Mesure des écoulements turbulents

Mechanical Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering collection to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 1 hour trial to JoVE!





By clicking "Submit", you agree to our policies.

 

Overview

Source : Ricardo Mejia-Alvarez et Hussam Hikmat Jabbar, département de génie mécanique, Michigan State University, East Lansing, MI

Écoulements turbulents présentent des fluctuations de très haute fréquence qui nécessitent des instruments à haute résolution-temps pour leur caractérisation appropriée. Fil chaud anémomètres ont une courte assez temps-réponse à satisfaire à cette exigence. Le but de cette expérience est de démontrer l’utilisation de fil chaud anémométrie pour caractériser un jet turbulent.

Dans cette expérience, un préalablement étalonné à fil chaud sonde servira à obtenir des mesures de la vitesse à différentes positions dans le jet. Enfin, nous allons démontrer une base analyse statistique des données pour caractériser le champ turbulent.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Génie mécanique. Mesure des écoulements turbulents. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Principles

Une description d’un écoulement turbulent

Un flux turbulent peut être attesté par des fluctuations très aléatoires dans des variables de flux telles que vitesse, pression et tourbillon. La figure 1 représente un signal de vitesse typique obtenu en mesurant la vitesse en un point fixe dans un écoulement turbulent. Les fluctuations de ce signal ne sont pas bruit aléatoire, mais le résultat d’interactions non linéaires entre les propositions cohérentes dans le champ d’écoulement. Une description classique d’un écoulement turbulent, implique la détermination de la valeur moyenne des variables de flux et de leurs fluctuations correspondantes avec le temps. À cette fin, nous utilisons la définition pour la moyenne d’une fonction pour déterminer la moyenne d’une mesure de la vitesse :

(1)

Ici, est la taille du domaine de l’intégration, qui sera un intervalle de temps dans les présentes mesures. Comme suggéré par l’équation (1), nous utiliserons une barre supérieure pour désigner la moyenne d’une variable. Étant donné qu’une acquisition numérique d’un signal est discrète, l’intégrale dans l’équation (1) devrait être résolu numériquement, ce en utilisant la forme trapézoïdale ou règle de Simpson [1]. Les fluctuations d’une variable dépendante du temps comme peuvent alors être calculés comme suit :

(2)

Comme on le voit dans cette équation, champs de fluctuation sont signalées par un symbole de premier ordre. En appliquant l’équation (1) , nous pouvons facilement déterminer que la moyenne d’un champ de fluctuation est nulle :

(3)

Par conséquent, un descripteur de statistique plus approprié pour le champ de fluctuation est la moyenne quadratique des fluctuations :

(4)

Ce descripteur de statistique est en fait une même commune mesure de l’intensité de la turbulence. L’expérience en cours s’appuiera sur la détermination de l’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence d’un champ turbulent.

Figure 1
Figure 1 . Un signal typique de la vitesse d’un écoulement turbulent comme récupéré par un anémomètre à fil chaud. Le signal brut, , peut être décomposée en un champ de fluctuation, , superposée à la valeur moyenne de la vitesse, .

Montage expérimental

Comme illustré à la Figure que 2 (a) l’installation est fondamentalement un plénum qui obtient pressurisé par un ventilateur centrifuge. La figure que 2 (b) montre qu’il y a une fente sur le côté opposé de la chambre de tranquillisation qui émet un jet plan. Comme illustré à la Figure 2c, est titulaire d’un système de roulement le fil chaud Anémomètre aux endroits prescrits dans le jet plan. Ce système de roulement servira à déterminer la vitesse à différentes positions d’intérêt dans le jet. Le schéma de la Figure 3 montre un emplacement représentatif au cours de laquelle anémométrie s’effectuera afin de caractériser le champ turbulent dans le jet plan.

