Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Mechanical Engineering

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

블러프 바디를 지나는 흐름의 시각화
 
Click here for the English version

블러프 바디를 지나는 흐름의 시각화

Overview

출처: 리카르도 메지아 알바레즈, 후삼 히크마트 자바, 마흐무드 N. 압둘라티프, 기계 공학부, 미시간 주립 대학, 이스트 랜싱, MI

관제법의 비선형 특성으로 인해 유체 모션은 복잡한 흐름 패턴을 유도합니다. 이러한 패턴의 본질을 이해하는 것은 수세기 동안 강렬한 조사의 대상이되어 왔습니다. 개인용 컴퓨터와 슈퍼컴퓨터는 유체 흐름 패턴을 추론하는 데 광범위하게 사용되지만, 복잡한 형상 또는 매우 관성 흐름(예: 점성 저항을 지배하는 경우)에 대한 정확한 흐름 거동을 결정하기에는 여전히 부족합니다. 이를 염두에 두고, 이론및 계산 도구에 접근할 수 없는 흐름 정권과 기하학에 도달할 수 있는 흐름 패턴을 분명하게 만드는 수많은 실험 기술이 개발되었습니다.

이 데모는 절벽 몸 주위의 유체 흐름을 조사할 것입니다. 절벽 본체는 형상으로 인해 대부분의 표면에 분리된 흐름을 일으키는 오브젝트입니다. 이는 스트림에 정렬되어 유동 분리가 적은 에어포일과 같은 유선형 바디와 는 대조적입니다. 이 연구의 목적은 수소 기포를 유동 패턴을 시각화하는 방법으로 사용하는 것입니다. 수소 기포는 물에 전극을 침수하여 DC 전원을 사용하여 전해질을 통해 생성됩니다. 수소 기포는 음극에 형성되며, 이는 매우 미세한 와이어가 되어야 기포가 작게 유지되고 유체 움직임을 보다 효과적으로 추적할 수 있도록 합니다. 이 방법은 안정적이고 불안정한 라미나르 흐름에 적합하며 개체 주위의 흐름의 특성을 설명하는 기본 흐름 선을 기반으로 합니다. [1-3]

이 백서는 장비 및 설치에 대한 세부 정보를 포함하여 기술의 구현을 설명하는 데 중점을 둡니다. 이어서, 이 기술은 원형 실린더 주위의 흐름을 특성화하기 위해 두 가지 기본 흐름 선의 사용을 입증하는 데 사용된다. 이러한 흐름선은 흐름 속도 및 레이놀즈 수와 같은 몇 가지 중요한 흐름 매개 변수를 추정하고 흐름 패턴을 결정하는 데 사용됩니다.

Principles

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

이 구성에서는 원형 실린더(그림 1)에 접근하는 속도(자유 스트림 속도라고 도)를 가진 균일한 꾸준한 물 흐름을 고려할 것입니다. 레이놀즈 수를 특징으로 하는 유동 조건에 따라 이 흐름은 불안정해지고 소용돌이 흘리기가 발생할 수 있습니다. 소용돌이 흘리는 흐르는 과거 절벽 바디에서 일반적으로, 유선형 바디반대로, 그들의 표면의 상당 부분에 경계 층 분리를 전시합니다. 이 경계 층 분리는 결국 깨어로 주기적으로 분리 할 수있는 몸 뒤에 vortices의 형성으로 이어집니다. 주기적인 분리가 일어날 때, vortices는 흘리는 주파수가 바디의 자연적인 주파수와 일치하는 경우에 공명 하중이 될 수 있는 바디 의 뒤에 저압의 교대로 지역을 생성합니다. 이 소용돌이 흘리기 과정은 "폰 카르마른 소용돌이 거리"(그림 2)라고합니다. 소용돌이 소용돌이의 이 반복 패턴은 절벽 몸 주위의 불안정한 흐름 분리에 의해 발생하며 레이놀즈 수의 특정 범위에서 발생합니다. 이 시나리오를 피하는 것은 연기 스택 및 브리지 기둥과 같은 엔지니어링 구조를 설계하는 데 치명적인 실패를 초래할 수 있으므로 매우 중요합니다.

