Overview
מקור: חוזה רוברטו מורטו ושיאופנג ליו, המחלקה להנדסת אוירונוטיקה וחלל, אוניברסיטת סן דייגו, סן דייגו, קליפורניה
בדיקות מנהרות רוח שימושיות בתכנון כלי רכב ומבנים הנתונים לזרימת אוויר במהלך השימוש בהם. נתוני מנהרת הרוח נוצרים על ידי החלת זרימת אוויר מבוקרת על מודל של האובייקט הנחקר. למודל הבדיקה יש בדרך כלל גיאומטריה דומה, אך הוא בקנה מידה קטן יותר בהשוואה לעצם בגודל מלא. כדי להבטיח איסוף נתונים מדויקים ושימושיים במהלך בדיקות מנהרת רוח במהירות נמוכה, חייב להיות דמיון דינמי של מספר ריינולדס בין שדה זרימת המנהרה מעל מודל הבדיקה לבין שדה הזרימה בפועל מעל האובייקט בגודל מלא.
בהדגמה זו, תינתח זרימת מנהרת רוח על פני כדור חלק עם מאפייני זרימה מוגדרים היטב. מכיוון שלכדור יש מאפייני זרימה מוגדרים היטב, ניתן לקבוע את גורם המערבולת של מנהרת הרוח, אשר מתאם את מספר ריינולדס היעיל למספר ריינולדס הבדיקה, כמו גם את עוצמת מערבולת הזרם החופשי של מנהרת הרוח.
Principles
כדי לשמור על דמיון דינמי בזרימות במהירות נמוכה, מספר ריינולדס של ניסוי חייב להיות זהה למספר ריינולדס של תופעת הזרימה הנחקרת. עם זאת, ניסויים שבוצעו במנהרות רוח שונות ובאוויר חופשי, אפילו באותו מספר ריינולדס, יכולים לספק תוצאות שונות. הבדלים אלה עשויים להיות מיוחסים להשפעת מערבולת הזרם החופשי בתוך קטע הבדיקה של מנהרת הרוח, אשר יכול להיתפס כ"מספר ריינולדס יעיל " גבוה יותר לבדיקת מנהרת הרוח [1].
שיטה פשוטה המשמשת להשגת מספר ריינולדס היעיל למנהרת רוח ולהעריך את עוצמת המערבולת שלה היא השימוש בספירת המערבולת. שיטה זו מקבלת מדידה עקיפה של עוצמת המערבולת על ידי קביעת גורם המערבולת של מנהרת הרוח. גורם המערבולת, TF, מתאם את מספר ריינולדס היעיל, Reff, עם מספר ריינולדס המנהרה,מבחןRe , כמו
עוצמת המערבולת יכולה להימדד ישירות על ידי אנומטריה של חוט חם, לייזר דופלר ולוצימיטריה, או סקר שדה זרימת ולוצימיטריה של תמונת חלקיקים. לפני כניסתן של שיטות מדידה ישירות אלה, כדור מערבולת היה הדרך העיקרית למדוד את המערבולת היחסית של מנהרת רוח. מכיוון שהשיטות הישירות גוזלות זמן ויקרות בדרך כלל, שיטת כדור המערבולת הקונבנציונלית עדיין נותרת חלופה מהירה וזולה למדידת איכות זרימת האוויר.
שיטת כדור המערבולת מסתמכת על שתי תוצאות אמפיריות: משבר גרירת הכדור והמתאם החזק בין מספר ריינולדס הקריטי, Rec, ועוצמת מערבולת הזרימה. משבר הדראג מתייחס לתופעה כי מקדם גרירת הכדור, Cd, יורד פתאום בגלל המשמרת לאחור של נקודת ההפרדה בזרימה. כאשר הזרימה מגיעה למספר ריינולדס הקריטי, מעבר שכבת הגבול מזרימה למינארית לזרימה סוערת מתרחש קרוב מאוד לקצה המוביל של הכדור. מעבר מוקדם זה גורם להפרדת זרימה מאוחרת מכיוון ששכבת הגבול הסוערת מסוגלת לנהל משא ומתן טוב יותר על שיפוע לחץ שלילי למרחק ארוך יותר ולכן נוטה פחות להפרדה מאשר שכבת הגבול למינארית. ההפרדה המתעכבת מקדמת התאוששות לחץ טובה יותר, מה שמקטין את גודל ההתעוררות ואת גרירת הלחץ ומקטין באופן משמעותי את הגרירה הכללית.