Figure 2
Figure 2 . Montage expérimental. (A) : débit installation ; le plénum est sous pression au moyen d’un ventilateur centrifuge. (B) : pour délivrer le jet plan. (C) : traverser le système pour changer la position de l’anémomètre sur le jet. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3
Figure 3 . Schématique de la projection de jet plane : la vena contracta, la distribution de vitesse à une position donnée en aval et le schéma de câblage. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Procedure

  1. Mesurez la largeur de la fente, Wet d’enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  2. Définir le fil chaud Anémomètre à une distance de la sortie égale à x = 1,5W le long de la ligne médiane. Enregistrer cette position longitudinale dans le tableau 2. L’axe central est à l’origine de la coordination d’envergure (y = 0).
  3. Démarrez le programme d’acquisition de données permettant de parcourir le jet. Définissez la fréquence d’échantillonnage à 500 Hz pour un total de 5000 échantillons (c'est-à-dire 10 s de données).
  4. Enregistrer la position actuelle d’envergure de la fil chaud dans le tableau 3.
  5. Acquisition de données.
  6. Le système d’acquisition de données va calculer l’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence de ce dataset à l’aide des équations (1) et (4).
  7. Enregistrez ces deux valeurs dans le tableau 3.
  8. Déplacer la hotwire à la prochaine position d’envergure (positive) ( mm).
  9. Répétez les étapes 5 à 8 jusqu'à ce qu’il n’y a pas aucun changement notable sur la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence.
  10. Déplacer le fil chaud vers la ligne médiane.
  11. Déplacer la hotwire à la prochaine position d’envergure (négative) ( mm).
  12. Acquisition de données.
  13. Le système d’acquisition de données va calculer l’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence de ce dataset à l’aide des équations (1) et (4).
  14. Enregistrez ces deux valeurs dans le tableau 3.
  15. Répétez les étapes 11 à 14 jusqu'à ce qu’il n’y a pas aucun changement notable sur la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence.
  16. Déplacer le fil chaud vers l’axe du jet.
  17. Déplacer le fil chaud le long de l’axe du jet en direction aval vers un nouvel emplacement (p. ex. x = 3W).
  18. Répétez les étapes 4 à 17 pour les positions longitudinale autant que voulu (par exemple x = 1,5W, 3W, 6W, 9W).

Le tableau 1. Paramètres de base pour l’étude expérimentale.

Paramètre Valeur
Largeur de fente (W) pas de 19,05 mm
Masse volumique de l’air (r) 1,2 kg/m3
Constante d’étalonnage de capteur (m_p) 76,75 Pa/V
Étalonnage constante A 5.40369 V2
Constante de calibration B 2.30234 V2(m/s)-0,65

Figure 4
Figure 4. Contrôle de flux dans le système d’écoulement. La pile au-dessus de l’Assemblée plénière a pour objectif de détourner l’eau de la fente de jet permettant de contrôler la vitesse à la sortie du jet. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Écoulements turbulents jouent un rôle important dans une grande variété de systèmes machinés et naturelle. En conséquence, il est souvent nécessaire d’effectuer des mesures au sein du système afin de caractériser l’écoulement. Écoulements turbulents présentent des fluctuations de très haute fréquence ainsi n’importe quel instrument qui sert à mesurer et de caractériser les turbulences doit avoir une résolution suffisamment élevée de temps pour résoudre ces changements. Anémomètres incandescent sont souvent utilisés pour ces mesures parce qu’ils sont petits, robustes et suffisamment rapide pour produire des résultats utiles. Cette vidéo illustre comment utiliser une sonde d’anémomètre à fil chaud calibré pour obtenir des mesures de vitesse et de la turbulence à différents postes au sein d’un jet libre et puis effectuer une analyse statistique de base des données pour caractériser le champ turbulent.