Figure 1
그림 1. 원형 실린더를 지나플로우면 됩니다. 기본 구성의 회로도. 속도의 균일한 스트림은 대칭축이 접근하는 속도에 수직인 직경의 직선 실린더에 접근합니다.

레이놀즈 번호는 점성 력에 대한 관성 력의 비율로 정의된 치수 매개변수입니다.

(1)

유체의 운동 점도, 특성 속도(본 경우), 및 실린더 직경은 어디에 있다. 레이놀즈 숫자는 틀림없이 유체 흐름의 특성화에서 가장 중요한 매개 변수이며 폰 Kármàn 소용돌이 거리의 출현을위한 지표로 현재 실험 전반에 걸쳐 사용됩니다. 특히 레이놀즈 수가 약 5일 때 흐름은 실린더 뒤에 두 개의 안정적인 역회전 vortices를 나타낸다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라 이 두 가지 vortices는 흐름 방향으로 길게 됩니다. 레이놀즈 숫자가 약 37의 값에 도달하면, 웨이크가 불안정해지고 압력과 모멘텀 사이의 불균형의 결과로 부비동을 진동하기 시작합니다. 레이놀즈 번호의 추가 증가는 최대 47의 증가로 인해 두 개의 카운터 회전 vortices가 부비동성 절전 진동을 따르는 교대 순서로 실린더에서 분리됩니다 [4,5,6].

원통에서 vortices가 흘린 주파수는 일정하지 않습니다. 레이놀즈 수의 값에 따라 다릅니다. 흘리기 주파수는 이 특정 유체 흐름 구성에서 관련성의 다른 차원없는 매개 변수인 Strouhal 번호를 특징으로 합니다.

(2)

여기서, 소용돌이 흘리기 주파수와 길이 및 속도 척도는 레이놀즈 수와 동일합니다. 소용돌이 흘리기 주파수는 레이놀즈 번호 [7]의 역 제곱 근의 선형 함수로 스트라우할 번호를 특징으로 할 수 있습니다.

(3)

이 함수는 항상 단조로운 것은 아니며 유체 흐름의 비 선형성에 빚진 이차 적 부채의 결과로 추가 전환을 나타낸다. 그 결과, 계수는 레이놀즈 수 범위에 따라 변경됩니다. 표 1은 문헌[7]에서 잘 특징지어진 흐름 정권에 대한 이러한 계수의 값을 나타낸다.

본 실험 에서 흐름선을 사용하여 원형 실린더 주위의 외부 흐름을 연구할 것입니다. 이러한 흐름선은 다음과 같이 정의됩니다.

• 경로선: 유체 입자가 흐름과 함께 이동할 때 따르는 경로입니다.

• 줄무늬 선 : 모션이 동일한 공간 위치에서 유래 모든 유체 입자의 연속 궤적.

• 타임라인: 연속 궤적을 형성하는 동안 같은 시간에 태그된 유체 입자 집합입니다.

• 간소화 : 순식간에 속도 필드에 접선 어디에나 연속 라인.

처음 세 줄은 실험적으로 생성하기 쉬우며, 유선형은 일반적으로 속도 필드의 즉각적인 캡처를 후처리하여 생산되어야 하는 수학적 개념일 뿐입니다. 항상 사실이지만 경로선, 줄줄 및 간소화가 서로 일치하기 때문에 분석은 꾸준한 흐름에서 크게 단순화됩니다. 반대로, 이러한 선은 일반적으로 불안정한 흐름에서 서로 일치하지 않습니다. 이 기술의 구현은 일반적으로 간단하며 입자 이미지 속도 측정 [1], 입자 추적 속도 측정 [8,9], 분자 태그 속도 측정 [10]과 같은 보다 정교하고 비싼 기술과는 달리 저비용 장비만 필요합니다.

