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测量紊流

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湍流在各种工程和自然发生的系统中起着重要的作用。因此, 经常需要在系统内进行测量, 以确定流程的特征。湍流流动表现出非常高的频率波动, 所以任何用于测量和表征湍流的仪器都必须有足够的时间分辨率来解决这些变化。热线风速通常用于这些测量, 因为它们体积小, 健壮, 而且速度快, 可以产生有用的结果。这个视频将说明如何使用校准热线风速仪探头, 以获得在不同位置的速度和湍流测量在一个自由射流, 然后对数据进行基本的统计分析, 以表征湍流场。

湍流流动可以通过高随机波动来证明, 如流速、压力和涡度。这些波动是流场内相干运动之间的非线性相互作用的结果, 因此在湍流测量中看到的高频振荡来自于实际的物理效应, 而不是随机电子噪声的结果。湍流流动的经典描述包括确定流动变量的平均值和它们随时间变化的相应波动。例如, 通过将瞬时速度与测量时间相结合并按集成域的大小进行缩放, 可找到平均速度 (用一个过杆表示)。在离散测量的情况下, 如从数字采集系统, 必须解决积分的数值。一旦发现平均速度, 就可以从原始信号中扣除, 从而产生由素数表示的时间依赖性波动和速度。从这些定义中, 可以很容易地证明波动场的平均值为零。因此, 需要一个更合适的波动场统计描述符。一个非常普遍的措施是波动的根平均平方或 RMS。这个度量与平均值相似, 只是变量在积分之前是平方, 而结果的平方根是取的。湍流强度由速度的 RMS 给出, 这个测量将在下一节的自由射流上演示。自由射流的平均速度有一个最初平坦的轮廓, 平滑的喷气机传播由于周围的空气夹带到喷气机。这一夹带还导致射流的线性动量传播跨度-明智的射流流下游导致扩大射流, 因为它传播。射流与周围空气之间的相互作用区域称为混合层, 当射流向下游移动时, 该区域向中心线生长。这将留下一个区域内的喷气机称为潜在的核心, 是划定的流明智的方向, 由喷气出口和点, 混合层到达中心线。潜在的核心是一个没有受到周围环境相互作用影响的区域。在中心线, 潜在的核心延伸到下游约四倍的宽度的喷气机出口。现在, 您已经熟悉了湍流测量的基础知识, 让我们来看看如何用它来表征一个自由射流。

在开始安装之前, 请先熟悉设施的布局和安全程序。本实验将在热丝风速计标定的同一流量系统上进行, 并以相同的方式设置数据采集系统。在数据采集软件中, 将采样率设置为500赫兹, 样本总数为5000。更新常数 n、a 和 B, 以匹配从校准确定的值。现在设置流程设施。使用校准间隔将狭缝宽度设置为19.05 毫米或三英寸, 然后将热线风速仪转换为1.5 倍于出口的狭缝宽度的 contracta 腔。从狭缝上方的风速计开始, 降低高度直到示波器上的信号达到最小的波动。记录垂直位置, 它对应于射流的中心线。现在翻译的风速仪备份, 直到信号的波动是一个最大的, 这个位置对应的上层剪切层的喷气机。将空白孔板插入堆叠, 使流速最大化, 然后打开流量装置。一旦稳定流建立, 使用数据采集系统来测量在这一点的平均速度和湍流强度在喷气机和记录这些值。现在, 将风速计的跨度降低两毫米, 并再次测量平均速度和湍流强度。继续降低风速两毫米, 并采取测量, 直到没有明显的变化, 两个测量。在录制完最后的高度后, 将风速计向下平移, 直到它在中心线下的距离相同。恢复测量和翻译, 直到风速计回到中心线。当您完成后, 翻译风速计顺流, 直到它是三倍狭缝宽度从喷气机出口。按照您在第一个位置使用的相同步骤, 在这个新的流明智位置测量 jet 配置文件。重复您的测量的喷气机外形在六和九倍狭缝宽度从喷气机出口。完成测量后, 关闭流设备。

请看一下您的数据。在每一个流明智的位置, 你有测量的平均速度和湍流强度采取了一系列的跨度-明智的点。首先绘制平均速度作为一个函数的跨度-明智的位置。按中心线值缩放值, 并找到曲线与50% 阈值相交的点, 必要时进行插补。这些点定义的喷气宽度三角洲在这个流明智的位置。通过取差来计算宽度。在这种情况下, 宽度大约是21.5 毫米。现在比较平均中线速度和射流宽度在不同的流线位置。中心线速度基本上保持不变, 约四倍的狭缝宽度从出口由于潜在的核心, 但下降超过这个距离。射流宽度随距离的增加, 表明了射流的线性动量随周围空气的传播而增大的幅度。现在, 把湍流强度作为一个跨度--明智的位置的函数来绘制。由于混合发生在射流和周围环境之间的边界, 湍流强度峰值远离中心线。

紊流在科学和工程应用中无处不在。对于在通风、供暖和空调等工程应用中的评估, 通常使用可携带的热金属丝探头, 并向管道内径向移动, 以获得速度剖面。然后, 工程师使用此信息来平衡新安装的流系统, 以确保其正常运行, 或解决故障系统的故障, 并处理妨碍其运行的任何问题。当一种新的地面、空中或海上车辆或结构被设计成能经受紊流的作用力时, 必须在风或水隧道的实际水流条件下测试其性能。为了模拟大气或海洋中发生的湍流情况, 流入的水流可能会被主动或被动的栅格扰乱, 这会在水流中产生明显的波动。然后, 研究的车辆或结构可以安装在风洞试验段, 以测量它如何处理湍流所引入的荷载。这些测量可以直接与空气动力平衡, 测量产生的阻力和升力。此外, 在隧道中测试的模型周围的速度可能会提供有关性能的重要信息。这种特性通常是用热线风速在风洞中进行的。

你刚刚看了朱庇特的介绍测量湍流流。您现在应该了解如何部署热线风速, 以测量和评估流量剖面和湍流强度。谢谢收看

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