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L'anémététerie constante de température : un outil pour étudier le flux turbulent de couche limite

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Une couche limite est une région à écoulement mince immédiatement adjacente à la surface d'un corps solide dans un champ d'écoulement. La région d'écoulement à l'extérieur de la couche limite, appelée région du cours d'eau libre, a une vitesse constante. Cependant, à l'intérieur de la couche limite, il y a un gradient de vitesse dû à la friction à la surface. La couche limite subit généralement plusieurs étapes.

D'abord l'état limite laminaire, suivi de l'état de transition et enfin, l'état de la couche limite turbulente, qui implique un débit irrégulier et des fluctuations, comme le mélange ou l'édile. La couche limite est la base pour le calcul de la traînée de frottement de peau sur l'avion.

La traînée de frottement de peau est créée dans la couche limite et est due au stress visqueux de cisaillement exercé sur la surface. La traînée de frottement de peau est proportionnelle à la viscosité dynamique fluide, au mu, et au taux de contrainte de cisaillement de vitesse sage de flux local, qui est le gradient de la vitesse de voie de flux dans la direction normale. Il devient donc important pour de grandes surfaces, comme une aile d'avion. En outre, la traînée de frottement de peau est plus élevée dans le flux turbulent, puisque les particules fluides interagissent avec la surface à l'élan élevé.

Une façon de mesurer les propriétés turbulentes de la couche limite consiste à utiliser l'anémoderie du fil chaud, qui est basée sur deux principes liés à l'effet de refroidissement du débit sur un fil chauffant. Selon le principe premier, lorsqu'un fluide s'écoule sur une surface chaude, le coefficient de chaleur convective change, ce qui entraîne des changements dans la température de surface.

Le deuxième principe est la loi de Joule, qui stipule qu'une dissipation thermique des conducteurs électriques, Q, est proportionnelle au carré du courant électrique, I, appliqué au conducteur. Nous pouvons utiliser les deux principes pour déterminer la vitesse de flux de fluide entourant une sonde métallique chauffée, en mesurant le potentiel électrique E, qui doit être appliqué pour maintenir une température constante du fil.

Une technique couramment utilisée de fil chaud est l'anémoderie de température constante ou CTA. CTA se compose d'un fil métallique très mince, appelé la sonde, qui est relié au bras d'un pont Wheatstone. Le pont Wheatstone contrôle le potentiel électrique et l'ajuste au besoin afin de maintenir une température constante sur le fil. Tout refroidissement est causé par l'écoulement de fluide autour du fil. Ainsi, le changement dans le potentiel est une fonction du coefficient de transfert de chaleur et par extension est une fonction de la vitesse.

Dans cette expérience, nous allons démontrer l'utilisation d'une configuration d'anémoderie à température constante pour mesurer la couche limite turbulente sur une plaque plate.

Tout d'abord, nous allons apprendre comment l'anémomètre à température constante, ou CTA, répond aux changements de signal d'écoulement à l'aide d'une soufflerie. Pour commencer, fixer la sonde de fil chaud du système CTA à l'intérieur de la soufflerie à l'aide d'un puits de soutien.

Ensuite, configurez une alimentation DC, un générateur de signal et un oscilloscope. Les composants sont connectés comme indiqué. Pour commencer, allumez l'alimentation du fil chaud, le générateur de signal et l'oscilloscope. Placez le générateur de signaux pour fournir une entrée d'onde carrée au pont Wheatstone avec une amplitude de 150 mV et une fréquence de 10 kHz.

Observez le signal de sortie dans l'oscilloscope pour vous assurer que la fréquence et l'amplitude sont correctes. Fermez maintenant la section d'essai, branchez le câble de série, allumez la soufflerie et fixez la vitesse du vent à 40 mi/h. Une fois que le flux d'air se stabilise, mesurez la largeur de la remise des gaz, tau, observée sur l'oscilloscope. Utilisez la valeur mesurée de tau pour calculer la fréquence de coupure pour le système de fil chaud à l'aide de cette équation. Puis éteignez le flux d'air de la soufflerie.

