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Anemometría de temperatura constante: una herramienta para estudiar el flujo de capa de límite turbulento

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Una capa de contorno es una región de flujo fino inmediatamente adyacente a la superficie de un sólido en un campo de flujo. La región de flujo fuera de la capa de límite, denominada región de flujo libre tiene una velocidad constante. Sin embargo, dentro de la capa límite hay un gradiente de velocidad debido a la fricción en la superficie. La capa límite normalmente pasa por varias etapas.

En primer lugar, el estado límite laminar, seguido por el estado de transición y, por último, el estado de capa de límite turbulento, que implica flujo irregular y fluctuaciones, como mezclar o morir. La capa límite es la base para el cálculo de la resistencia a la fricción de la piel en las aeronaves.

La resistencia a la piel se crea dentro de la capa límite y se debe a la tensión de cizallamiento viscoso ejercida sobre la superficie. La resistencia a la fricción de la piel es proporcional a la viscosidad dinámica del fluido, mu, y la velocidad de corte de velocidad de flujo local sabia velocidad, que es el gradiente de la velocidad de flujo en la dirección normal. Por lo tanto, se vuelve significativo para grandes áreas, como un ala de avión. Además, la fricción de la piel es mayor en el flujo turbulento, ya que las partículas de fluido interactúan con la superficie con un gran impulso.

Una forma de medir las propiedades turbulentas de la capa límite es utilizando la anemometría de alambre caliente, que se basa en dos principios relacionados con el efecto de enfriamiento del flujo en un cable calentado. Según el primer principio, cuando un fluido fluye sobre una superficie caliente, el coeficiente de calor convectivo cambia, lo que resulta en cambios en la temperatura de la superficie.

El segundo principio es la ley de Joule, que establece que una disipación de calor de conductores eléctricos, Q, es proporcional al cuadrado de la corriente eléctrica, I, aplicada al conductor. Podemos utilizar los dos principios para determinar la velocidad del flujo de fluido que rodea una sonda de alambre metálico calentado, midiendo el potencial eléctrico E, que tiene que ser aplicado para mantener una temperatura constante del cable.

Una técnica de alambre caliente de uso común es la anemometría de temperatura constante o CTA. CTA consiste en un alambre metálico muy delgado, llamado sonda, que está conectado al brazo de un puente De Stone. El puente Wheatstone controla el potencial eléctrico y lo ajusta según sea necesario para mantener una temperatura constante a través del cable. Cualquier enfriamiento es causado por el flujo de fluido alrededor del cable. Por lo tanto, el cambio en el potencial es una función del coeficiente de transferencia de calor y por extensión es una función de velocidad.

En este experimento, demostraremos el uso de una configuración de anemometría de temperatura constante para medir la capa límite turbulenta sobre una placa plana.

En primer lugar, aprenderemos cómo el anemómetro de temperatura constante, o CTA, sistema responde a los cambios de señal de flujo utilizando un túnel de viento. Para empezar, asegure la sonda de cable caliente del sistema CTA dentro del túnel de viento utilizando un eje de soporte.

A continuación, configure una fuente de alimentación de CC, un generador de señal y un osciloscopio. Los componentes están conectados como se muestra. Para empezar, encienda la fuente de alimentación del cable caliente, el generador de señal y el osciloscopio. Ajuste el generador de señal para suministrar una entrada de onda cuadrada al puente Wheatstone con una amplitud de 150 mV y una frecuencia de 10 kHz.

Observe la señal de salida en el osciloscopio para asegurarse de que la frecuencia y la amplitud son correctas. Ahora cierre la sección de prueba, conecte el cable serie, encienda el túnel de viento y establezca la velocidad del viento en 40 mph. Una vez que el flujo de aire se estabiliza, mida la anchura del rebasamiento de la señal, tau, observado en el osciloscopio. Utilice el valor medido de tau para calcular la frecuencia de corte para el sistema de cable caliente utilizando esta ecuación. A continuación, apague el flujo de aire del túnel de viento.

A continuación estableceremos la correlación entre la velocidad del viento y el potencial eléctrico del puente Wheatstone. Para empezar, levante el sondeo CTA en la dirección vertical para que se encuentra en la región de flujo libre. Inicie el software de control del túnel de viento y, a continuación, inicie el software de instrumento virtual. Establezca la frecuencia de muestreo en 10 kHz y el número de muestras en 100.000.

Ahora, con la velocidad del aire del túnel de viento fijada a 0 mph, registre el voltaje en el puente Wheatstone. Luego, aumente la velocidad del aire del túnel de viento en incrementos de 3 mph hasta 15 mph, midiendo el voltaje en cada incremento. Asegúrese de permitir que el flujo de aire se estabilice antes de registrar la medición de voltaje.

A continuación, aumente la velocidad del aire del túnel de viento hasta 60 mph en incrementos de 5 mph, midiendo el voltaje en cada incremento. Cuando todas las mediciones estén completas, reduzca la velocidad del aire a 30 mph y luego apague el flujo de aire del túnel de viento.

Usando la misma configuración que antes, baje la sonda CTA lentamente hasta que toque el piso de la sección de prueba, que actuará como la placa plana. Ajuste el flujo de aire a 40 mph. Mantenga la frecuencia de muestreo a 10 kilohercios y el número de muestras en 100.000. Registre la tensión en el ajuste vertical más bajo, que está al lado de la placa plana y en la capa límite.

Ahora, mueva la sonda verticalmente en pasos de 0,05 mm hasta una altura de 0. 5 mm, registrando la lectura de voltaje en cada posición. A continuación, aumente la altura de la sonda en incrementos de 0,1 mm hasta una altura de 1. 5 mm. Y luego en pasos de 0,25 mm hasta una altura final de 4 mm, mientras registra la tensión en cada incremento.

Cuando se hayan realizado todas las mediciones, reduzca la velocidad del viento a 20 mph y luego apague el flujo de aire. A continuación, apague la fuente de alimentación, el generador de señalyel osciloscopio.

El primer paso en el análisis de los datos es utilizar los datos adquiridos durante el paso de calibración del experimento, para determinar la correlación entre la tensión del cable caliente y la velocidad del aire. Hay varios métodos diferentes para hacer esto, que implican ajustar los datos a las relaciones conocidas de transferencia de calor, y se tratan en detalle en el apéndice de este video.

Una vez determinada la relación matemática, utilice las mediciones de voltaje para calcular la velocidad a cada altura vertical. Después de ajustar la altura nominal para tener en cuenta cualquier artefacto de una sonda sobredoblada, trazar el perfil de velocidad u(y), que luego se puede utilizar para determinar el grosor de desplazamiento de la capa límite.

Este valor representa la distancia que la placa tendría que moverse verticalmente para obtener el mismo caudal que se produce entre la superficie y el fluido. También podemos calcular el grosor del impulso, definido como se muestra, que es la distancia que la placa tendría que ser movido verticalmente para tener el mismo impulso que existe entre el fluido y la placa.

A partir de estos dos parámetros, podemos calcular el factor de forma, H. El factor de forma se utiliza para determinar la naturaleza del flujo, donde un factor de forma de aproximadamente 1,3 indica un flujo totalmente turbulento y aproximadamente 2,6 para el flujo laminar. Entre estos valores hay flujo de transición. En el caso de este experimento, el factor de forma se calculó como 1,9, lo que indica el flujo de transición.

En resumen, aprendimos sobre el desarrollo del flujo de capa límite y, a continuación, usamos una configuración de anemometría de temperatura constante para analizar la capa de límite turbulenta sobre una placa plana y observar un comportamiento bajo.

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