Figure 2
그림 2. 대표적인 결과. (A) 상류 장애의 결과로 줄무늬를 보여주는 수소 거품의 연속 시트. 막대에 의해 캐스팅된 그림자는 기계에서 실제 단위로 변환을 결정하는 데 사용됩니다. 소용돌이 흘리기 주기는 또한 적절하게 흘리는 주파수를 결정하는 것을 돕기 위하여 도시됩니다. (B) 수소 기포로 생성된 적시성. 타임라인 주파수가 잘 정의되므로 흐름 속도를 정확하게 측정하는 데 사용할 수 있습니다. 빨간색 선에 동봉된 타임라인을 계산하는 것은 이 추정에 사용됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1. 계수및 다른 레이놀즈 수 간격의 값([8]에서).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. 거품의 연속 시트를 생산하려면 :

  1. 도 3에표시된 전기 다이어그램에 따라 장비를 설정합니다.
  2. 테스트 섹션의 하류 끝에 있는 물에서 양극을 수정합니다(참조용 그림 4 참조).
  3. 음극을 상류및 관심지점 근처에서 수정하여 흐름이 연구 대상에 도달하기 전에 기포를 스트림으로 방출합니다(참조용 그림 4 참조). 물은 두 전극 사이의 회로를 완료합니다.
  4. 유동 시설 켜기
  5. 주파수 컨트롤러의 다이얼을 배치 2로 설정합니다. 이렇게 하면 약 9x10-4 m3/s의유량을 설정합니다.
  6. DC 전원 공급 장치를 켜고 전압을 약 25 V까지 증가하면 전류가 약 190 mA로 설정됩니다.
  7. 신호 생성기의 파형을 정사각형 웨이브(기호:)로 설정합니다. 이렇게 하면 높은 위치에서 솔리드 스테이트 릴레이(회로 닫기)를 활성화하고 낮은 위치에서 열리는 0 V - 5V 정사각형 신호가 생성됩니다.
  8. 이 특정 경우 사각형 파의 빈도는 중요하지 않습니다. 0이 아닌 것일 뿐입니다.
  9. 신호 발생기에서 DC 오프셋(+5 V)을 최대화합니다. 이 설정을 사용하면 회로가 항상 닫혀 있고 시스템은 계속해서 거품을 생성합니다.

Figure 3
그림 3. 연결 다이어그램입니다.

Figure 3
그림 4. 테스트 섹션입니다. 흐름은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동합니다. 음극은 흐름으로 휩쓸린 수소 기포층을 생성합니다. 양극은 교란을 피하기 위해 테스트 섹션의 하류 끝에 설정됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

2. 적시성 생성:

  1. 유동 시설 켜기
  2. 주파수 컨트롤러의 다이얼을 배치 2로 설정합니다. 이렇게 하면 약 9x10-4 m3/s의유량을 설정합니다.
  3. DC 전원 공급 장치를 켜고 전압을 약 25 V까지 증가하면 전류가 약 190 mA로 설정됩니다.
  4. 신호 생성기의 파형을 정사각형 웨이브(기호:)로 설정합니다. 이렇게 하면 0 V - 5 V 정사각형 신호가 생성되어 고체 계주(회로 닫기)를 높은 위치에서 활성화하고 낮은 위치에서 비활성화(회로 열기)합니다.
  5. 신호 발생기에서 DC 오프셋을 +1 V로 설정합니다.
  6. 신호 발생기의 제곱파 주파수를 10Hz로 설정합니다.
  7. 적각 파의 대칭을 약간 음수(-2)로 설정하여 적시성 사이의 공간을 늘리면서 올바른 주파수를 보존합니다.

3. 흐름선을 사용하여 폰 카르마른 소용돌이 거리를 연구하려면 다음을 수행하십시오.

