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円筒形のクロスフロー:圧力分布の測定とドラッグ係数の推定

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円柱などのオブジェクトの周囲に流体が流れると、オブジェクトに近い圧力と速度は常に変化します。インビシッド電位流れ理論によると、円柱の周囲の圧力分布は、水平方向だけでなく、円柱の垂直、上流、下流も対称です。この結果、正味ドラッグ力はゼロになります。

しかし、実験結果は、インビシッド電位理論は現実と大きく異なる流体粘度を考慮しないため、異なる流れパターン、圧力分布、ドラッグ係数を与えます。流体の粘度を考慮すると、シリンダーの周りの実際の流れパターンをさらに理解することができます。

まず、粘性力の結果として円柱に沿って境界層が開発される。これらの粘性力は、物体の表面を横切って移動する流体の摩擦によって引き起こされるドラッグ力である皮膚摩擦ドラッグを引き起こす。

シリンダーはブラフボディであるため、合理化されていないことを意味し、流れの分離が発生し、物体の後ろに低圧覚醒が形成されます。これは、圧力差によるドラッグのさらに大きな形につながります。

このフロー パターンの特性は、レイノルズ数に依存します。レイノルズ数は、流体を記述するために使用される無次元の数であり、粘性力に対する慣性力の比率です。ロー無限大は流体の密度であり、V無限大は自由流速であり、Dは円柱の直径であり、muは流体の動的粘度である。

レイノルズ数約4の下では、流れパターンは円柱の後ろに非常に少ない流れの分離を示す。レイノルズ数が増えるにつれて、流れの分離が増加します。レイノルズ数約40の下に、我々は覚醒に渦の固定ペアを参照してください。

レイノルズ数が高いほど、渦は渦脱落と呼ばれるプロセスによって引き起こされる交互渦のパターンを持つ渦通りにシフトします。さらに高いレイノルズ数では、層境界層が乱流への遷移を経た後、覚醒が乱雑になる。

最後に、非常に高いレイノルズ数と乱流で、覚醒が狭くなり、完全に乱流になることがわかります。

このラボでは、風洞内の流体流れに24の圧力ポートを備えたシリンダーを対象にします。次に、各圧力タップの圧力測定値を使用して圧力分布を調べ、円柱のドラッグ力を決定します。

この実験では、1 フィート/1 フィートのテスト セクションを持つ空力風洞を使用します。また、圧力管用に24の内蔵ポートを備えたアルミシリンダーを入手してください。24列のマノメーターパネルも必要です。

まず、テストセクションの上部カバーを取り外します。テスト セクションの下部にあるスリットを通して、シリンダ ポートに接続するチューブを挿入します。次に、ターンテーブルの上に円柱を取り付け、ポート 0 が上流に向かるようにする方向にします。

テストセクションの上部カバーを交換し、0~23とラベル付けされた24本の圧力管を、マノメーターパネルの対応するポートに接続します。

すべてのチューブが正しく接続されたら、風洞を開始します。風速を時速60マイルに上げ、24気圧測定のすべてを記録します。次に、風速をゼロに戻し、風洞をオフにします。テスト セクションを開きます。

次に、52.5°に相当するポート 3 と 4 の間に直径 1 mm の弦を垂直に固定して、円柱を修正します。文字列を所定の位置にテーピングしながら、文字列をできるだけまっすぐにしておきます。ポート 20 と 21 の間に別の文字列をテープで留め、これは 307.5°に等しくなります。これらの文字列は、空気の流れを乱します。ポートが流れ圧力を感知できるように、ピンを使用して青いテープに穴を開けます。

次に、テスト セクションを閉じます。風洞を戻し、風速を時速60マイルに戻します。マノメーターを使用して24の圧力測定値を記録します。

終了したら、風速をゼロに戻し、風洞をオフにします。管をマノメーターから取り外します。次に、テストセクションを開き、シリンダーを取り外します。

それでは、結果を解釈してみましょう。まず、時速60マイルの自由な流速を使用してレイノルズ数を決定することができます。円柱の直径、自由流の粘度および密度が知られている。したがって、レイノルズ数は 1.78 x 105に等しくなります。

このレイノルズ数では、図に示すように流れパターンが期待でき、そこでは流れの分離が発生し、シリンダの後ろに乱流の低圧ウェイクが発生します。この圧力差はドラッグにつながります。

次に、クリーンなシリンダーの実験データを見てみましょう。対称性のため、ポート 1 から 12 のみ見ます。種田は港の角位置であり、Pゲージはマノメーターの読み取りである。

まず、ロー無限大とV無限大がそれぞれ自由流密度と速度である各ポートの非次元圧力係数を計算します。邪魔されたシリンダについても同じ計算を行います。

理想と比較して各シリンダの実験結果をプロットすると、停滞点(シータがゼロに等しい)が、クリーンシリンダと乱れたシリンダの両方で圧力係数が最大であることがわかります。60°に等しい前に、きれいで邪魔されたシリンダーは理想的なデータとよく一致する。

60°の後、それらはシリンダーの背部で低圧領域を形成するので理想から逸脱する。期待される流れパターンを思い出すと、流れパターンのウェイク領域で乱流渦と渦が見えることがわかります。この現象は、両方のシリンダーについて測定された低圧領域とよく対応します。

しかし、2つの間の違いは、クリーンなシリンダーが邪魔されたシリンダーよりも起こる覚醒の低い圧力領域を経験するシリンダーに弦が追加されたところで生じる。これは、乱れた流れが流れの分離が起こる前にシリンダの周りをよりラップする傾向があるためです。ラミナーとして始まる境界層は、乱れの直後に乱流に遷移します。

流れの分離の前に常に積層であるクリーンなシリンダーよりも、邪魔されたシリンダーの周りを包むことがわかります。乱れた流れは、ウェイク内の背圧が高いため、ドラッグ力が低くなるはずです。この仮説を確認してみましょう。

まず、ドラッグ、FD、各圧力ポートの角度位置、隣接するポートとの角度距離、各ポートのゲージ圧力、および円柱の半径を使用して計算します。各円柱のドラッグを計算したら、各円柱の非次元ドラッグ係数 CD を計算できます。

予想どおり、乱れた円柱のドラッグ係数は、クリーンなシリンダよりも低くなります。これらの結果はまた、ゴルフボールがくぼんだ理由を説明します。ディンプルは乱流境界レイヤ フローを引き起こすため、ドラッグが低下します。

要約すると、異なるレイノルズ数で観察された特徴的な流れパターンと乱流への移行について学びました。次に、風洞で円柱を交差させる方法を施し、その表面に沿った圧力分布を測定し、それぞれのドラッグ力を決定しました。

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