לספירות המערבולת המשמשות בהדגמה זו יש הקשה אחת על לחץ בקצה המוביל וארבע הקשות לחץ בנקודות הממוקמות 22.5° מהקצה הנגרר. שלושה כדורים עם קוטר של 4.0, 4.987 ו 6.0 ב, בהתאמה, ייחקרו. עבור כדור חלק, מספר ריינולדס הקריטי מוגדר היטב ומתרחש כאשר CD = 0.3. זה מתאים לערך של ΔP/q = 1.220, שבו ΔP הוא ההבדל בין הלחץ הממוצע הנמדד בארבע יציאות הלחץ האחורי לבין לחץ הקיפאון בקצה המוביל של הכדור, ו- q הוא הלחץ הדינמי של הזרימה.
בעוד Rec מוגדר היטב על ידי CD ו ΔP/q, זה מאוד תלוי מערבולת זרימה. הדגמה זו באמצעות כדורים יכולה לשמש להגדרת גורם המערבולת. מדידות טיסה מוקדמות מצאו כי באטמוספירה החופשית, Rec = 3.85 x 105 לכדור חלק. האוויר החופשי הקריטי ריינולדס מתואם למערבולת מנהרת הרוח על ידי המשוואה הבאה:
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. הכנת כדור מערבולת במנהרת הרוח
- חבר את צינור הפיתות של מנהרת הרוח #1 היציאה בסורק הלחץ, וחבר את יציאת הלחץ הסטטית ליציאה #2 בסורק הלחץ.
- נעל יתרה חיצונית.
- תקן את יתד הכדור לתמיכת האיזון בתוך מנהרת הרוח.
- התקן את הכדור בקוטר 6.
- חבר את הקשת הלחץ המובילה #3 היציאה בסורק הלחץ, וחבר את ארבע הקשות הלחץ ft #4 היציאה בסורק הלחץ.
- חבר את קו אספקת האוויר לווסת הלחץ, והגדר את הלחץ ל-65 פסאיי.
- חבר את הסעפת של סורק הלחץ לקו הלחץ.
- הפעל את מערכת רכישת הנתונים וסורק הלחץ. הקפד להפעיל אותם לפחות 20 דקות לפני הבדיקה.
- להעריך את הלחץ הדינמי המרבי בהתבסס על מספר ריינולדס קריטי באוויר החופשי עבור כדור חלק:
. . ראה טבלאות 1 ו- 2 לקבלת פרמטרי בדיקה מומלצים. - הגדר את טווח בדיקת הלחץ הדינמי מ- 0 ל- qמקסימום והגדר את נקודות הבדיקה על-ידי חלוקת הטווח ב- 15 מרווחי זמן.
. . ראה טבלאות 1 ו- 2 לקבלת פרמטרי בדיקה מומלצים.טבלה 1. פרמטרים לבדיקה הראשונה.
| קוטר כדור (ב) | qMin [ב- H2O] | qמקסימום [ב- H2O] |
| 4 | 4 | 6 |
| 4.987 | 2 | 3.4 |
| 6 | 1 | 2.4 |
טבלה 2. פרמטרים לבדיקה השנייה.
| קוטר כדור (ב) | qMin [ב- H2O] | qמקסימום [ב- H2O] |
| 4 | 3.4 | 7.2 |
| 4.987 | 1.3 | 5.1 |
| 6 | -- | -- |
2. ביצוע מדידת ייצוב וסריקת לחץ
- קרא את הלחץ הברומטרי וטמפרטורת החדר ורשום את הערכים.
- החל את התיקונים על הלחץ הברומטרי באמצעות משוואות שסופקו על ידי יצרן המנומטר.
- הגדר את תוכנת רכישת הנתונים וחבר אותה לסורק הלחץ, הגדרת כתובת ה- IP המתאימה.