Un flux turbulent peut être attesté par des fluctuations aléatoires élevées dans des variables de flux telles que vitesse, pression et tourbillon. Ces fluctuations sont le résultat d’interactions non linéaires entre des mouvements cohérents dans le champ d’écoulement ainsi les oscillations de haute fréquence, vus dans les mesures de turbulence sont des effets physiques réelles et non le résultat de bruit électronique aléatoire. Une description classique de l’écoulement turbulent implique la détermination de la valeur moyenne des variables de flux et de leurs fluctuations correspondantes avec le temps. Par exemple, la vitesse moyenne, précédée d’une barre, se trouve en intégrant la vitesse instantanée au fil du temps de mesure et de mise à l’échelle de la taille du domaine de l’intégration. Dans le cas des mesures discrètes telles que celles de systèmes d’acquisition numérique, l’intégrale doit être résolue numériquement. Une fois que la vitesse moyenne a été trouvée, il peut être soustraites au signal original la fluctuation dépendant du temps et la vitesse indiquée par le premier. De ces définitions, il est facile de montrer que la moyenne d’un champ de fluctuation est de zéro. En conséquence, un descripteur de statistique plus approprié pour le champ de fluctuation est nécessaire. Une même action commune est la moyenne quadratique ou RMS des fluctuations. Cette métrique est similaire à la moyenne, sauf que la variable est élevé au carré avant d’intégrer et de la racine carrée du résultat est prise. L’intensité de la turbulence est donnée par la RMS de la vitesse, et cette mesure sera en démonstration sur un jet libre dans la section suivante. La vitesse moyenne d’un jet libre a un profil initialement flat-top qui lisse comme le jet se propage en raison de l’entraînement de l’air ambiant dans le jet. Cet entraînement provoque également l’impulsion du jet se propager span-wise comme le jet coule résultant en aval à l’élargissement du jet, car il se propage. La région d’interaction entre le jet et air ambiant est appelée la couche de mélange et cette région pousse vers la ligne médiane sous le jet se déplace en aval. Ce qui laisse une zone à l’intérieur du jet, connu comme le noyau potentiel qui est délimité dans le sens de sections de la sortie de jet et le point où la couche de mélange atteint la ligne centrale. Le noyau potentiel est alors une région qui n’a pas été affectée par les interactions avec le milieu environnant. Sur la ligne centrale, le noyau potentiel s’étend en aval à environ quatre fois la largeur de la sortie du jet. Maintenant que vous êtes familier avec les bases de mesures de turbulence, regardons comment cela peut être utilisé pour caractériser un jet libre.

Avant de commencer la mise en place, vous familiariser avec les procédures de mise en page et de la sécurité de l’installation. Cette expérience sera effectuée sur le même système de flux qui a été utilisé pour l’étalonnage d’anémomètre à fil chaud, et le système d’acquisition de données doit être configuré de la même manière. Dans le logiciel d’acquisition de données, définissez la fréquence d’échantillonnage à 500 Hertz et le nombre total d’échantillons à 5 000. Mettre à jour le constantes n, A et B pour faire correspondre les valeurs déterminées par l’étalonnage. Maintenant mis en place la facilité de circulation. Utiliser une entretoise calibrée pour définir la largeur de la fente à 19,05 millimètres ou de trois-quarts de pouce et ensuite traduire l’anémomètre à fil chaud à la contracta de veine du jet 1,5 fois la largeur de la fente de la sortie. À partir de l’anémomètre au-dessus de la fente, de diminuer la hauteur jusqu'à ce que le signal sur l’oscilloscope atteigne une fluctuation minimale. Enregistrer cette position verticale qui correspond à l’axe du jet. Maintenant traduire l’anémomètre retour jusqu'à ce que la fluctuation de signal est au maximum et cette position correspond à la couche de cisaillement supérieure du jet. Insérer la plaque à orifice vide dans la pile afin que la vitesse d’écoulement seront maximisés et tourner à la facilité de circulation. Une fois que la fluidité est établie, utilisez le système d’acquisition de données pour mesurer la vitesse et la turbulence intensité moyenne à ce stade dans le jet et enregistrer ces valeurs. Maintenant, déplacer l’anémomètre span-wise vers le bas de deux millimètres et mesurer l’intensité moyenne de la vitesse et de la turbulence à nouveau. Continuer à abaisser l’anémomètre par incréments de deux millimètres et prise de mesures jusqu'à ce qu’il n’y a pas de changement notable dans les deux mesures. Après avoir enregistré la hauteur finale, traduire l’anémomètre vers le bas jusqu'à ce qu’il est en dessous de la ligne centrale de la même distance. Reprendre la prise de mesures et de traduction jusqu'à ce que l’anémomètre est de retour à la ligne médiane. Lorsque vous avez terminé, traduire l’anémomètre en aval jusqu'à ce qu’il est trois fois la largeur de la fente de la sortie du jet. Effectuer les mesures du profil jet à ce nouveau poste sections suivant la même procédure que vous avez utilisé dans le premier emplacement. Répétez vos mesures du profil jet à six et neuf fois la largeur de la fente de la sortie du jet. Après avoir complété les mesures, arrêtez la facilité de circulation.