Ensuite, nous établirons la corrélation entre la vitesse du vent et le potentiel électrique du pont Wheatstone. Pour commencer, soulevez la sonde CTA dans la direction verticale afin qu'elle soit dans la région du cours d'eau libre. Démarrez le logiciel de contrôle de soufflerie, puis démarrez le logiciel d'instrument virtuel. Fixer le taux d'échantillonnage à 10 kHz et le nombre d'échantillons à 100 000.

Maintenant, avec la vitesse de la soufflerie fixée à 0 mph, enregistrer la tension sur le pont Wheatstone. Ensuite, augmentez la vitesse de la soufflerie à des incréments de 3 mi/h jusqu'à 15 mi/h, en mesurant la tension à chaque incrément. Assurez-vous de laisser le flux d'air se stabiliser avant d'enregistrer la mesure de tension.

Ensuite, augmentez la vitesse de l'air de la soufflerie jusqu'à 60 mi/h par incréments de 5 mi/h, en mesurant la tension à chaque incrément. Lorsque toutes les mesures sont terminées, réduisez la vitesse à 30 mi/h, puis éteignez le flux d'air de la soufflerie.

En utilisant la même configuration qu'auparavant, abaissez lentement la sonde CTA jusqu'à ce qu'elle touche le plancher de la section d'essai, qui agira comme la plaque plate. Fixez le débit d'air à 40 mi/h. Maintenir la fréquence d'échantillonnage à 10 kilohertz et le nombre d'échantillons à 100 000. Enregistrez la tension au réglage vertical le plus bas, qui est à côté de la plaque plate et dans la couche limite.

Maintenant, déplacez la sonde verticalement par étapes de 0,05 mm jusqu'à une hauteur de 0. 5 mm, enregistrant la lecture de tension à chaque position. Ensuite, augmentez la hauteur de la sonde par incréments de 0,1 mm jusqu'à une hauteur de 1. 5 mm. Et puis par étapes de 0,25 mm jusqu'à une hauteur finale de 4 mm, tout en enregistrant la tension à chaque incrément.

Lorsque toutes les mesures ont été effectuées, réduisez la vitesse du vent à 20 mi/h, puis éteignez le flux d'air. Puis éteignez l'alimentation, le générateur de signal et l'oscilloscope.

La première étape dans l'analyse des données est d'utiliser les données acquises au cours de l'étape d'étalonnage de l'expérience, pour déterminer la corrélation entre la tension du fil chaud et la vitesse de l'air. Il existe plusieurs méthodes différentes pour ce faire, qui impliquent l'ajustement des données aux relations connues de transfert de chaleur, et il est couvert en détail dans l'annexe de cette vidéo.

Une fois que la relation mathématique a été déterminée, utilisez les mesures de tension pour calculer la vitesse à chaque hauteur verticale. Après ajustement de la hauteur nominale pour tenir compte de tous les artefacts d'une sonde enprée, tracez le profil de vitesse u(y), qui peut ensuite être utilisé pour déterminer l'épaisseur de déplacement de la couche limite.

Cette valeur représente la distance que la plaque devrait être déplacée verticalement afin d'obtenir le même débit qui se produit entre la surface et le fluide. Nous pouvons également calculer l'épaisseur de l'élan, définie comme indiqué, qui est la distance de la plaque devrait être déplacée verticalement afin d'avoir le même élan qui existe entre le fluide et la plaque.

À partir de ces deux paramètres, nous pouvons calculer le facteur de forme, H. Le facteur de forme est utilisé pour déterminer la nature du flux, où un facteur de forme d'environ 1,3 indique un débit entièrement turbulent et environ 2,6 pour le débit laminaire. Entre ces valeurs est flux de transition. Dans le cas de cette expérience, le facteur de forme a été calculé comme 1,9, indiquant le débit transitoire.

En résumé, nous avons appris le développement du flux de la couche limite, puis nous avons utilisé une configuration d'anémoderie à température constante pour analyser la couche limite turbulente au-dessus d'une plaque plate et observer un faible comportement.

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