난류 측정

격동의 흐름에 대한 설명

난류 흐름은 속도, 압력 및 vorticity와 같은 유동 변수의 매우 무작위변동에 의해 입증될 수 있습니다. 도 1은 난류 흐름의 고정 지점에서 속도를 측정하여 얻어진 전형적인 속도 신호를 나타낸다. 이 신호의 변동은 임의노이즈가 아니라 유동장 내의 일관된 모션 간의 비선형 상호 작용의 결과입니다. 난류 흐름에 대한 고전적인 설명은 시간이 지남에 따라 흐름 변수의 평균 값과 해당 변동의 측정을 포함합니다. 이를 위해 함수 평균에 대한 정의를 사용하여 속도 측정의 평균을 결정합니다.

(1)

여기서, 통합 도메인의 크기이며, 이는 현재 측정에서 시간 간격이 될 것이다. 방정식(1)에서 암시한 대로 오버바를 사용하여 변수의 평균을 나타냅니다. 신호의 디지털 획득이 이산이라는 점을 감안할 때, 방정식(1)의 일체형은 사다리꼴 또는 심슨의 규칙 [1]을 사용하여 수치적으로 해결해야 합니다. 그런 다음 다음과 같이 시간에 따라 달라진 변수의 변동을 계산할 수 있습니다.

(2)

이 방정식에서 볼 수 있듯이 변동 필드는 주요 기호로 표시됩니다. 방정식 (1)을 적용하여 변동 필드의 평균이 0인지 쉽게 확인할 수 있습니다.

(3)

따라서 변동 필드에 대한 보다 적절한 통계 설명자는 변동의 루트 평균 제곱입니다.

(4)

이 통계 설명자는 실제로 난류 강도의 매우 일반적인 척도입니다. 현재 실험은 난류 필드의 평균 속도 및 난류 강도를 결정하는 데 기초할 것입니다.

그림 1. 핫 와이어 풍속계에 의해 복구된 난류 흐름의 속도의 전형적인 신호. 원시 신호는, 변동 필드에서 분해될 수 있고, 속도의 평균 값에 중첩될 수 있다.

실험 설정

그림 2(A)에 도시된 바와 같이 시설은 기본적으로 원심 팬에 의해 가압되는 플레넘입니다. 도 2(B)는 평면 제트를 발행하는 플레넘의 반대편에 슬릿이 있음을 보여줍니다. 그림 2(C)에 도시된 바와 같이, 횡단 시스템은 평면 제트기의 규정된 위치에서 핫와이어 적혈계를 보유합니다. 이 횡단 시스템은 제트기의 다양한 관심 위치에서 속도를 결정하는 데 사용됩니다. 도 3의 회로도는 평면 제트의 난류 필드를 특성화하기 위해 항모척이 수행되는 대표적인 위치를 보여줍니다.

그림 2. 실험 용 설정. (A): 유동 시설; plenum은 원심 팬을 통해 가압됩니다. (B): 평면 제트를 발행하기 위한 슬릿. (C): 제트를 따라 적혈계의 위치를 변경하는 횡단 시스템. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3. 평면 제트기의 회로도 표시: 베나 수축,주어진 다운스트림 위치에서의 속도 분포 및 연결 도표.

1. 슬릿, W의너비를 측정하고 이 값을 표 1에 기록합니다.
2. 핫와이어 적층계를 중심선을 따라 x = 1.5W와 같은 출구에서 멀리 떨어진 거리에서 설정합니다. 표 2에서 이 스트림방향으로 위치를 기록합니다. 중심선은 스팬와이즈 좌표(y=0)의 원점이다.
3. 제트를 횡단하기 위한 데이터 수집 프로그램을 시작합니다. 총 5000개의 샘플(예: 10s 데이터)에 대해 샘플 속도를 500Hz로 설정합니다.
4. 테이블 3에서 핫와이어의 현재 스팬위 위치를 기록합니다.
5. 데이터를 수집합니다.
6. 데이터 수집 시스템은 방정식(1) 및 (4)를 사용하여 해당 데이터 집합의 평균 속도 및 난류 강도를 계산합니다.
7. 이 두 값을 표 3에 기록합니다.
8. 핫와이어를 다음(양수) spanwise 위치(mm)로 이동합니다.
9. 평균 속도와 난류 강도 모두에서 눈에 띄는 변화가 없을 때까지 5~ 8단계를 반복합니다.
10. 핫 와이어를 다시 중심으로 이동합니다.
11. 핫와이어를 다음(음수) spanwise 위치(mm)로 이동합니다.
12. 데이터를 수집합니다.
13. 데이터 수집 시스템은 방정식(1) 및 (4)를 사용하여 해당 데이터 집합의 평균 속도 및 난류 강도를 계산합니다.
14. 이 두 값을 표 3에 기록합니다.
15. 평균 속도와 난류 강도 모두에 눈에 띄는 변화가 없을 때까지 11에서 14 단계를 반복합니다.
16. 핫 와이어를 다시 제트기의 중심선으로 이동합니다.
17. 다운스트림 방향으로 제트기의 중심선을 따라 핫와이어를 새 위치(예: x = 3W)로이동합니다.
18. 원하는 만큼 스트림 방향으로 위치(예: x = 1.5W,3W, 6W, 9W)에대해 4~17단계를 반복합니다.