Jetez un oeil à vos données. Dans chaque position de sections, il faut des mesures de la vitesse moyenne et de l’intensité de la turbulence prise à une série de points longitudinalement. Tout d’abord tracer la vitesse moyenne en fonction de la position longitudinalement. À l’échelle des valeurs de la valeur de ligne centre et trouver les points où la courbe croise le seuil de 50 %, en interpolant selon les besoins. Ces points définissent la largeur de jet Delta à cette position de sections. Calculer la largeur en faisant la différence. Dans ce cas, la largeur est d’environ 21,5 millimètres. Maintenant comparer la largeur moyenne Centre ligne vitesse et jet aux positions de ligne différents flux. La vitesse de ligne centre reste fondamentalement inchangée jusqu'à environ quatre fois la largeur de la fente de la sortie en raison de la base potentielle, mais diminue au-delà de cette distance. L’augmentation de la largeur de jet à distance est révélatrice de la propagation longitudinalement de l’impulsion du jet car l’air ambiant est entraîné. Maintenant tracer l’intensité de la turbulence en fonction de la position longitudinalement. Étant donné que le mélange arrive à la limite entre le jet et le milieu environnant, intensité de la turbulence pics loin de la ligne médiane.

Écoulement turbulent est omniprésent dans les applications scientifiques et techniques. Pour son évaluation dans les applications d’ingénierie tels que ventilation, chauffage et climatisation, il est courant d’utiliser des sondes de portable incandescent qui sont introduits dans les conduits et traverse radialement pour obtenir les profils de vitesse. Cette information est ensuite utilisée par l’ingénieur soit équilibrer un système nouvellement installé flux pour assurer son bon fonctionnement ou pour déterminer un système défectueux et résoudre tout problème qui empêche son fonctionnement. Lorsqu’un nouveau véhicule terrestre, aérienne ou maritime ou la structure est conçue pour tenir les forces des écoulements turbulents, il est nécessaire de tester ses performances dans des conditions réalistes de débit dans un tunnel de vent ou l’eau. Pour simuler des conditions de turbulence qui se produisent dans l’atmosphère ou l’océan, le flux entrant peut être perturbé avec grilles actives ou passives qui introduiront les fluctuations importantes de la circulation. Puis le véhicule ou la structure de l’étude peut être monté dans la section test du tunnel du vent ou l’eau pour mesurer comment il fait face aux charges introduites par l’écoulement turbulent. Ces mesures peuvent être effectuées directement avec les balances aérodynamiques qui mesurent le résultat faites glisser et lever des forces. Aussi, la vitesse sur le modèle testé dans le tunnel pourrait donner des informations importantes au sujet de la performance. Cette qualification est généralement faite avec anémomètres incandescent dans les souffleries.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la mesure des écoulements turbulents. Vous devez maintenant comprendre comment déployer incandescent anémomètres pour mesurer et évaluer les profils d’écoulement et de l’intensité de la turbulence. Merci de regarder.