- הוסף את הפקודות הבאות הקשה על Enter לאחר כל פקודה.
>קלז
>סט צ'אן10
>סט צ'אן 1-1..1-4
>סט fps 10 - בדוק כי קטע הבדיקה ומנהרת הרוח חופשיים מפסולת.
- סגור את דלתות מדור הבדיקה.
- הגדר את חיוג המהיר של מנהרת הרוח לאפס.
- הפעל את מנהרת הרוח ואת מערכת קירור מנהרת הרוח.
- עם מהירות הרוח ב 0 קמ"ש, להתחיל להקליט נתונים ולאחר מכן להוסיף את הפקודה הבאה כדי לסרוק את הלחץ:
סריקת >אן - תיעד את טמפרטורת האוויר של מנהרת הרוח.
- הגדל את מהירות הרוח עד ללחץ הדינמי הבא של נקודת הבדיקה כהגדרתו בשלב 1.10.
- המתן עד שהמהיר יתייצב, ולאחר מכן חזור על שלבים 2.9 - 2.11 עד שנקודת הבדיקה האחרונה תבוצע.
- לאט לאט להפחית את מהירות האוויר לאפס.
- כאשר כל הנקודות נמדדו, החלף את ה-6 בספירה בספירה הבאה לאחר שלבים 1.2 - 1.5.
- חזור על שלבים מ 2.3 - 2.14 כדי לחזור על ניסויי ייצוב וסריקה בלחץ.
- המתן למנהרת הרוח להתקרר לאחר ביצוע הבדיקה עבור כל שלושת הכדורים.
- כבה את מנהרת הרוח ואת תוכנת רכישת הנתונים.
בבדיקות אווירודינמיקה, מנהרות רוח הן לא יסולא בפז כדי לקבוע את המאפיינים האווירודינמיים של אובייקטים שונים ומטוסים בקנה מידה. נתוני מנהרת הרוח נוצרים על ידי החלת זרימת אוויר מבוקרת על מודל בדיקה, אשר מותקן בתוך קטע הבדיקה. למודל הבדיקה יש בדרך כלל גיאומטריה דומה, אך בקנה מידה קטן יותר, בהשוואה לאובייקט האמיתי.
על מנת להבטיח את התועלת של הנתונים שנוצרו במבחני מנהרת רוח, עלינו להבטיח דמיון דינמי בין שדה זרימת מנהרת הרוח לשדה הזרימה בפועל מעל האובייקט האמיתי. כדי לשמור על דמיון דינמי, מספר ריינולדס של ניסוי מנהרת הרוח חייב להיות זהה למספר ריינולדס של תופעת הזרימה הנבדקת.
עם זאת, ניסויים שבוצעו במנהרות רוח או באוויר חופשי אפילו עם אותו מספר ריינולדס מבחן יכול לספק תוצאות שונות בשל ההשפעות של מערבולות זרם חופשי בתוך קטע הבדיקה מנהרת הרוח. הבדלים אלה עשויים להיתפס כמספר ריינולדס יעיל יותר עבור מנהרת הרוח. אז איך אנחנו מתאמים בדיקות במנהרת הרוח לניסויים באוויר חופשי?
אנו יכולים להעריך את עוצמת מערבולת הזרם החופשי במנהרת הרוח באמצעות עצם מוגדר היטב עם התנהגות זרימה ידועה, כמו כדור. שיטה זו נקראת שיטת כדור המערבולת. שיטת כדור המערבולת מסתמכת על המצב הנלמד היטב הנקרא משבר גרירת הכדור.
משבר גרירת הכדור מתאר את התופעה שבה מקדם הגרירה של כדור יורד לפתע כאשר מספר ריינולדס מגיע לערך קריטי. כאשר הזרימה מגיעה למספר ריינולדס הקריטי, שכבת הגבול עוברת ממינאר למערבולת קרוב מאוד לקצה המוביל של הכדור. מעבר זה, בהשוואה לזרימה במספר ריינולדס נמוך, גורם להפרדת זרימה מאוחרת ולשביה סוערת דקה יותר ובכך יורד לגרור.
