Login processing...

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

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

 

Konstante Temperatur-Anemommetrie: Ein Werkzeug, um turbulente Grenzschichtfluss zu studieren

Article

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Eine Begrenzungsebene ist ein dünner Strömungsbereich, der unmittelbar an die Oberfläche eines Volumenkörpers in einem Strömungsfeld angrenzt. Der Flussbereich außerhalb der Begrenzungsebene, der als freier Stream-Bereich bezeichnet wird, hat eine konstante Geschwindigkeit. Innerhalb der Grenzschicht gibt es jedoch einen Geschwindigkeitsgradienten aufgrund von Reibung an der Oberfläche. Die Begrenzungsebene durchläuft in der Regel mehrere Stufen.

Zuerst der laminare Grenzzustand, gefolgt vom Übergangszustand und schließlich der turbulente Grenzschichtzustand, der unregelmäßige Strömungen und Schwankungen wie Mischen oder Eddying beinhaltet. Die Grenzschicht ist die Grundlage für die Berechnung des Reibungswiderstands der Haut an Flugzeugen.

Der Reibungswiderstand der Haut entsteht innerhalb der Grenzschicht und ist auf die zähflüssige Scherspannung auf der Oberfläche zurückzuführen. Der Reibungswiderstand der Haut ist proportional zur dynamischen Viskosität der Flüssigkeit, mu und der lokalen Strömungsgeschwindigkeit, die die Dehnungsrate der Geschwindigkeit der Strömung aufweist, d. h. der Gradient der Strömungsgeschwindigkeit in Normalrichtung. So wird es für große Bereiche, wie z. B. einen Flugzeugflügel, von Bedeutung. Darüber hinaus ist der Reibungswiderstand der Haut bei turbulentem Fluss höher, da die Fluidpartikel mit hoher Dynamik mit der Oberfläche interagieren.

Eine Möglichkeit, turbulente Grenzschichteigenschaften zu messen, ist die Verwendung von Heißdraht-Anemommetrie, die auf zwei Prinzipien basiert, die sich auf die Kühlwirkung des Durchflusses auf einem beheizten Draht beziehen. Nach dem ersten Prinzip ändert sich, wenn eine Flüssigkeit über eine heiße Oberfläche fließt, der konvektive Wärmekoeffizient, was zu Veränderungen der Oberflächentemperatur führt.

Das zweite Prinzip ist Joules Gesetz, das besagt, dass eine elektrische Leiter Wärmeableitung, Q, proportional zum Quadrat des elektrischen Stroms, I, auf den Leiter angewendet ist. Wir können die beiden Prinzipien verwenden, um die Geschwindigkeit des Flüssigkeitsflusses um eine beheizte metallische Drahtsonde zu bestimmen, indem wir das elektrische Potential E messen, das angewendet werden muss, um eine konstante Temperatur des Drahtes aufrechtzuerhalten.

Eine häufig verwendete Heißdrahttechnik ist Constant Temperature Anemometry oder CTA. CTA besteht aus einem sehr dünnen Metalldraht, der Sonde genannt wird, die mit dem Arm einer Wheatstone-Brücke verbunden ist. Die Wheatstone-Brücke steuert das elektrische Potenzial und passt es nach Bedarf an, um eine konstante Temperatur über den Draht zu halten. Jede Kühlung wird durch Flüssigkeitsfluss um den Draht verursacht. Somit ist die Veränderung des Potentials eine Funktion des Wärmeübergangskoeffizienten und durch Erweiterung eine Funktion der Geschwindigkeit.

In diesem Experiment zeigen wir die Verwendung eines Konstanttemperatur-Anemometrie-Setups, um die turbulente Grenzschicht über einer flachen Platte zu messen.

Zunächst erfahren wir, wie das Konstanttemperatur-Anemometer (CTA) mit einem Windkanal auf Strömungssignaländerungen reagiert. Sichern Sie zunächst die Heißdrahtsonde des CTA-Systems im Inneren des Windkanals mit einem Stützschacht.

Richten Sie dann ein GLEICHstromnetzteil, einen Signalgenerator und ein Oszilloskop ein. Die Komponenten sind wie gezeigt verbunden. Um zu beginnen, schalten Sie das Heißkabel-Netzteil, den Signalgenerator und das Oszilloskop ein. Stellen Sie den Signalgenerator so ein, dass er der Wheatstone-Brücke mit einer 150 mV-Amplitude und einer Frequenz von 10 kHz einen quadratischen Welleneingang liefert.

Beobachten Sie das Ausgangssignal im Oszilloskop, um sicherzustellen, dass Die Frequenz und Amplitude korrekt sind. Schließen Sie nun den Testabschnitt, schließen Sie das serielle Kabel an, schalten Sie den Windkanal ein und stellen Sie die Windgeschwindigkeit auf 40 mph ein. Sobald sich der Luftstrom stabilisiert, messen Sie die Breite des Signalüberschießens, Tau, beobachtet auf dem Oszilloskop. Verwenden Sie den Messwert von Tau, um die Grenzfrequenz für das Heißdrahtsystem mit dieser Gleichung zu berechnen. Dann schalten Sie den Luftstrom des Windkanals aus.