  1. 캘리퍼를 사용하여 막대의 직경을 측정합니다. 이 측정(m)에 S.I. 장치를 사용합니다.
  2. 음극의 원통형 막대 하류를 수정합니다.
  3. 수소 기포층에 고강도 방전 램프의 빛을 투사합니다. 이미징 시스템의 과포화를 방지하기 위해 빛이 시야선 바로 뒤에 있지 않은지 확인합니다.
  4. 시각화 시스템을 막대와 정렬합니다. 카메라 앞에서 원형 팁만 볼 수 있습니다.
  5. 사용하려면 막대의 시각화 창과 하류에 마크를 추가하여 단위 시간당 소용돌이 창고 주기를 계산하는 참조로 사용합니다.

4. 원형 실린더를 지나흐르는 것에 대한 데이터 분석:

  1. 기계 단위에서 실제 공간 단위로 변환 계수 의 결정:
    1. 버블 시트에 막대에 의해 캐스팅된 그림자의 너비를 측정합니다(참조용 그림 2(A 참조) 거리가 왜곡되지 않도록 막대에서 바로 이 측정을 수행하십시오. 이것은 기계 단위에서 막대의 직경입니다(형식에 따라 점 또는 픽셀).
    2. 다음 방정식을 사용하여 기계 단위에서 실제 단위로 변환 계수를 결정합니다.
  2. 흐름 속도 의 결정:
    1. 블러프 본체의 상류에 왜곡되지 않은 타임라인 그룹을 선택합니다.
    2. 기계 단위(점 또는 픽셀)에서 첫 번째 타임라인과 마지막 타임라인 사이의 거리를 측정합니다.
    3. 그룹의 타임라인 수를 계산합니다.
    4. 신호 발생기에서 생성한 제곱파 신호의 주파수에 유의하십시오.
    5. 다음 방정식에서 접근 흐름 속도를 결정합니다.
  3. 레이놀즈 번호 의 결정 :
    1. 작동 유체의 운동 점도(예: 물 m 2/s)를 찾습니다.
    2. 방정식(1)을 사용하여 레이놀즈 번호를 계산합니다. 이를 위해, 3.1단계에서 측정된 막대의 직경을 고려하여, 접근 속도() 방정식(5)으로 결정되고, 4.3.1 단계에서 결정된 운동점도
  4. 스트라우할 번호의 결정: 막대의 여파로 vortices 는 자유 스트림의 타임 라인으로 다른 속도로 이동. 따라서, 소용돌이 흘리기의 빈도는 독립적으로 추정될 필요가 있습니다.
    1. 막대의 고정 참조 다운스트림을 정의합니다. 이 참조는 터널 외부에 부착된 미세 문자열이거나 흐름 프로세스의 비디오에 추가된 디지털 라인일 수 있습니다.
    2. 정의된 기간 동안 참조를 교차하는 소용돌이 흘리기 주기의 수를 계산합니다. 소용돌이 흘리기 주기는 도 2(A)에 도시되어 있다.
    3. 다음 방정식에서 흘리는 빈도를 계산합니다.
    4. 수학식(5)과 (6)의 결과를 수학식(2)에서 사용하여 Strouhal 번호를 계산합니다.

관제법의 비선형 특성으로 인해 유체 모션은 복잡한 흐름 패턴을 유도합니다. 이러한 흐름 패턴은 많은 요인에 의해 영향을 받는, 그 중 하나는 절벽 몸 과 같은 장애물을 지나 흐르고 있다. 절벽 본체는 형상으로 인해 대부분의 표면에 분리된 흐름을 일으키는 오브젝트입니다. 유동 조건에 따라 이러한 흐름이 불안정해질 수 있으므로 소용돌이 흘리기라는 절전 모드패턴이 발생할 수 있습니다. 이 비디오는 절벽 본체에 의한 유동 분리 및 소용돌이 흘리기의 기초를 소개하고 결과 흐름 패턴을 시각화하는 데 사용되는 기술을 보여줍니다.