표 1 . 실험 연구를 위한 기본 매개 변수입니다.

그림 4. 유량 시스템의 흐름 제어. plenum 의 상단에 스택은 제트 슬릿에서 흐름을 우회하여 제트기의 출구 속도를 제어 할 수있는 목적을 제공합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5는 다운스트림 위치 x = 3W에서제트를 가로 질러 평균 속도의 분포를 나타낸다. 그림 6은 동일한 하류 위치에서 제트 를 가로 질러 난류 강도의 분포를 나타낸다. 표 3은 스트림와이즈 위치 x = 3W. 이 표의 마지막 열은 로컬 속도와 중심선 속도 사이의 비율에서 평균 속도 및 난기류 강도의 로컬 값에 대한 결과를 갖는다. 이 비율은 제트 폭을 결정하는 데 사용되며, 이는 로컬 속도가 중심선 속도의 50%인 두 위치 사이의 거리로 정의됩니다. 표 2에서 이 두 위치는 간격과 의 어딘가에 있다는 것을 참고합니다. 정확한 위치는 선형 보간을 사용하여 결정되며 mm및 mm의 제트 두께에 대해 mm과 mm로 결정됩니다.

4개의 다른 실험에 대한 결과는 표 2에서 비교됩니다. 이 표는 제트기의 중심선 속도가 기본적으로 변경되지 않은 상태로 유지되지만. 이 효과는 잠재적 인 코어의 존재와 . 잠재적 인 코어는 환경과 제트기 사이의 상호 작용에 의해 영향을받지 않은 제트 내부의 영역입니다. 상호 작용 영역을 혼합 층이라고 하며, 제트기가 하류로 이동함에 따라 중심선쪽으로 멀리 커집니다. 이러한 성장은 주변 공기가 제트기로 유입되기 때문입니다. 이러한 훈련 효과로 인해 제트기의 선형 모멘텀이 스팬 방향으로 확산되어 폭이 증가합니다. 이 효과는 표 2의 결과에 의해 입증됩니다. 혼합이 제트와 주변 환경 사이의 경계에서 발생한다는 사실로 인해 난기류 강도피크() 중심선에서 멀리 떨어져 있으며, 스팬와이즈 위치에서 정의된 . 단순성을 위해 표 2는 제트의 양수 면에서 난류 강도의 피크에 대한 값만 표시됩니다.

그림 5. 대표적인 결과. x = 3W에서속도분포.

그림 6. 대표적인 결과. 난류 강도 분포 x = 3W.

표 2. 대표적인 결과. x = 1.5W, 3W, 6W 및 9W에서 평면 제트에 대한 다른 통계 설명자.

표 3. 대표적인 결과. x = 3W에서속도 및 난류 강도의측정.

이 실험은 난류 흐름을 특성화하기 위한 핫와이어 무모법의 적용을 입증하였다. 난기류가 고주파 속도 변동을 나타낸다는 점을 감안할 때, 핫와이어 발적계는 높은 시간 해상도로 인해 특성화에 적합한 계측기입니다. 이를 염두에 두고 보정된 핫와이어 발적계를 사용하여 평면 제트기 내의 다양한 위치에서 평균 적인 로컬 속도와 난기류 강도를 특성화했습니다. 이러한 수량은 이 문서의 도입에서 설명된 난기류에 대한 통계 설명서를 사용하여 결정되었습니다. 이러한 통계 설명자로부터, 제트는 유체 조력으로 인해 스팬 방향으로 퍼지는 것을 관찰하였고, 난기류는 유체 혼합의 결과로 제트의 중심선에서 멀리 떨어진 혼합 층 내부의 피크가 있는 것으로 관찰되었다.

난류 흐름은 과학 및 엔지니어링 응용 분야에서 유비쿼터스입니다. 환기, 난방 및 에어컨과 같은 엔지니어링 응용 분야에서의 평가를 위해 덕트에 도입되고 복사하여 통과되는 휴대용 핫와이어 프로브를 사용하여 속도 프로파일을 얻는 것이 일반적입니다. 그런 다음 엔지니어가 새로 설치된 유량 시스템의 균형을 맞추어 적절한 작동을 보장하거나 오작동 시스템을 해결하고 작동을 방해하는 문제를 해결하는 데 사용합니다.