Results

La figure 5 illustre la distribution de vitesse moyenne à travers le jet vers le poste aval x = 3W. Et la Figure 6 montre la répartition de l’intensité de la turbulence dans le jet à la même position en aval. Tableau 3 a les résultats pour les valeurs locales d’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence à la position longitudinale x = 3w. La dernière colonne de ce tableau est le rapport entre la vitesse locale et la vitesse de l’axe central. Ce ratio sert à déterminer la largeur de jet, , qui est définie comme la distance entre les deux positions au cours de laquelle la vitesse locale est de 50 % de la vitesse de l’axe central. Note du tableau 2 que ces deux positions sont quelque part dans l’intervalle et . Leurs emplacements exacts sont déterminées par interpolation linéaire et sommes déterminés à être : mm et mm, pour une épaisseur de jet de mm.

Les résultats de quatre expériences différentes sont comparées dans le tableau 2. Ce tableau montre comment la vitesse de l’axe du jet, , demeure essentiellement inchangé pour , mais diminue avec le pour . Cet effet est le résultat de la présence du noyau potentiel par et sa disparition pour . Le potentiel repose sur la zone à l’intérieur du jet qui n’a pas été affecté par l’interaction entre l’environnement et le jet. La région d’interaction s’appelle la couche de mélange, et il pousse vers la ligne médiane et loin du jet que le jet se déplace en aval. Cette croissance est due à l’entraînement de l’air ambiant dans le jet. En raison de cet effet d’entraînement, l’impulsion du jet se propage dans la direction d’envergure, provoquant sa largeur augmente avec . Cet effet est attestée par les résultats de le tableau 2. Dû au fait que mélanger arrive à la limite entre le jet et le milieu environnant, les pics de l’intensité de la turbulence () loin de la ligne médiane, à envergure points définis par et . Pour plus de simplicité, le tableau 2 ne montre que les valeurs pour le pic d’intensité de turbulence sur le côté positif du jet.

Figure 5
Figure 5 . Résultats représentatifs. Distribution de vitesse à x = 3w.

Figure 6
Figure 6 . Résultats représentatifs. Distribution d’intensité de turbulence à x = 3w.

Tableau 2 . Résultats représentatifs. Différents descripteurs de statistiques pour le jet plan sur x = 1,5W, 3W, 6W et 9W.

x / W u ̅_cl (m/s) Δ (mm) (u′_rms) _max (m/s) y_ (+, _max (u′_rms))
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

Tableau 3 . Résultats représentatifs. Mesures d’intensité de vitesse et de la turbulence à 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

Cette expérience a démontré l’application de l’anémométrie pour caractériser les écoulements turbulents à fil chaud. Étant donné que la turbulence présente des fluctuations de vitesse haute fréquence, fil chaud anémomètres sont des instruments adéquats pour sa caractérisation en raison de leur haute résolution-temps. Dans cette optique, nous avons utilisé un calibré anémomètre pour caractériser l’intensité moyenne de la vitesse et la turbulence locale à différents postes au sein d’un jet plan à fil chaud. Ces quantités ont été déterminées à l’aide de descripteurs statistiques des turbulences qui ont été expliquées dans l’introduction du présent document. De ces descripteurs de statistiques, on a fait observer que le jet se propage dans la direction d’envergure en raison de l’entraînement fluide, tandis que des sommets de la turbulence à l’intérieur des couches de mélange, loin de l’axe du jet, à la suite de mélange fluide.

Écoulement turbulent est omniprésent dans les applications scientifiques et techniques. Pour son évaluation dans les applications d’ingénierie tels que ventilation, chauffage et climatisation, il est fréquent d’utiliser le portable fil chaud aux sondes sont introduites aux conduits et traversés radialement pour obtenir les profils de vitesse. Cette information est ensuite utilisée par l’ingénieur soit équilibrer un système de flux nouvellement installée pour assurer son bon fonctionnement, ou pour déterminer un système défectueux et résoudre tout problème qui empêche son fonctionnement.

