8.6: Çapraz Silindirik Akış: Basınç Dağılımının Ölçülmesi ve Sürtünme Katsayılarının Tahmin Edilmesi

1. Bir silindirin etrafındaki basınç dağılımının ölçülmesi

1. Bir rüzgar tünelinin test bölümünün üst kapağını çıkarın ve bir döner tablaya 24 yerleşik bağlantı noktasına sahip temiz, alüminyum bir silindir (d = 4 inç) monte edin (Şekil 3). Silindiri, sıfır portu yukarı akışa bakacak şekilde takın (Şekil 4a).
2. Üst kapağı yerine takın ve 0 - 23 etiketli 24 basınç tüpünü manometre panelindeki ilgili bağlantı noktalarına bağlayın. Manometre paneli renkli yağ ile doldurulmalı, ancak içinde su ile işaretlenmelidir. mezuniyetler (Şekil 5).
3. Rüzgar tünelini açın ve 60 mil hızla çalıştırın. Manometreyi okuyarak 24 basınç ölçümünün tümünü kaydedin. Bu hava hızında Reynolds sayısı 1.78 x 10⁵'dir. Beklenen akış modeli Şekil 2d'de gösterilmiştir.
4. Tüm ölçümler kaydedildikten sonra, rüzgar tünelini kapatın ve rahatsız edici silindiri oluşturmak için silindirin üzerine dikey olarak iki dizi (d = 1 mm) bantlayın. Bir ipi 3 ve 4 numaralı bağlantı noktaları arasına (θ = 52.5°) ve diğerini 20 ve 21 numaralı bağlantı noktaları arasına (θ = 307.5°) bantlayın. Şekil 4b'de gösterildiği gibi yakındaki bağlantı noktalarının bant tarafından engellenmediğinden emin olun.
5. Rüzgar tünelini açın ve 3. adımı tekrarlayın. Tüm basınç ölçümlerini kaydedin.

Şekil 3. Çapraz silindirik akışın ölçü basıncı ölçüm düzeni.

Şekil 4. Silindirin rüzgar tünelinde kurulumu (basınç portları silindirin ortasındadır).

Şekil 5. Manometre paneli.

Sıvı, silindir gibi bir nesnenin etrafında akarken, nesneye yakın basınçlar ve hızlar sürekli değişir. Görünmez potansiyel akış teorisine göre, bir silindirin etrafındaki basınç dağılımı sadece yatay olarak değil, aynı zamanda dikey olarak, silindirin yukarı ve aşağı akışında da simetriktir. Bu, sıfır net sürükleme kuvveti ile sonuçlanır.

Bununla birlikte, deneysel sonuçlar farklı akış modelleri, basınç dağılımları ve sürükleme katsayıları verir, çünkü viskoz potansiyel teorisi, gerçeklikten büyük ölçüde farklı olan sıvı viskozitesini hesaba katmaz. Sıvının viskozitesini hesaba katarak, bir silindirin etrafındaki gerçek akış modellerini daha iyi anlayabiliriz.

İlk olarak, viskoz kuvvetlerin bir sonucu olarak silindir boyunca bir sınır tabakası geliştirilir. Bu viskoz kuvvetler, nesnenin yüzeyi boyunca hareket eden sıvının sürtünmesinden kaynaklanan bir sürükleme kuvveti olan cilt sürtünme sürtünmesine neden olur.

Silindir bir blöf gövdesi olduğundan, yani aerodinamik olmadığından, akış ayrılması meydana gelir ve nesnenin arkasında düşük basınçlı bir dümen oluşur. Bu, basınç farkı nedeniyle daha da büyük bir sürtünme biçimine yol açar.

Bu akış modelinin özellikleri Reynolds sayısına dayanır. Reynolds sayısı, sıvıyı tanımlamak için kullanılan boyutsuz bir sayıdır ve eylemsizlik kuvvetlerinin viskoz kuvvetlere oranıdır. Rho sonsuzluğu sıvının yoğunluğudur, V sonsuzluk serbest akış hızıdır, D silindirin çapıdır ve mu sıvının dinamik viskozitesidir.

Yaklaşık 4'lük bir Reynolds sayısının altında, akış modeli silindirin arkasında çok az akış ayrımı gösterir. Reynolds sayısı arttıkça akış ayrımı artar. Yaklaşık 40'lık bir Reynolds sayısının altında, ardından sabit bir çift girdap görüyoruz.

Daha yüksek Reynolds sayısında, girdaplar, girdap dökülmesi adı verilen bir sürecin neden olduğu alternatif girdaplar modeliyle bir girdap caddesine kayar. Daha da yüksek Reynolds sayısında, laminer sınır tabakası türbülanslı hale geldikten sonra, uyanma düzensiz hale gelir.

Son olarak, çok yüksek Reynolds sayısında ve türbülanslı akışta, dümen suyunun daha dar ve tamamen çalkantılı hale geldiğini görüyoruz.

Bu laboratuvarda, 24 basınç portuna sahip bir silindiri bir rüzgar tünelinde sıvı akışına tabi tutacağız. Daha sonra, basınç dağılımını incelemek ve silindir üzerindeki sürükleme kuvvetlerini belirlemek için her bir basınç musluğundaki basınç ölçümlerini kullanacağız.

Bu deney için, 1 ft x 1 ft test bölümüne sahip bir aerodinamik rüzgar tüneli kullanın. Ayrıca, basınçlı tüpler için 24 yerleşik bağlantı noktasına sahip bir alüminyum silindir edinin. 24 sütunlu bir manometre paneline de ihtiyaç duyulacaktır.

Başlamak için önce test bölümünün üst kapağını çıkarın. Silindir portlarına bağlanan tüpleri test bölümünün altındaki yarıktan geçirin. Ardından silindiri döner tablanın üzerine monte edin ve sıfır numaralı bağlantı noktası yukarı akışa bakacak şekilde yönlendirin.