먼저, 원형 실린더에 접근하는 자유 스트림 속도라고 불리는 속도 U 무한대와 함께 균일한 꾸준한 물의 흐름을 생각해 봅시다. 오브젝트 표면의 경계 층 분리는 결국 웨이크로 분리되는 바디 주위의 소용돌이가 형성됩니다. 주기적인 분리가 발생하면, vortices는 바디 뒤에 저압의 교대로 지역을 생성합니다. 이 과정은 폰 카르만 소용돌이 거리라고합니다. 이 반복 패턴은 점성 력에 대한 관성 력의 비율로 정의된 차원이 없는 매개변수인 레이놀즈 수의 특정 범위에서 발생합니다. 여기서, nu는 유체의 운동점도이며, V는 이 경우 특징적인 속도 또는 U 무한대이며, D는 실린더 직경이다. 예를 들어 다음 데모의 설정에서 레이놀즈 수가 약 5개인 경우 흐름은 실린더 뒤에 두 개의 안정적인 역회전 vortices를 나타낸다. 레이놀즈 수가 증가함에 따라, 이러한 vortices흐름의 방향으로 길게. 레이놀즈 숫자가 약 37에 도달하면, 웨이크가 불안정해지고 압력과 운동량 사이의 불균형의 결과로 부비동성 진동이 발생합니다. 원통에서 vortices가 흘리는 주파수는 일정하지 않으며 레이놀즈 수의 값에 따라 다릅니다. 이 흘리기 주파수는 또 다른 차원없는 매개 변수인 Strouhal 번호를 특징으로합니다. Strouhal 번호는 f가 소용돌이 흘리기 주파수인 위치를 도시한 것으로 정의됩니다. 유동 패턴의 실험 분석은 네 가지 유형의 유동선을 사용합니다. 경로 선은 지정된 유체 파티클이 흐름과 함께 이동할 때 따르는 경로입니다. 줄무늬 선은 동일한 위치에서 동작이 시작된 모든 유체 입자의 연속 궤적입니다. 유선형은 속도 필드에 즉각적이고 로컬접선인 가상의 라인입니다. 경로 선, 줄무늬 선 및 간소화는 안정적인 흐름 조건에서 서로 일치합니다. 현재 흐름에서 이는 절벽 본체에서 상류또는 해당 절전 모드의 영향으로부터 충분히 떨어진 흐름의 영역에 해당합니다. 반면, 경로 선, 줄무늬 선 및 유선형은 불안정한 흐름 조건에서 서로 다릅니다. 현재 흐름에서, 이것은 기본적으로 절벽 몸의 웨이크에 해당합니다. 마지막으로, 타임라인은 동시에 흐름에 방출된 유체 입자의 연속 궤적이다. 다음 실험에서는 작은 수소 기포의 연속 시트를 사용하여 적시성과 줄무늬 선을 사용하여 흐름 패턴을 분석합니다. 이제 흐름 실험을 설정하는 방법을 살펴보겠습니다.

먼저, 표시된 전기 다이어그램에 따라 장비를 조립한다. 테스트 섹션의 하류 끝에 있는 물에서 양극을 수정합니다. 다음으로 음극을 업스트림으로 수정합니다. 이는 흐름이 스터디 의 개체에 도달하기 전에 기포가 스트림으로 방출되는 지점 근처에 있어야 합니다. 흐름 시설을 켭니다. 그런 다음 초당 약 0.04미터의 평균 속도를 설정하기 위해 주파수 컨트롤러의 다이얼을 2로 설정합니다. 이 속도는 초당 마이너스 5 베너드 미터에 약 50의 유량에 해당합니다. 이제 DC 전원 공급 장치를 켜고 전류약 190 밀리암페어로 전압을 약 25볼트로 늘립니다. 신호 발생기에서 출력을 0볼트에서 5볼트 사각 신호로 정사각형 파로 설정하여 높은 위치에서 회로를 닫고 낮은 위치에서 엽니다. DC 오프셋을 5볼트로 최대화하여 회로가 항상 닫히고 시스템이 계속해서 거품을 생성합니다. 타임라인을 생성하려면 신호 생성기의 DC 오프셋을 하나의 볼트로 변경합니다. 그런 다음 사각형 파의 주파수를 10 헤르츠로 설정합니다. 타임라인은 흐름에서 생성됩니다. 그런 다음 적시성 사이의 공간을 늘리기 위해 사각형 파의 대칭을 마이너스 2로 설정합니다.