לכן, אנחנו יכולים למדוד את מקדם הגרירה של כדור בטווח של מספרי ריינולדס מבחן כדי לקבוע את מספר ריינולדס הקריטי. זה מאפשר לנו לקבוע את גורם המערבולת, אשר מתאם את מספר ריינולדס הבדיקה ליעילות של מספר ריינולדס.
בניסוי זה, אנו מדגימים את שיטת כדור המערבולת באמצעות מנהרת רוח וכמה כדורי מערבולות שונים עם ברזי לחץ מובנים.
ניסוי זה משתמש במנהרת רוח אווירודינמית כמו גם במספר כדורי מערבולות בקוטר משתנה כדי לקבוע את רמת המערבולת של זרימת הזרם החופשי בקטע בדיקת המנהרה. כדורי המערבולת, כל אחד עם ברז לחץ בקצה המוביל, כמו גם 4 ברזי לחץ הממוקמים 22.5° מהקצה הנגרר, יש מאפייני זרימה מוגדרים היטב, אשר מסייעים לנו לנתח מערבולות במנהרת הרוח.
כדי להגדיר את הניסוי, חבר תחילה את צינור פיתות מנהרת הרוח ליציאת סורק לחץ מספר 1. לאחר מכן, חבר את יציאת הלחץ הסטטי של מנהרת הרוח ליציאה מספר 2. עכשיו, לנעול את היתרה החיצונית. תקן את יתד הכדור באיזון התמיכה בתוך מנהרת הרוח.
לאחר מכן, התקן את ה- 6 בספירה. חבר את הקשת הלחץ של הקצה המוביל ליציאת סורק הלחץ מספר 3 וחבר את ארבע הקשות הלחץ ליציאה 4. חבר את קו אספקת האוויר לווסת הלחץ, והגדר את הלחץ ל-65 פסאיי. לאחר מכן, חבר את הסעפת של סורק הלחץ לקו הלחץ המוסדר ב 65 פסאיי.
הפעל את מערכת רכישת הנתונים וסורק הלחץ. בעוד המערכת משווה, להעריך את הלחץ הדינמי המרבי, q max, הדרוש לבדיקה בהתבסס על מספר ריינולדס קריטי אוויר חופשי עבור כדור חלק.
כאן, אנו מפרטים את פרמטרי הבדיקה המומלצים עבור המבחן הראשון והשני של כל תחום. כעת, באמצעות פרמטרים אלה, הגדר את טווח בדיקת הלחץ הדינמי מאפס ל- q מקסימום ולאחר מכן הגדר את נקודות הבדיקה על-ידי חלוקת הטווח ל- 15 מרווחי זמן.
לפני הפעלת הניסוי, קרא את הלחץ הברומטרי בחדר ורשום את הערך. כמו כן, קרא את טמפרטורת החדר ורשום את ערכו. החל את התיקונים על הלחץ הברומטרי באמצעות טמפרטורת החדר ואת המיקום הגיאוגרפי באמצעות משוואות שסופקו על ידי יצרן המנומטר.
עכשיו, להגדיר את תוכנת רכישת הנתונים על ידי פתיחה ראשונה של תוכנית הסריקה. לאחר מכן, חבר את התוכנה DSM 4000, אשר קורא וכייל את האות מחיישן הלחץ, על ידי הגדרת כתובת ה- IP הנכונה והקשה על להתחבר. הוסף את הפקודות כפי שמוצג, המוגדרות על-ידי היצרן, וזכור להקיש Enter לאחר כל פקודה.
עכשיו שהתוכנה מוכנה, בדוק כדי לוודא שסעיף הבדיקה ומנהרת הרוח נקיים מפסולת וחלקים רופפים. לאחר מכן, סגור את דלתות מקטע הבדיקה ובדוק שמהירות מנהרת הרוח מוגדרת לאפס. הפעל את מנהרת הרוח, ולאחר מכן הפעל את מערכת קירור מנהרת הרוח.