Test bölümünün üst kapağını yerine takın ve sıfırdan 23'e kadar etiketlenmiş 24 basınç tüpünü manometre panelinin ilgili bağlantı noktalarına bağlayın.

Tüm tüpler düzgün bir şekilde bağlandıktan sonra rüzgar tünelini başlatın. Rüzgar hızını saatte 60 mile çıkarın ve manometreyi okuyarak 24 basınç ölçümünün tümünü kaydedin. Şimdi rüzgar hızını tekrar sıfıra ayarlayın ve rüzgar tünelini kapatın. Test bölümünü açın.

Şimdi, 1 mm çapında bir ipi 3 ve 4 numaralı portlar arasına dikey olarak sabitleyerek silindiri değiştirin, bu da 52.5?'e eşit tetaya eşdeğerdir. Yerine bantlarken ipi mümkün olduğunca düz tutun. 20 ve 21 numaralı bağlantı noktaları arasına teta 307.5'e eşit olan başka bir dize bantlayın. Bu teller hava akışını bozacaktır. Bağlantı noktalarının akış basınçlarını algılayabilmesi için mavi banttan delikler açmak için bir pim kullanın.

Ardından, test bölümünü kapatın. Rüzgar tünelini tekrar açın ve rüzgar hızını saatte 60 mile yükseltin. Manometreyi kullanarak 24 basınç ölçümünü kaydedin.

Bitirdiğinizde, rüzgar hızını tekrar sıfıra ayarlayın ve rüzgar tünelini kapatın. Tüpleri manometreden ayırın. Ardından test bölümünü açın ve silindiri çıkarın.

Şimdi sonuçları yorumlayalım. İlk olarak, saatte 60 mil olan serbest akış hızını kullanarak Reynolds sayısını belirleyebiliriz. Silindirin çapı, serbest akışın viskozitesi ve yoğunluğu bilinmektedir. Böylece, Reynolds sayısı 1.78 x 105'e eşittir.

Bu Reynolds sayısında, akış ayrılmasının meydana geldiği ve silindirin arkasında türbülanslı bir düşük basınç uyanması ile sonuçlandığı gösterildiği gibi bir akış modeli bekleyebiliriz. Bu basınç farkı sürüklenmeye neden olur.

Şimdi, bu durumda temiz silindir için deneysel verilerimize bakalım. Simetri nedeniyle, yalnızca 1'den 12'ye kadar olan bağlantı noktalarına bakacağız. Teta, bağlantı noktasının açısal konumudur ve P-gage, manometre okumasıdır.

İlk olarak, rho sonsuzluğunun ve V sonsuzluğunun sırasıyla serbest akış yoğunluğu ve hızı olduğu her port için boyutsal olmayan basınç katsayısını hesaplayın. Bozulmuş silindir için de aynı hesaplamayı yapın.

Her bir silindir için deneysel sonuçları ideal ile karşılaştırıldığında çizersek, durgunluk noktasının veya tetanın sıfıra eşit olduğunu, basınç katsayısının hem temiz hem de rahatsız silindirler için maksimumda olduğunu görebiliriz. Teta 60'a eşit olmadan önce, temiz ve bozulmuş silindirler ideal verilerle iyi bir uyum içindedir.

60 ° C'den sonra, silindirin arkasında düşük bir basınç bölgesi oluşturdukları için idealden saparlar. Beklenen akış modelini hatırlarsak, akış modelinin uyanma bölgesinde türbülanslı girdaplar ve girdaplar görmemiz gerektiğini görebiliriz. Bu fenomen, her iki silindir için ölçülen düşük basınç bölgelerine iyi bir şekilde karşılık gelir.

Bununla birlikte, ikisi arasındaki farklar, tellerin silindire eklendiği ve temiz silindirin, rahatsız edilen silindirden daha düşük bir basınç bölgesine maruz kaldığı durumlarda ortaya çıkar. Bunun nedeni, bozulan akışın, akış ayrımı meydana gelmeden önce silindirin etrafına daha fazla sarılma eğiliminde olmasıdır. Laminer olarak başlayan sınır tabakası, bozulmadan hemen sonra türbülanslı hale geçer.

Akış ayrımından önce her zaman laminer olan temiz silindirden daha fazla rahatsız edici silindirin etrafını sardığını görebilirsiniz. Bozulan akış, ardından daha yüksek bir geri basınca sahip olduğundan, daha düşük bir sürükleme kuvvetine sahip olmalıdır. Bu hipotezi doğrulayalım.

İlk olarak, her bir basınç portunun açısal konumunu, bitişik portlarla olan açısal mesafeyi, her bir porttaki mastar basıncını ve silindirin yarıçapını kullanarak gösterildiği gibi sürüklemeyi, FD'yi hesaplayın. Her silindir için sürtünmeyi hesapladıktan sonra, her silindir için boyutsal olmayan sürtünme katsayısını, CD'yi hesaplayabiliriz.

Beklendiği gibi, bozulmuş silindir için sürtünme katsayısı temiz silindirden daha düşüktür. Bu sonuçlar aynı zamanda golf toplarının neden çukurlu olduğunu da açıklıyor. Çukurlar türbülanslı sınır tabakası akışına neden olur ve bu nedenle sürtünmeyi azaltır.

Özetle, farklı Reynolds sayılarında gözlemlenen karakteristik akış modellerini ve türbülanslı akışa geçişi öğrendik. Daha sonra silindirleri bir rüzgar tünelinde çapraz akışa tabi tuttuk ve her biri üzerindeki sürükleme kuvvetlerini belirlemek için yüzeyleri boyunca basınç dağılımını ölçtük.