ubicuo en aplicaciones científicas y de ingeniería. Para su evaluación en aplicaciones de ingeniería tales como ventilación, calefacción y aire acondicionado, es común usar portable Hot-wire sondas que son introducidas en el conducto y atravesó radialmente para obtener los perfiles de velocidad. Esta información entonces es utilizada por el ingeniero o equilibrar un sistema de flujo recién instalada para asegurar su correcto funcionamiento, o para solucionar problemas de un mal funcionamiento del sistema y solucionar cualquier problema que impide su funcionamiento.

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. Medir la anchura de la rendija, Wy registre este valor en la tabla 1.
  2. Ajustar el hilo caliente anemómetro a una distancia de la salida igual a x = 1.5W a lo largo de la línea central. Anote esta posición CBES en la tabla 2. La línea central es el origen de la coordenada spanwise (y = 0).
  3. Inicie el programa de adquisición de datos para atravesar el chorro. Establecer la frecuencia de muestreo de 500 Hz para un total de 5000 muestras (es decir, 10s datos).
  4. Registrar la posición spanwise actual de la Hot-wire en la tabla 3.
  5. Adquisición de datos.
  6. El sistema de adquisición de datos calcula la intensidad media de la velocidad y la turbulencia de ese conjunto de datos utilizando las ecuaciones (1) y (4).
  7. Anote los dos valores en la tabla 3.
  8. Mover el hotwire a la siguiente posición spanwise (positiva) ( mm).
  9. Repita los pasos 5 a 8 hasta que no haya ningún cambio notable en el promedio de la velocidad y la intensidad de la turbulencia.
  10. Mover el hilo caliente a la línea central.
  11. Mueva el hotwire a la siguiente posición spanwise (negativa) ( mm).
  12. Adquisición de datos.
  13. El sistema de adquisición de datos calcula la intensidad media de la velocidad y la turbulencia de ese conjunto de datos utilizando las ecuaciones (1) y (4).
  14. Anote los dos valores en la tabla 3.
  15. Repita los pasos 11 y 14 hasta que no haya ningún cambio notable en el promedio de la velocidad y la intensidad de la turbulencia.
  16. Mover el hilo caliente a la línea central del chorro.
  17. Mover el hilo caliente a lo largo de la línea central del chorro en la dirección aguas abajo a una nueva posición (por ejemplo, x = 3W).
  18. Repita los pasos 4 a 17 posiciones CBES tantos como quería (por ejemplo, x = 1,5W, 3W, 6W, 9W).

Tabla 1. Parámetros básicos para el estudio experimental.

Parámetro Valor
Anchura de la raja (W) 19.05 mm
Densidad del aire (r) 1,2 kg/m3
Constante de calibración del transductor (m_p) 76.75 Pa/V
A constante de calibración 5.40369 V2
Constante de calibración B 2.30234 V2(m/s)-0.65

Figure 4
Figura 4. Control de flujo en el sistema de flujo. La pila en la parte superior el pleno responde al propósito de desviar el flujo de la abertura del jet que permite para controlar la velocidad de salida de jet. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Flujos turbulentos juega un papel importante en una amplia variedad de sistemas de ingeniería y natural. Como resultado, a menudo es necesario realizar mediciones en el sistema con el fin de caracterizar el flujo. Flujos turbulentos exhiben fluctuaciones de frecuencia muy alta por lo que cualquier instrumento que se utiliza para medir y caracterizar turbulencia debe tener una resolución lo suficientemente alta para resolver estos cambios. Anemómetros de hilo caliente se utilizan a menudo para estas medidas porque son pequeños, robustos y lo suficientemente rápido como para producir resultados útiles. Este video muestra cómo utilizar una sonda Anemómetro de alambre caliente calibrado para obtener las mediciones de velocidad y turbulencia en diferentes posiciones dentro de un chorro libre y llevar a cabo un análisis estadístico básico de los datos para caracterizar el campo turbulento.

Flujo turbulento puede ser evidenciado por altas fluctuaciones al azar en las variables de flujo como velocidad, presión y Vorticidad. Estas fluctuaciones son el resultado de las interacciones no lineales entre movimientos coherentes dentro del campo de flujo, por lo que las oscilaciones de alta frecuencia en mediciones de turbulencia son de efectos físicos real y no el resultado de ruido electrónico. Una descripción clásica de flujo turbulento consiste en la determinación del valor promedio de las variables de flujo y sus correspondientes variaciones con el tiempo. Por ejemplo, la velocidad media, denotada por un bar, se encuentra integrando la velocidad instantánea en el tiempo de medición y escala por el tamaño del dominio de integración. En el caso de mediciones discretas como las de sistemas de adquisición digital, la integral debe resolverse numéricamente. Una vez que la velocidad media se ha encontrado, puede restarse de la señal original a la fluctuación del tiempo y la velocidad por el primer. De estas definiciones, es fácil demostrar que el medio de un campo de fluctuación es cero. Como resultado, es necesario un descriptor estadístico más apropiado para el campo de fluctuación. Una muy común es la cuadrática media o RMS de las fluctuaciones. Esta medida es similar a la media, excepto que la variable es cuadrada antes de la integración y se toma la raíz cuadrada del resultado. La intensidad de turbulencia se da por el RMS de la velocidad y esta medida será demostrada en un chorro libre en la siguiente sección. La velocidad media de un chorro libre tiene un perfil plano inicialmente que alisa hacia fuera como el jet se propaga debido al arrastre del aire circundante en el chorro. Este arrastre también causa el ímpetu linear del jet a span-wise como el chorro fluye aguas abajo dando por resultado la ampliación del jet como propaga. La región de interacción entre el chorro y el aire circundante se llama la capa de mezcla y esta región crece hacia la línea central que el jet se mueve aguas abajo. Esto deja una región interior del chorro conocido como el núcleo potencial que está delimitado por la salida del chorro y el punto en que la capa de mezcla alcanza la línea de centro en la dirección stream-wise. La base potencial entonces es una región que no ha sido afectada por las interacciones con el entorno. En la línea central, la base potencial se extiende aguas abajo a cerca de cuatro veces el ancho de la salida del chorro. Ahora que usted está familiarizado con los conceptos básicos de mediciones de turbulencia, veamos cómo esto se puede utilizar para caracterizar un chorro libre.

