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一定温度麻酔:乱流境界層の流れを研究するツール

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境界層は、流れフィールド内のソリッド ボディのサーフェスにすぐ隣接する薄い流れ領域です。自由流れ領域と呼ばれる境界層の外側の流れの領域は、一定の速度を持っています。ただし、境界レイヤー内には、サーフェスの摩擦による速度勾配があります。境界レイヤーは通常、いくつかの段階を経ます。

まず、層境界状態、次に遷移状態、最後に、乱流境界層状態は、混合または加調のような不規則な流れおよび変動を伴う。境界レイヤーは、航空機の皮膚摩擦ドラッグの計算の基礎です。

皮膚摩擦ドラッグは境界層内で作成され、表面に作用する粘性せん断応力が原因です。皮膚摩擦ドラッグは、流体動的粘度、mu、および局所流の賢明な速度せん断歪み速度に比例し、これは、通常方向の流動速度の勾配である。そのため、航空機の翼などの大きな領域では重要になります。さらに、流体粒子が高い運動量で表面と相互作用するため、乱流では皮膚摩擦ドラッグが高くなります。

乱流境界層の特性を測定する 1 つの方法は、加熱されたワイヤ上の流れの冷却効果に関連する 2 つの原則に基づくホット ワイヤ麻酔を使用することです。最初の原理によると、流体が熱い表面上を流れると、対流熱係数が変化し、表面温度が変化します。

第二の原理はジュールの法則で、電気導体放熱Qは、導体に適用される電流Iの二乗に比例すると述べています。この2つの原理を用いて、加熱された金属線プローブを取り巻く流体流れの速度を、電位Eを測定して、ワイヤの一定温度を維持するために適用する必要がある。

一般的に使用されるホットワイヤ技術は、一定温度麻酔またはCTAです。CTAは、ホイートストーンブリッジのアームに接続されたプローブと呼ばれる非常に薄い金属線で構成されています。ホイートストーンブリッジは、電位を制御し、ワイヤ全体で一定の温度を維持するために必要に応じて調整します。冷却は、ワイヤーの周りの流体の流れによって引き起こされます。したがって、電位の変化は熱伝達係数の関数であり、拡張は速度の関数である。

この実験では、一定温度アネモメトリーセットアップを用いて、平坦なプレート上の乱流境界層を測定する方法を示す。

まず、一定温度風速計(CTA)が風洞を用いて流れ信号の変化にどのように反応するかを学びます。まず、サポートシャフトを使用して、風洞内のCTAシステムのホットワイヤプローブを固定します。

次に、DC電源、信号発生器、およびオシロスコープを設定します。コンポーネントは、図に示すように接続されています。まず、ホットワイヤ電源、信号発生器、オシロスコープをオンにします。150 mV の振幅と 10 kHz の周波数でホイートストーン ブリッジに正方形の波入力を供給する信号ジェネレータを設定します。

オシロスコープの出力信号を観察し、周波数と振幅が正しいことを確認します。次に、テストセクションを閉じ、シリアルケーブルを差し込み、風洞をオンにし、風速を時速40マイルに設定します。気流が安定したら、オシロスコープで観察される信号オーバーシュート、タウの幅を測定する。タウの測定値を使用して、この式を使用してホット ワイヤ システムのカットオフ頻度を計算します。次に、風洞の気流をオフにします。

次に、風速とホイートストーン橋の電位との相関関係を確立します。まず、CTA プローブを垂直方向に上げて、フリー ストリーム領域に入るようにします。風洞制御ソフトウェアを起動し、仮想計測器ソフトウェアを起動します。サンプリングレートを 10 kHz に設定し、サンプル数を 100,000 に設定します。

これで、風洞の対気速度を 0 mph に設定して、ホイートストーン 橋の電圧を記録します。次に、風洞の対気速度を最大 3 mph から 15 mph まで増やし、各増分で電圧を測定します。電圧測定を記録する前に、空気の流れが安定するようにしてください。

次に、風洞の風速を 5 mph 単位で 60 mph まで上げ、各増分で電圧を測定します。すべての測定が完了したら、対気速度を 30 mph に下げ、風洞の気流をオフにします。

以前と同じ設定を使用して、CTAプローブがフラットプレートとして機能するテストセクションの床に触れるまでゆっくりと下げます。気流を 40 mph に設定し、サンプリング周波数を 10 キロヘルツにし、サンプル数を 100,000 にします。平らなプレートの隣と境界層にある最も低い垂直設定で電圧を記録します。

次に、プローブを 0.05 mm のステップで垂直方向に移動し、高さ 0 にします。5mm、各位置での電圧読み取りを記録する。次に、プローブの高さを 0.1 mm 単位で 1 まで上げる。5ミリメートル。そして、各増分で電圧を記録しながら、4ミリメートルの最終的な高さまで0.25ミリメートルのステップで。

すべての測定が行われたら、風速を 20 mph に下げ、気流をオフにします。次に、電源、信号発生器、およびオシロスコープを遮断します。

データを分析する最初のステップは、実験のキャリブレーションステップ中に取得したデータを使用して、ホットワイヤ電圧と対気速度との相関関係を決定することです。これを行うには、いくつかの異なる方法があり、既知の熱伝達関係にデータを適合させる必要があり、このビデオの付録で詳しく説明されています。

数学的関係が決定されたら、電圧測定値を使用して、各垂直高さで速度を計算します。オーバーベントプローブからのアーティファクトを考慮して公称高さを調整した後、速度プロファイル u(y)をプロットし、境界層の変位の厚さを決定するために使用できます。

この値は、サーフェスと流体の間で発生する同じ流量を得るためにプレートを垂直方向に移動する必要がある距離を表します。また、流体とプレートの間に存在するモメンタムと同じ運動量を持つためにプレートを垂直に移動する必要がある距離である、図に示すように定義された運動量の厚さを計算することもできます。

これら 2 つのパラメータから、シェイプ係数 H を計算できます。シェイプ係数は、約 1.3 のシェイプ 係数が完全な乱流を示し、層流の場合は約 2.6 を示す流れの性質を決定するために使用されます。これらの値の間には遷移フローがあります。この実験の場合、形状因子は1.9として計算され、遷移流を示す。

要約すると、境界層の流れの発達について学び、定温アネモメトリー設定を使用して、平坦なプレート上の乱流境界層を解析し、低い挙動を観察しました。

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