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. Mesurez la largeur de la fente, Wet d’enregistrer cette valeur dans le tableau 1.
  2. Définir le fil chaud Anémomètre à une distance de la sortie égale à x = 1,5W le long de la ligne médiane. Enregistrer cette position longitudinale dans le tableau 2. L’axe central est à l’origine de la coordination d’envergure (y = 0).
  3. Démarrez le programme d’acquisition de données permettant de parcourir le jet. Définissez la fréquence d’échantillonnage à 500 Hz pour un total de 5000 échantillons (c'est-à-dire 10 s de données).
  4. Enregistrer la position actuelle d’envergure de la fil chaud dans le tableau 3.
  5. Acquisition de données.
  6. Le système d’acquisition de données va calculer l’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence de ce dataset à l’aide des équations (1) et (4).
  7. Enregistrez ces deux valeurs dans le tableau 3.
  8. Déplacer la hotwire à la prochaine position d’envergure (positive) ( mm).
  9. Répétez les étapes 5 à 8 jusqu'à ce qu’il n’y a pas aucun changement notable sur la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence.
  10. Déplacer le fil chaud vers la ligne médiane.
  11. Déplacer la hotwire à la prochaine position d’envergure (négative) ( mm).
  12. Acquisition de données.
  13. Le système d’acquisition de données va calculer l’intensité moyenne de vitesse et de la turbulence de ce dataset à l’aide des équations (1) et (4).
  14. Enregistrez ces deux valeurs dans le tableau 3.
  15. Répétez les étapes 11 à 14 jusqu'à ce qu’il n’y a pas aucun changement notable sur la vitesse moyenne et l’intensité de la turbulence.
  16. Déplacer le fil chaud vers l’axe du jet.
  17. Déplacer le fil chaud le long de l’axe du jet en direction aval vers un nouvel emplacement (p. ex. x = 3W).
  18. Répétez les étapes 4 à 17 pour les positions longitudinale autant que voulu (par exemple x = 1,5W, 3W, 6W, 9W).

Le tableau 1. Paramètres de base pour l’étude expérimentale.

Paramètre Valeur
Largeur de fente (W) pas de 19,05 mm
Masse volumique de l’air (r) 1,2 kg/m3
Constante d’étalonnage de capteur (m_p) 76,75 Pa/V
Étalonnage constante A 5.40369 V2
Constante de calibration B 2.30234 V2(m/s)-0,65

Figure 4
Figure 4. Contrôle de flux dans le système d’écoulement. La pile au-dessus de l’Assemblée plénière a pour objectif de détourner l’eau de la fente de jet permettant de contrôler la vitesse à la sortie du jet. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Écoulements turbulents jouent un rôle important dans une grande variété de systèmes machinés et naturelle. En conséquence, il est souvent nécessaire d’effectuer des mesures au sein du système afin de caractériser l’écoulement. Écoulements turbulents présentent des fluctuations de très haute fréquence ainsi n’importe quel instrument qui sert à mesurer et de caractériser les turbulences doit avoir une résolution suffisamment élevée de temps pour résoudre ces changements. Anémomètres incandescent sont souvent utilisés pour ces mesures parce qu’ils sont petits, robustes et suffisamment rapide pour produire des résultats utiles. Cette vidéo illustre comment utiliser une sonde d’anémomètre à fil chaud calibré pour obtenir des mesures de vitesse et de la turbulence à différents postes au sein d’un jet libre et puis effectuer une analyse statistique de base des données pour caractériser le champ turbulent.

