Medición de flujos turbulentos

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.