כאשר מהירות הרוח שווה לאפס, התחל להקליט נתונים במערכת רכישת הנתונים ולאחר מכן הקלד את סריקת הפקודה כדי להתחיל במדידת לחץ. לאחר מכן, להקליט את טמפרטורת מנהרת הרוח. מכיוון שמהירות הרוח קשורה ישירות ללחץ הדינמי, הגדל את מהירות הרוח עד שתגיע לנקודת בדיקת הלחץ הדינמית הבאה. לאחר מכן, המתן עד שמהירות האוויר תתייצב ותחל שוב בסריקת הלחץ. הקפד לתעד את טמפרטורת מנהרת הרוח. המשך הניסוי על ידי ביצוע סריקת לחץ בכל אחת מנקודות הלחץ הדינמיות, רישום טמפרטורת מנהרת הרוח בכל פעם. כאשר כל הנקודות נמדדו עבור הכדור 6 אינץ ', לחזור על ניסוי ייצוב וסריקה לחץ עבור כדורי מערבולת 4.987 אינץ 'ו 4 אינץ '.
עבור כל כדור, מדדנו את לחץ הקיפאון ביציאת הלחץ 3 ואת הלחץ בנמלים האפיקיים באמצעות יציאת לחץ 4, אשר מופחתים כדי לתת את הפרש הלחץ, דלתא P. מדדנו גם את הלחץ הכולל של מקטע הבדיקה, Pt, מיציאת הלחץ הראשונה ואת הלחץ הסטטי, Ps, מיציאת הלחץ השנייה, המשמשים לקביעת הלחץ הדינמי של הבדיקה, q.
אז אנחנו יכולים לחשב את הלחץ מנורמל, אשר שווה להבדל הלחץ חלקי הלחץ הדינמי. לחץ האוויר וטמפרטורת זרימת האוויר נרשמו גם הם, מה שאפשר חישוב של תכונות זרימת האוויר. זכור כי יש חריץ בסעיף הבדיקה, כלומר הוא פתוח לאוויר הסביבה. לכן, בהנחה שאין שיפוע לחץ זרם במקטע הבדיקה, הערך המוחלט של הלחץ הסטטי המקומי של זרימת הזרם החופשי יכול לשמש כלחץ האוויר ההסביבה.
הצפיפות מתקבלת באמצעות חוק הגז האידיאלי והצמיגות המתקבלת באמצעות הנוסחה של סאתרלנד. ברגע שצפיפות האוויר והצמיגות ייקבעו, נוכל לחשב את מספר ריינולדס. כאן אנו מראים עלילה של מספר ריינולדס לעומת הפרש הלחץ מנורמל, דלתא P מעל Q.
באמצעות עלילה זו, אנו יכולים לקבוע את מספר ריינולדס הקריטי עבור כל כדור, שכן מספר ריינולדס הקריטי מתאים לערך לחץ מנורמל 1.22. עם כל מספר ריינולדס קריטי, אנחנו יכולים להעריך את גורם המערבולת ואת מספר ריינולדס היעיל. גורם המערבולת מתואם לעוצמת המערבולת במנהרת הרוח.
לסיכום, למדנו כיצד מערבולת הזרם החופשי משפיעה על הבדיקות במנהרת רוח. לאחר מכן השתמשנו במספר כדורים חלקים כדי לקבוע את גורם המערבולת ואת עוצמת זרימת מנהרת הרוח ולהעריך את איכותה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
עבור כל כדור נמדדו לחץ הקיפאון והלחץ בנמלים ההולכודים. ההבדל בין שני ערכים אלה נותן את ההבדל בלחץ, ΔP. הלחץ הכולל, Pt, ולחץ סטטי, Ps, של סעיף הבדיקה נמדדו גם, אשר משמשים כדי לקבוע את הלחץ הדינמי הבדיקה, q = Pt - Ps, ואת הלחץ מנורמל 
. לחץ האוויר ההסביבה, Pamb, וטמפרטורת זרימת האוויר נרשמו גם כדי לחשב את תכונות זרימת האוויר, כולל צפיפות האוויר, מבחןρ, וצמיגות, μהבדיקה. הצפיפות מתקבלת באמצעות חוק הגז האידיאלי, והצמיגות מתקבלת באמצעות הנוסחה של סאתרלנד. ברגע שצפיפות האוויר והצמיגות נקבעות, ניתן לחשב את מספר ריינולדס במבחן.