먼저 SI 단위로 캘리퍼를 사용하여 막대의 직경을 측정합니다. 음극의 원통형 막대 하류를 수정합니다. 수소 기포 층에 고강도 빛을 투사하여 이미징 시스템의 포화를 방지하기 위해 빛이 시야 바로 뒤에 있지 않도록 합니다. 시각화 시스템을 막대와 정렬하여 카메라 앞에 원형 팁만 표시되도록 합니다. 가시화 창과 막대의 하류에 마크를 추가하여 소용돌이 창고 주기를 계산하는 기준점으로 사용합니다.

먼저 버블 시트의 막대에 의해 캐스팅 된 그림자의 폭을 측정합니다. 멀리 있는 왜곡을 피하기 위해 막대에서 바로 측정을 하십시오. 로드 직경을 사용하여 기계 단위에서 실제 단위로 변환 계수를 결정합니다. 다음으로, 절벽 몸과 그 깨어의 영향에서 멀리 거의 왜곡되지 않은 적시성의 그룹을 선택합니다. 기계 단위의 첫 번째 타임라인과 마지막 타임라인 사이의 거리 L을 측정합니다. 그룹의 타임라인 수를 계산하고 사각형 파의 빈도를 기록합니다. 다음 방정식에서 접근 흐름 속도를 결정합니다. 이제 물의 운동 점도를 사용하여 레이놀즈 번호를 계산합니다. 다음으로, 막대의 여파로 vortices를 관찰하여 스트라우할 번호를 결정합니다. vortices는 자유 스트림의 적시성에 비해 다른 속도로 이동합니다. 고정 된 문자열을 참조로 사용하여 정의된 기간 동안 기준점을 교차하는 소용돌이 흘리기 주기, NS 수를 계산합니다. 흘리기 주파수를 계산합니다. 그런 다음 결과를 사용하여 스트라우할 번호를 계산합니다.

이제 절차와 분석을 살펴보겠습니다. 결과의 유효성은 레이놀즈 번호와 스트라우할 번호 사이의 관계를 사용하여 결정할 수 있습니다. 계수 St* 및 m은 레이놀즈 번호 범위에 따라 다르며 문헌에서 찾을 수 있습니다. 이 예제의 레이놀즈 번호는 115입니다. 따라서 St* 및 m의 값을 사용하여 스트라우할 번호를 계산할 수 있습니다. Strouhal 번호의 계산된 값은 0.172이며 측정값은 0.169와 잘 상관관계가 있습니다. 이 실험이 다양한 운영 매개 변수로 수행되었을 때 레이놀즈와 Strouhal 숫자의 계산은 두 숫자 사이의 수학적 관계와 잘 상관관계가 있습니다. 이것은 거품 방법이 블러프 바디 주위의 흐름 패턴을 이해하는 데 얼마나 잘 사용될 수 있는지 보여줍니다.

흐름 패턴을 이해하는 것은 다양한 유형의 엔지니어링 응용 분야의 설계 및 운영에 필수적입니다. 교량 및 해양 석유 굴착 장치의 기둥은 구조물을 지나 흐르는 전류 흐름으로 인한 난류를 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 주어진 구조가 노출되는 소용돌이 흘리기 주파수를 아는 것은 설계에 매우 중요합니다. 그런 점에서 엔지니어는 구조의 자연 주파수가 소용돌이 흘리는 주파수와 공감할 수 없도록 해야 합니다. 또한 에어 호일 이나 선박 선체와 같은 유선형 개체 주위의 유체 흐름을 연구하는 것이 필수적입니다. 엔지니어는 유동선을 사용하여 비행기가 노점되는 각도와 같은 매개 변수를 결정하거나 유동 속도에 따라 리프트 특성을 추정할 수 있습니다.