Un flux turbulent peut être attesté par des fluctuations aléatoires élevées dans des variables de flux telles que vitesse, pression et tourbillon. Ces fluctuations sont le résultat d’interactions non linéaires entre des mouvements cohérents dans le champ d’écoulement ainsi les oscillations de haute fréquence, vus dans les mesures de turbulence sont des effets physiques réelles et non le résultat de bruit électronique aléatoire. Une description classique de l’écoulement turbulent implique la détermination de la valeur moyenne des variables de flux et de leurs fluctuations correspondantes avec le temps. Par exemple, la vitesse moyenne, précédée d’une barre, se trouve en intégrant la vitesse instantanée au fil du temps de mesure et de mise à l’échelle de la taille du domaine de l’intégration. Dans le cas des mesures discrètes telles que celles de systèmes d’acquisition numérique, l’intégrale doit être résolue numériquement. Une fois que la vitesse moyenne a été trouvée, il peut être soustraites au signal original la fluctuation dépendant du temps et la vitesse indiquée par le premier. De ces définitions, il est facile de montrer que la moyenne d’un champ de fluctuation est de zéro. En conséquence, un descripteur de statistique plus approprié pour le champ de fluctuation est nécessaire. Une même action commune est la moyenne quadratique ou RMS des fluctuations. Cette métrique est similaire à la moyenne, sauf que la variable est élevé au carré avant d’intégrer et de la racine carrée du résultat est prise. L’intensité de la turbulence est donnée par la RMS de la vitesse, et cette mesure sera en démonstration sur un jet libre dans la section suivante. La vitesse moyenne d’un jet libre a un profil initialement flat-top qui lisse comme le jet se propage en raison de l’entraînement de l’air ambiant dans le jet. Cet entraînement provoque également l’impulsion du jet se propager span-wise comme le jet coule résultant en aval à l’élargissement du jet, car il se propage. La région d’interaction entre le jet et air ambiant est appelée la couche de mélange et cette région pousse vers la ligne médiane sous le jet se déplace en aval. Ce qui laisse une zone à l’intérieur du jet, connu comme le noyau potentiel qui est délimité dans le sens de sections de la sortie de jet et le point où la couche de mélange atteint la ligne centrale. Le noyau potentiel est alors une région qui n’a pas été affectée par les interactions avec le milieu environnant. Sur la ligne centrale, le noyau potentiel s’étend en aval à environ quatre fois la largeur de la sortie du jet. Maintenant que vous êtes familier avec les bases de mesures de turbulence, regardons comment cela peut être utilisé pour caractériser un jet libre.

Avant de commencer la mise en place, vous familiariser avec les procédures de mise en page et de la sécurité de l’installation. Cette expérience sera effectuée sur le même système de flux qui a été utilisé pour l’étalonnage d’anémomètre à fil chaud, et le système d’acquisition de données doit être configuré de la même manière. Dans le logiciel d’acquisition de données, définissez la fréquence d’échantillonnage à 500 Hertz et le nombre total d’échantillons à 5 000. Mettre à jour le constantes n, A et B pour faire correspondre les valeurs déterminées par l’étalonnage. Maintenant mis en place la facilité de circulation. Utiliser une entretoise calibrée pour définir la largeur de la fente à 19,05 millimètres ou de trois-quarts de pouce et ensuite traduire l’anémomètre à fil chaud à la contracta de veine du jet 1,5 fois la largeur de la fente de la sortie. À partir de l’anémomètre au-dessus de la fente, de diminuer la hauteur jusqu'à ce que le signal sur l’oscilloscope atteigne une fluctuation minimale. Enregistrer cette position verticale qui correspond à l’axe du jet. Maintenant traduire l’anémomètre retour jusqu'à ce que la fluctuation de signal est au maximum et cette position correspond à la couche de cisaillement supérieure du jet. Insérer la plaque à orifice vide dans la pile afin que la vitesse d’écoulement seront maximisés et tourner à la facilité de circulation. Une fois que la fluidité est établie, utilisez le système d’acquisition de données pour mesurer la vitesse et la turbulence intensité moyenne à ce stade dans le jet et enregistrer ces valeurs. Maintenant, déplacer l’anémomètre span-wise vers le bas de deux millimètres et mesurer l’intensité moyenne de la vitesse et de la turbulence à nouveau. Continuer à abaisser l’anémomètre par incréments de deux millimètres et prise de mesures jusqu'à ce qu’il n’y a pas de changement notable dans les deux mesures. Après avoir enregistré la hauteur finale, traduire l’anémomètre vers le bas jusqu'à ce qu’il est en dessous de la ligne centrale de la même distance. Reprendre la prise de mesures et de traduction jusqu'à ce que l’anémomètre est de retour à la ligne médiane. Lorsque vous avez terminé, traduire l’anémomètre en aval jusqu'à ce qu’il est trois fois la largeur de la fente de la sortie du jet. Effectuer les mesures du profil jet à ce nouveau poste sections suivant la même procédure que vous avez utilisé dans le premier emplacement. Répétez vos mesures du profil jet à six et neuf fois la largeur de la fente de la sortie du jet. Après avoir complété les mesures, arrêtez la facilité de circulation.