Als nächstes werden wir die Korrelation zwischen Windgeschwindigkeit und dem elektrischen Potenzial der Wheatstone-Brücke ermitteln. Um zu beginnen, heben Sie die CTA-Sonde in vertikaler Richtung an, sodass sie sich im Freien-Stream-Bereich befindet. Starten Sie die Windkanalsteuerungssoftware und starten Sie dann die Software für virtuelle Instrumente. Legen Sie die Abtastrate auf 10 kHz und die Anzahl der Proben auf 100.000 fest.

Jetzt, da die Windkanal-Fluggeschwindigkeit auf 0 mph eingestellt ist, notieren Sie die Spannung auf der Wheatstone-Brücke. Erhöhen Sie dann die Windkanal-Fluggeschwindigkeit in Schritten von 3 mph bis zu 15 mph, wobei Sie die Spannung bei jedem Inkrement messen. Achten Sie darauf, dass sich der Luftstrom stabilisiert, bevor Sie die Spannungsmessung aufzeichnen.

Als nächstes erhöhen Sie die Windkanal-Luftgeschwindigkeit auf bis zu 60 mph in 5-mph-Schritten, wobei die Spannung bei jedem Schritt gemessen wird. Wenn alle Messungen abgeschlossen sind, reduzieren Sie die Fluggeschwindigkeit auf 30 mph und schalten Sie dann den Luftstrom des Windkanals aus.

Senken Sie die CTA-Sonde mit dem gleichen Setup wie zuvor langsam ab, bis sie den Prüfabschnittsboden berührt, der als Flachplatte fungiert. Stellen Sie den Luftstrom auf 40 mph. Halten Sie die Abtastfrequenz bei 10 Kilohertz und die Anzahl der Proben bei 100.000. Zeichnen Sie die Spannung bei der niedrigsten vertikalen Einstellung auf, die sich neben der flachen Platte und in der Begrenzungsschicht befindet.

Bewegen Sie die Sonde nun vertikal in Schritten von 0,05 mm bis zu einer Höhe von 0. 5 mm, Aufzeichnung der Spannungsmessung an jeder Position. Erhöhen Sie dann die Sondenhöhe in Schritten von 0,1 mm bis zu einer Höhe von 1. 5 mm. Und dann in Schritten von 0,25 mm bis zu einer Endhöhe von 4 mm, während die Spannung bei jedem Inkrement aufgezeichnet wird.

Wenn alle Messungen durchgeführt wurden, reduzieren Sie die Windgeschwindigkeit auf 20 mph und schalten Sie dann den Luftstrom aus. Schalten Sie dann die Stromversorgung, den Signalgenerator und das Oszilloskop aus.

Der erste Schritt bei der Analyse der Daten besteht darin, die während des Kalibrierungsschritts des Experiments erfassten Daten zu verwenden, um die Korrelation zwischen der Heißdrahtspannung und der Luftgeschwindigkeit zu bestimmen. Es gibt mehrere verschiedene Methoden, um dies zu tun, die das Anpassen der Daten an bekannte Wärmeübertragungsbeziehungen beinhalten, und es ist im Anhang dieses Videos ausführlich behandelt.

Sobald die mathematische Beziehung bestimmt wurde, verwenden Sie die Spannungsmessungen, um die Geschwindigkeit bei jeder vertikalen Höhe zu berechnen. Nachdem Sie die Nennhöhe angepasst haben, um Artefakte aus einer überbogenen Sonde zu berücksichtigen, zeichnen Sie das Geschwindigkeitsprofil u(y) nach, das dann verwendet werden kann, um die Verschiebungsdicke der Grenzschicht zu bestimmen.

Dieser Wert stellt den Abstand dar, den die Platte vertikal verschieben müsste, um die gleiche Durchflussrate zu erhalten, die zwischen der Oberfläche und der Flüssigkeit auftritt. Wir können auch die wie gezeigt definierte Impulsdicke berechnen, d. h. den Abstand, in dem die Platte vertikal bewegt werden müsste, um den gleichen Impuls zu haben, der zwischen Flüssigkeit und Platte besteht.

Aus diesen beiden Parametern können wir den Formfaktor H berechnen. Der Formfaktor wird verwendet, um die Art des Flusses zu bestimmen, wobei ein Formfaktor von etwa 1,3 einen vollständig turbulenten Fluss und etwa 2,6 für den laminaren Fluss anzeigt. Zwischen diesen Werten ist Übergangsfluss. Bei diesem Experiment wurde der Formfaktor mit 1,9 berechnet, was auf den Übergangsfluss hinweist.

Zusammenfassend haben wir die Entwicklung des Grenzschichtflusses gelernt und dann ein Konstanttemperatur-Anemometrie-Setup verwendet, um die turbulente Grenzschicht über einer flachen Platte zu analysieren und ein niedriges Verhalten zu beobachten.

Read Article

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

Waiting X
simple hit counter