Antes de comenzar la instalación, familiarícese con los procedimientos de diseño y seguridad de la instalación. Este experimento se realizará en el mismo sistema de flujo que fue utilizado para la calibración de anemómetros de hilo caliente y el sistema de adquisición de datos debe ser la configuración de la misma manera. En el software de adquisición de datos, establezca la frecuencia de muestreo 500 Hertz y las muestras en total a 5.000. Actualización de la n constantes, A y B para que coincida con los valores determinados de la calibración. Ahora configure la facilidad de flujo. Use un espaciador calibrado para establecer el ancho de la rendija a 19,05 milímetros o tres cuartos de pulgada y luego traducir el anemómetro caliente del alambre a la vena contracta del chorro de 1.5 veces el corte ancho de la salida. Comenzando con el anemómetro encima de la raja, bajar la altura hasta que llega a la señal en el osciloscopio una fluctuación mínima. Anote esta posición vertical que corresponde a la línea central del chorro. Ahora traducir el anemómetro hacia atrás hasta que la fluctuación de la señal es un máximo y esta posición corresponde a la capa superior esquileo del jet. Inserte la placa de orificio en blanco en la pila para que la velocidad de flujo serán maximizados y girar en la facilidad de flujo. Una vez establecido el flujo constante, utilizar el sistema de adquisición de datos para medir la intensidad media de velocidad y turbulencia en este punto en el jet y registrar estos valores. Ahora baje el anemómetro span-wise por dos milímetros y medir otra vez la intensidad media de velocidad y turbulencia. Continúe bajando el anemómetro en incrementos de dos milímetros y tomando medidas hasta que no haya ningún cambio notable en ambas mediciones. Después de registrar la altura final, traducir el anemómetro hacia abajo hasta que quede debajo de la línea de centro por la misma distancia. Volver a tomar las mediciones y traducir hasta el anemómetro en la línea de centro. Cuando termine de traducir el anemómetro aguas abajo hasta que es tres veces el ancho de la hendidura de la salida del chorro. Mídase el perfil de jet a esta nueva posición stream-wise siguiendo el mismo procedimiento que utilizó en la primera ubicación. Repita las medidas del perfil de jet a las seis y nueve veces el ancho de la ranura de la salida del chorro. Después de que hayas completado las mediciones, cerrar la facilidad de flujo.

Echa un vistazo a los datos. En cada posición de stream-wise, tienes las medidas de la velocidad media y la intensidad de la turbulencia en una serie de puntos span-wise. Parcela en primer lugar la velocidad media en función de la posición span-wise. Escala de los valores por el valor de la línea de centro y encontrar los puntos donde la curva cruza el umbral del 50%, interpolando si es necesario. Estos puntos definen la anchura jet Delta en esta posición stream-wise. Calcular el ancho tomando la diferencia. En este caso, la anchura es aproximadamente de 21,5 milímetros. Ahora comparar el centro promedio velocidad y jet ancho de línea en las posiciones de línea de corriente diferentes. La velocidad de la línea de centro sigue siendo básicamente sin cambios hasta cerca de cuatro veces el corte ancho de la salida debido a la potencial base, pero disminuye más allá de esta distancia. El aumento en la anchura del jet con distancia es indicativo de la extensión span-wise del ímpetu linear del jet como el aire es arrastrado. Ahora trama la intensidad de la turbulencia como una función de la posición span-wise. Puesto que mezcla sucede en el límite entre el jet y el entorno, picos de intensidad de turbulencia de la línea de centro.

Flujo turbulento es ubicuo en aplicaciones científicas y de ingeniería. Para su evaluación en aplicaciones de ingeniería tales como ventilación, calefacción y aire acondicionado, es común el uso de sondas de hilo caliente portable que se introducen en los conductos y travesía radialmente para obtener los perfiles de velocidad. Esta información entonces es utilizada por el ingeniero o equilibrar un sistema de flujo de recién instalado para su correcto funcionamiento o para solucionar problemas de un mal funcionamiento del sistema y solucionar cualquier problema que impide su funcionamiento. Cuando un vehículo terrestre, aéreo o marino o estructura está diseñada para resistir las fuerzas de flujo turbulento, es necesario probar su funcionamiento bajo condiciones de flujo realista en un túnel de viento o agua. Para simular condiciones de turbulencias que se producen en la atmósfera o el océano, el flujo entrante puede ser disturbado con rejillas activas o pasivas que introducirán importantes fluctuaciones en el flujo. Entonces el vehículo o estructura objeto de estudio puede montarse en la sección de prueba del túnel de viento o de agua para medir cómo enfrenta con las cargas introducidas por el flujo turbulento. Estas mediciones pueden hacerse directamente con Balanzas aerodinámicas que miden el resultado arrastrar y levantar fuerzas. Además, la velocidad en el modelo probado en el túnel podría brindar información importante en cuanto a rendimiento. Esta caracterización se hace típicamente con Anemómetros de hilo caliente en túneles de viento.

Sólo ha visto la introducción de Zeus para medición de flujos turbulentos. Ahora debería entender cómo implementar anemómetros de hilo caliente para medir y evaluar los perfiles de flujo y la intensidad de turbulencia. Gracias por ver.

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