על ידי התוויית מספר ריינולדס במבחן ביחס להפרש הלחץ מנורמל, נקבע מספר ריינולדס הקריטי עבור כל כדור (איור 1). המספר הקריטי של ריינולדס מתאים לערך לחץ מנורמל של = 1.220. שלוש העקומות עבור שלוש הספירות מספקות הערכה מדויקת יותר של מספר ריינולדס הקריטי,מנהרתRe C , מכיוון שנעשה שימוש בערך ממוצע. עם הערכתמנהרת Re C, גורם המערבולת, TF, ומספר ריינולדס היעיל ניתן לקבוע על פי המשוואות הבאות:
ו
איור 1. מספר ריינולדס קריטי לכל כדור.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
כדורי מערבולות משמשים לקביעת גורם מערבולת מנהרת הרוח ולהעריך את עוצמת המערבולת. זוהי שיטה שימושית מאוד להערכת איכות זרימת מנהרת רוח כי זה פשוט ויעיל. שיטה זו אינה מודדת ישירות את מהירות האוויר ואת תנודות המהירות, כגון אנמומטריית חוט חם או לוקימיטריה של תמונת חלקיקים, והיא אינה יכולה לספק סקירה מלאה של איכות הזרימה של מנהרת הרוח. עם זאת, סקר מלא הוא מסורבל ויקר מאוד, ולכן הוא אינו מתאים לבדיקות תקופתיות של עוצמת מערבולת מנהרת הרוח.
גורם המערבולת ניתן לבדוק מעת לעת, כגון לאחר ביצוע שינויים קלים במנהרת הרוח, כדי לאמוד את איכות הזרימה. בדיקות מהירות אלה יכולות להצביע על הצורך בסקר מערבולות זרימה מלא. מידע חשוב נוסף המתקבל מגורם המערבולת הוא מספר ריינולדס היעיל של מנהרת הרוח. תיקון זה במספר ריינולדס חשוב כדי להבטיח את הדמיון הדינמי ואת התועלת של נתונים המתקבלים ממודלים בקנה מידה גדול ויישום שלהם לאובייקטים בקנה מידה מלא.
ניתן להשתמש בעיקרון כדור המערבולת גם כדי להעריך את רמת המערבולת בסביבות אחרות מלבד קטע הבדיקה של מנהרת הרוח. לדוגמה, שיטה זו יכולה לשמש למדידת מערבולות טיסה. ניתן לפתח גשושית מערבולת על בסיס עקרונות כדור המערבולת ולהתקין אותה במטוסים כדי למדוד את רמות המערבולות באטמוספירה בזמן אמת [2].
יישום נוסף הוא חקר מבני זרימה במהלך הוריקן. במדידות במקום של הזרימה בתוך הוריקן יכול להיות מסוכן מאוד ומסובך להשיג. שיטות כמו אנמומטריה של חוט חם ולוקימיטריה של תמונת חלקיקים אינן ניתנות להשגה בתנאים אלה. ניתן להשתמש בעקרון כדור המערבולת כדי ליצור מערכת מדידה מתכלה שניתן להציב באזור הנוטה להוריקנים כדי למדוד את מערבולת הזרימה בתוך הוריקן בבטחה ובעלות נמוכה [3].
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
| ציוד | |||
| מנהרת רוח במהירות נמוכה | SDSU | סוג החזרה סגור עם מהירויות בטווח 0-180 קמ"ש | |
| גודל מקטע בדיקה 45W-32H-67L אינץ' | |||
| כדורים חלקים | SDSU | שלושה כדורים, קוטרים 4", 4.987 ", 6" | |
| סורק לחץ מיניאטורי | Scanivalve | ZOC33 | |
| מודול שירות דיגיטלי | Scanivalve | DSM4000 | |
| ברומטר | |||
| מנומטר | מרים כלי נגינה ושות' | 34FB8 | מד מים עם טווח של 10". |
| המדחום |
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
References
- Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
- Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
- Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.