당신은 단지 절벽 몸 주위에 흐름 라인을 시각화에 조브의 비디오를 보았다. 이제 유체 흐름 패턴과 폰 카르만 소용돌이 거리의 기본 사항, 이러한 흐름 패턴을 시각화하는 실험을 설정하는 방법 및 흐름 동작을 연구하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

도 2는 폰 카르마른 소용돌이 거리의 수소 버블 시각화의 두 가지 대표적인 결과를 나타낸다. 2(A)는 수소 버블 시트의 교란에 의해 입증된 줄무늬 필드의 예를 나타낸다. 이 이미지는 기계 단위에서 막대의 직경을 추출하는 데 사용됩니다. 그림2(B)는 타임라인 필드의 예를 보여 줍니다. 이 이미지는 접근하는 유체 속도를 추정하는 데 사용됩니다. 이 특정 실험에서 추출한 매개 변수는 표 2에 요약됩니다.

2. 원형 실린더를 지나 흐름에 대한 대표적인 결과.

매개 변수
D_o 0.003 m
D_i 14.528 pts
f_s 2.169 Hz
f_tl 10Hz
L 130.167 "pts"
M 4842.67 "pts" ∕"m"
N_s 60
N_tl 7
T 27.66 s
U_∞ 0.0384 m/s
ν 1.004×[10]^^(-6) m2/s
115
세인트 0.169

레이놀즈 번호는 현재 예제의 경우 115이므로 이 결과의 유효성은 수식(3)을 사용하여 테스트할 수 있습니다.

(7)

우리는 얻을 수있는 :

(8)

이 추정을 실험 결과와 비교한 후(참조용 표 2 참조), 실험이 만족스러운 결과를 제공했다는 결론을 내릴 수 있습니다. 도 5는 방정식(7)의 예측과 비교하여 실험 결과 집합을 나타낸다.

Figure 1
그림 5. 실험 결과. 현재 실험 결과를 원형 실린더를 지나 흐르는 레이놀즈 수와 스트라우할 수 사이의 관계에 대한 예측과 비교합니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

이 연구에서는, 수소 기포의 사용은 원형 실린더 주위의 흐름의 심상에서 정성적 및 정량적 정보를 추출하는 것이 입증되었다. 이러한 실험에서 추출된 정량정보는 프리스트림 속도(), 소용돌이-흘리기 주파수(), 레이놀즈 번호(Re), 및 스트라우할 번호(St)를 포함하였다. 특히, St 대 Re의 결과는 이전 연구 [3]와 매우 좋은 합의를 나타냈다.

현재 실험에 사용되는 느린 속도로 인해 버블 시트의 혼란은 줄무늬 버블 층을 생성합니다. 이러한 줄무늬는 기본적으로 줄무늬입니다. 수소 버블 시트가 하류로 이동함에 따라 이러한 줄무늬가 두꺼워지고 더 불규칙해집니다. 이는 프리 스트림의 난류 강도의 결과입니다. 거품이 테스트 섹션을 떠나기 때문에 터널의 속도가 증가함에 따라 효과가 감쇠됩니다. 줄무늬라인은 또한 물에 노출되는 그것의 작은 부분을 두고 있는 동안 와이어를 코팅하여 미리 선택된 위치에서 생성될 수 있습니다.