Jetez un oeil à vos données. Dans chaque position de sections, il faut des mesures de la vitesse moyenne et de l’intensité de la turbulence prise à une série de points longitudinalement. Tout d’abord tracer la vitesse moyenne en fonction de la position longitudinalement. À l’échelle des valeurs de la valeur de ligne centre et trouver les points où la courbe croise le seuil de 50 %, en interpolant selon les besoins. Ces points définissent la largeur de jet Delta à cette position de sections. Calculer la largeur en faisant la différence. Dans ce cas, la largeur est d’environ 21,5 millimètres. Maintenant comparer la largeur moyenne Centre ligne vitesse et jet aux positions de ligne différents flux. La vitesse de ligne centre reste fondamentalement inchangée jusqu'à environ quatre fois la largeur de la fente de la sortie en raison de la base potentielle, mais diminue au-delà de cette distance. L’augmentation de la largeur de jet à distance est révélatrice de la propagation longitudinalement de l’impulsion du jet car l’air ambiant est entraîné. Maintenant tracer l’intensité de la turbulence en fonction de la position longitudinalement. Étant donné que le mélange arrive à la limite entre le jet et le milieu environnant, intensité de la turbulence pics loin de la ligne médiane.

Écoulement turbulent est omniprésent dans les applications scientifiques et techniques. Pour son évaluation dans les applications d’ingénierie tels que ventilation, chauffage et climatisation, il est courant d’utiliser des sondes de portable incandescent qui sont introduits dans les conduits et traverse radialement pour obtenir les profils de vitesse. Cette information est ensuite utilisée par l’ingénieur soit équilibrer un système nouvellement installé flux pour assurer son bon fonctionnement ou pour déterminer un système défectueux et résoudre tout problème qui empêche son fonctionnement. Lorsqu’un nouveau véhicule terrestre, aérienne ou maritime ou la structure est conçue pour tenir les forces des écoulements turbulents, il est nécessaire de tester ses performances dans des conditions réalistes de débit dans un tunnel de vent ou l’eau. Pour simuler des conditions de turbulence qui se produisent dans l’atmosphère ou l’océan, le flux entrant peut être perturbé avec grilles actives ou passives qui introduiront les fluctuations importantes de la circulation. Puis le véhicule ou la structure de l’étude peut être monté dans la section test du tunnel du vent ou l’eau pour mesurer comment il fait face aux charges introduites par l’écoulement turbulent. Ces mesures peuvent être effectuées directement avec les balances aérodynamiques qui mesurent le résultat faites glisser et lever des forces. Aussi, la vitesse sur le modèle testé dans le tunnel pourrait donner des informations importantes au sujet de la performance. Cette qualification est généralement faite avec anémomètres incandescent dans les souffleries.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la mesure des écoulements turbulents. Vous devez maintenant comprendre comment déployer incandescent anémomètres pour mesurer et évaluer les profils d’écoulement et de l’intensité de la turbulence. Merci de regarder.

A subscription to JoVE is required to view this article.
You will only be able to see the first 20 seconds.

RECOMMEND JoVE