현재의 흐름 거동은 교량 및 해상 석유 굴착 장치, 풍력 터빈 타워 또는 전선 기둥과 같은 엔지니어링 구조를 지나서 몇 가지 이름을 지정하는 데 직접적으로 적용됩니다. 그리고 실제로 이 동작은 하늘 스크레이퍼와 같은 원통형 이외의 형상이 있는 절벽 바디에 의해 전시됩니다. Vortices가 구조물을 진동시키는 유체 구조 상호 작용을 생성한다는 점을 감안할 때, 주어진 구조가 노출될 주파수를 흘리는 소용돌이를 아는 것은 설계에 매우 중요합니다. 이와 관련하여, 엔지니어는 구조의 자연 주파수가 소용돌이 흘리는 주파수와 공감하지 않도록 해야 합니다. 엔지니어는 적절한 스케일링 법[10]과 수수 기포를 사용하여 설계가 안전한지 확인하거나 수정이 필요한지 확인하기 위해 구조물과의 흐름 상호 작용을 시뮬레이션할 수 있습니다.

절벽 몸 외에 수소 버블 시각화는 익형이나 선박 선체와 같은 유선형 몸 주위의 흐름을 연구하는 매우 강력한 도구입니다. 이 기술로 생성된 유량선을 사용하면 노점이 발생하는 공격 각도와 같은 매개 변수를 결정하거나 유동 속도에 따라 리프트 특성을 추정할 수 있습니다. 더 중요한 것은 유체 라인의 왜곡 패턴이 엔지니어가 설계를 최적화하는 데 도움이 된다는 것입니다.

상기와 같은 외부 흐름에 국한된 수소기포기와 의외의 비주얼리제이시화는 제한되지 않는다. 이 방법은 열린 채널 또는 완전히 제한된 흐름 시스템을 통해 흐름을 관찰하는 데 사용할 수도 있습니다. 후자의 경우 광학 액세스를 보장하기 위해 벽이 투명해야 합니다. 예를 들어, 서브 소닉 흐름에 대한 유동 디퓨저를 설계하는 데 관심이 있는 경우, 수소 기포를 사용하여 디퓨저가 유동 분리 및 불안정을 나타내는 기하학적 및 유량 조건을 결정할 수 있습니다. 이러한 관찰을 바탕으로 설계를 실험적으로 최적화하여 적절한 기능을 보장할 수 있습니다.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

References

  1. Zöllner, F. Leonardo da Vinci 1452-1519: sketches and drawings, Taschen, 2004.
  2. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  3. Adrian, Ronald J., and Jerry Westerweel. Particle Image Velocimetry. Cambridge University Press, 2011.
  4. Gerrard, J. H., The wakes of cylindrical bluff bodies at low Reynolds number, Phil. Trans. Roy. Soc. (London) Ser. A, Vol. 288, No. 1354, pp. 351-382 (1978)
  5. Coutanceau, M. and Bouard, R., Experimental determination of the viscous flow in the wake of a circular cylinder in uniform translation. Part 1. Steady flow, J. Fluid Mech., Vol. 79, Part 2, pp. 231-256 (1977)
  6. Kovásznay, L. S. G., Hot-wire investigation of the wake behind cylinders at low Reynolds numbers, Proc. Roy. Soc. (London) Ser. A, Vol. 198, pp. 174-190 (1949)
  7. Fey, U., M. König, and H. Eckelmann. A new Strouhal-Reynolds-number relationship for the circular cylinder in the range . Physics of Fluids, 10(7):1547, 1998.
  8. Maas, H.-G., A. Grün, and D. Papantoniou. Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part I: Photogrammetric determination of particle coordinates. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 133-146, 1993.
  9. Malik, N., T. Dracos, and D. Papantoniou Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part II: Particle tracking. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 279-294, 1993.
  10. Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.
  11. Monaghan, J. J., and J. B. Kajtar. Leonardo da Vinci's turbulent tank in two dimensions. European Journal of Mechanics-B/Fluids. 44:1-9, 2014.
  12. Becker, H.A. Dimensionless parameters: theory and methodology. Wiley, 1976.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter