Overview
출처: 호세 로베르토 모레토와 샤오펑 리우, 항공 우주 공학부, 샌디에고 주립 대학, 샌디에고, 캘리포니아
풍동 테스트는 사용 중에 공기 흐름을 받는 차량 및 구조물의 설계에 유용합니다. 풍동 데이터는 연구 중인 물체의 모델에 제어된 공기 흐름을 적용하여 생성됩니다. 테스트 모델은 일반적으로 유사한 형상을 가지고 있지만 전체 크기의 개체에 비해 작은 축척입니다. 저속 풍동 테스트 중에 정확하고 유용한 데이터가 수집되도록 테스트 모델과 전체 크기의 물체에 대한 실제 유동 필드 간에 레이놀즈 수의 동적 유사성이 있어야 합니다.
이 데모에서는 흐름 특성이 잘 정의된 매끄러운 구를 통해 풍동 흐름을 분석합니다. 구는 잘 정의된 유동 특성을 가지고 있기 때문에, 효과적인 레이놀즈 수와 테스트 레이놀즈 수의 상관관계가 있는 풍동의 난기류 계수는 풍동의 자유 스트림 난류 강도를 결정할 수 있다.
Principles
저속 흐름에서 동적 유사성을 유지하기 위해 레이놀즈 실험 의 수는 연구중인 흐름 현상의 레이놀즈 수와 동일해야합니다. 그러나, 다른 풍동과 자유 공기에서 수행 된 실험, 심지어 같은 레이놀즈 번호에서, 다른 결과를 제공 할 수 있습니다. 이러한 차이는 풍동 테스트 섹션 내부의 프리 스트림 난류의 효과에 기인할 수 있으며, 이는 풍동 테스트 [1]에 대한 더 높은 "유효 레이놀즈 번호"로 인식될 수 있습니다.
풍구에 대한 유효 레이놀즈 수를 얻고 난류 강도를 추정하는 데 사용되는 간단한 방법은 난류 구의 사용입니다. 이 방법은 풍구의 난류 계수를 결정하여 난류 강도의 간접측정을 얻는다. 난기류 인자, TF는효과적인 레이놀즈 번호, Reff,터널 레이놀즈 번호, 재테스트와상관 관계가 있습니다.
난기류 강도는 핫와이어 적혈구, 레이저 도플러 벨로시메트리 또는 입자 이미지 속도 측정 흐름 필드 측량에 의해 직접 측정될 수 있다. 이러한 직접 측정 방법이 도입되기 전에 난기류 구는 풍구의 상대적인 난류를 측정하는 주요 방법이었습니다. 직접 적인 방법은 일반적으로 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들기 때문에 기존의 난류 구체 방법은 여전히 공기 흐름 품질을 측정하기위한 빠르고 저렴한 대안으로 남아 있습니다.
난기류 구 방법은 두 가지 경험적 결과에 의존합니다: 구 드래그 위기와 중요한 레이놀즈 수, Rec및 유동 난류 강도 사이의 강한 상관 관계. 드래그 위기는 구가 계수, Cd,유동 분리점의 후방 이동으로 인해 갑자기 떨어지는 현상을 의미한다. 흐름이 임계 레이놀즈 수에 도달하면 라미나르 흐름에서 난류 흐름으로 경계 층이 전환되면 구의 앞가장자리에 매우 가깝게 발생합니다. 이러한 초기 전환은 난류 경계 층이 더 긴 거리에 대한 불리한 압력 그라데이션을 더 잘 협상할 수 있고 따라서 라미나르 경계 층보다 분리되기 쉽기 때문에 지연된 유동 분리를 유발합니다. 지연된 분리는 더 나은 압력 복구를 촉진하여 절전 모드와 압력 드래그의 크기를 줄이고 전체 항력을 크게 감소시킵니다.
이 데모에 사용되는 난기류 구체는 앞가장자리에서 하나의 압력 탭과 후행 가장자리에서 22.5 ° 떨어진 지점에서 네 개의 압력 탭을 가지고 있습니다. 각각 직경 4.0, 4.987 및 6.0의 직경을 가진 세 구를 조사합니다. 매끄러운 구의 경우 중요한 레이놀즈 번호가 잘 정의되고 CD = 0.3이 발생할 때 발생합니다. 이는 ΔP/q= 1.220의 값에 해당하며, 여기서 ΔP는 4개의 후방 압력 포트에서 측정된 평균 압력과 구선도에서의 정체 압력 사이의 차이이며, q는 유동 동적 압력이다.
Rec는 C D 및 ΔP/q에의해 잘 정의되지만 흐름 난기류에 따라 크게 달라집니다. 구를 사용하는 이 데모를 사용하여 난류 계수를 정의할 수 있습니다. 초기 비행 측정은 자유 대기권에서 Rec = 3.85 x 105가 매끄러운 구체에 대해 있음을 발견했습니다. 자유 공기 임계 레이놀즈는 다음과 같은 방정식에 의해 풍간 터널 난류와 상관 관계가 있습니다 :
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Procedure
1. 풍구의 난기류 구체 준비
- 윈드 터널 피토 튜브를 연결하여 압력 스캐너의 #1 포트하고 정적 압력 포트를 연결하여 압력 스캐너의 #2 포트합니다.
- 외부 균형을 잠급합니다.
- 구스트럿을 풍구 내부의 밸런스 지지대에 고정합니다.
- 직경이 6개인 구를 설치합니다.
- 최첨단 압력 탭을 연결하여 압력 스캐너의 #3 포트하고 4개의 선프트 압력 탭을 압력 스캐너의 포트 #4 연결합니다.
- 압력 조절장치에 공기 공급 라인을 부착하고 압력을 65 psi로 설정합니다.
- 압력 스캐너의 매니폴드를 압력 라인에 연결합니다.
- 데이터 수집 시스템 및 압력 스캐너를 시작합니다. 테스트 최소 20분 전에 켜야 합니다.
- 매끄러운 구체에 대한 자유 공기 임계 레이놀즈 번호를 기반으로 최대 동적 압력을
추정합니다. 권장 테스트 매개 변수의 경우 표 1과 2를 참조하십시오. - 동적 압력 테스트 범위를 0에서 q최대로 정의하고 범위를 15간격으로 나누어 테스트 포인트를 정의합니다.
추정합니다. 권장 테스트 매개 변수의 경우 표 1과 2를 참조하십시오.표 1. 첫 번째 테스트에 대한 매개 변수입니다.
| 구 직경(인) | q최소 [H2O에서] | q맥스 [H2O] |
| 4 | 4 | 6 |
| 4.987 | 2 | 3.4 |
| 6 | 1 | 2.4 |
표 2. 두 번째 테스트에 대한 매개 변수입니다.
| 구 직경(인) | q최소 [H2O에서] | q맥스 [H2O] |
| 4 | 3.4 | 7.2 |
| 4.987 | 1.3 | 5.1 |
| 6 | -- | -- |
2. 안정화 및 압력 스캔 측정 실시
- 기압과 실온을 읽고 값을 기록합니다.
- 기마계 제조업체에서 제공하는 방정식을 사용하여 기압에 수정을 적용합니다.
- 데이터 수집 소프트웨어를 설정하고 압력 스캐너에 연결하여 적절한 IP 주소를 설정합니다.
- 각 명령 후 입력을 누르는 다음 명령을 삽입합니다.
>칼즈
>세트 chan1 0
>세트 찬 1-1.1-4
>세트 fps 10 - 테스트 섹션과 풍관이 파편이 없는지 확인합니다.
- 테스트 섹션 문을 닫습니다.
- 풍토성 속도 다이얼을 0으로 설정합니다.
- 풍관및 풍터널 냉각 시스템을 켭니다.
- 풍속이 0mph로 데이터를 기록한 다음 다음 명령을 삽입하여 압력을 검사합니다.
> 스캔 - 풍터널 공기 온도를 기록합니다.
- 1.10 단계에서 정의된 대로 풍속을 다음 테스트 포인트 동적 압력까지 늘립니다.
- 공기 속도가 안정될 때까지 기다린 다음 마지막 테스트 지점이 실행될 때까지 2.9 - 2.11 단계를 반복합니다.
- 천천히 공기 속도를 0으로 줄입니다.
- 모든 점을 측정한 경우 1.2 - 1.5 단계를 따라 구의 6을 다음 구구로 바꿉다.
- 안정화 및 압력 스캔 실험을 반복하기 위해 2.3 - 2.14에서 단계를 반복합니다.
- 세 구 모두에 대해 테스트가 실행된 후 풍구가 식히기를 기다립니다.
- 풍토막 및 데이터 수집 소프트웨어를 끕니다.
공기역학 테스트에서 풍동은 다양한 물체와 스케일링된 항공기의 공기역학적 특성을 결정하는 데 매우 중요합니다. 풍동 데이터는 테스트 섹션 내에 장착된 테스트 모델에 공기의 제어 된 흐름을 적용하여 생성됩니다. 테스트 모델은 일반적으로 유사한 형상을 가지고 있지만 실제 오브젝트와 비교하여 작은 축척입니다.
풍동 테스트에서 생성된 데이터의 유용성을 보장하기 위해 풍동 흐름필드와 실제 유동장 간의 동적 유사성을 유지해야 합니다. 동적 유사성을 유지하기 위해, 바람 터널 실험의 레이놀즈 수는 테스트되는 흐름 현상의 레이놀즈 수와 동일해야합니다.
그러나, 윈드 터널 또는 자유 방송에서 수행된 실험은 레이놀즈 번호가 동일한 경우에도 풍동 테스트 섹션 내부의 프리 스트림 난류의 영향으로 인해 다른 결과를 제공할 수 있습니다. 이러한 차이는 풍구에 대한 더 높은 효과적인 레이놀즈 번호로 인식될 수 있습니다. 그렇다면 풍동에서의 테스트와 자유 공기 실험의 상관 관계는 어떻게 해야 할까요?
구와 같이 알려진 흐름 동작을 가진 잘 정의된 개체를 사용하여 풍동의 프리 스트림 난류의 강도를 추정할 수 있습니다. 이 메서드를 난기류 구 메서드라고 합니다. 난기류 구 방법은 구 드래그 위기라고 불리는 잘 연구된 조건에 의존합니다.
구 끌기 위기는 레이놀즈 번호가 임계 값에 도달하면 구의 드래그 계수가 갑자기 떨어지는 현상을 설명합니다. 흐름이 중요한 레이놀즈 수에 도달하면 경계 레이어가 라미나르에서 난류로 전환되어 구의 앞가장자리에 매우 가깝습니다. 이 전환은 낮은 레이놀즈 수의 흐름과 비교하여 지연된 흐름 분리와 더 얇은 난류 절전 을 일으켜 드래그가 감소합니다.
따라서 레이놀즈 의 중요한 숫자를 결정하기 위해 테스트 레이놀즈 번호범위에서 구의 드래그 계수를 측정할 수 있습니다. 이를 통해 레이놀즈 수치와 레이놀즈 수치의 효과와 상관관계가 있는 난기류 계수를 확인할 수 있습니다.
이 실험에서는 풍동과 압력이 내장된 여러 가지 난기류 구체를 사용하여 난류 구 방법을 시연합니다.
이 실험은 공기역학풍동뿐만 아니라 직경이 다른 여러 난류 구체를 활용하여 터널 테스트 단면도의 프리 스트림 흐름의 난류 수준을 결정합니다. 난기류 구체는 앞가장자리의 압력 탭과 후행 가장자리에서 22.5° 떨어진 4개의 압력 탭을 갖추고 있으며, 잘 정의된 유동 특성을 가지므로 풍동의 난기류를 분석하는 데 도움이 됩니다.
실험을 설정하려면 먼저 풍터널 피토 튜브를 압력 스캐너 포트 번호 1에 연결합니다. 그런 다음 윈드 터널 정적 압력 포트를 포트 번호 2에 연결합니다. 이제 외부 균형을 잠급합니다. 윈드 터널 내부의 밸런스 지지대에서 구를 고정합니다.
그런 다음 6구를 설치합니다. 선행 에지 압력 탭을 압력 스캐너 포트 번호 3에 연결하고 4개의 선도 압력 탭을 포트 4에 연결합니다. 공기 공급 라인을 압력 레귤레이터에 연결하고 압력을 65 psi로 설정합니다. 그런 다음 압력 스캐너의 매니폴드를 65 psi에서 조절된 압력 라인에 연결합니다.
데이터 수집 시스템 및 압력 스캐너를 시작합니다. 시스템이 평형화되는 동안, 부드러운 구체에 대한 자유 공기 임계 레이놀즈 번호를 기반으로 테스트에 필요한 최대 동적 압력, q 최대를 추정합니다.
여기서는 각 구의 첫 번째 및 두 번째 테스트에 권장되는 테스트 매개 변수를 나열합니다. 이제 이러한 매개 변수를 사용하여 동적 압력 테스트 범위를 0에서 q 최대로 정의한 다음 범위를 15간격으로 나누어 테스트 포인트를 정의합니다.
실험을 실행하기 전에 룸의 기압을 읽고 값을 기록합니다. 또한 실온을 읽고 그 값을 기록하십시오. 기마계 제조업체에서 제공하는 방정식을 사용하여 실온 및 지리적 위치를 사용하여 기압에 보정을 적용합니다.
이제 먼저 검색 프로그램을 열어 데이터 수집 소프트웨어를 설정합니다. 그런 다음 적절한 IP 주소를 설정하고 연결을 눌러 압력 센서에서 신호를 읽고 보정하는 소프트웨어 DSM 4000을 연결합니다. 제조업체에서 정의한 대로 명령을 삽입하여 각 명령 후 enter를 누릅니다.
이제 소프트웨어가 준비되었으므로 테스트 섹션과 풍관이 파편과 느슨한 부품이 없는지 확인하십시오. 그런 다음 테스트 단면 문을 닫고 풍동 속도가 0으로 설정되어 있는지 확인합니다. 풍구를 켜고 풍구 냉각 시스템을 켭니다.
풍속이 0과 같으면 데이터 수집 시스템에 대한 데이터 기록을 시작한 다음 명령 스캔을 입력하여 압력 측정을 시작합니다. 그런 다음 풍속 온도를 기록합니다. 풍속은 동적 압력과 직접적인 관련이 있으므로 다음 동적 압력 테스트 지점에 도달할 때까지 풍속을 높입니다. 그런 다음 공기 속도가 안정될 때까지 기다렸다가 압력 스캔을 다시 시작합니다. 풍터널 온도를 기록하십시오. 각 동적 압력 지점에서 압력 스캔을 수행하고 매번 풍동 온도를 기록하여 실험을 계속하십시오. 6인치 구체에 대해 모든 점을 측정하면 4.987 인치 및 4인치 난기류 구체에 대한 안정화 및 압력 스캔 실험을 반복합니다.
각 구체에 대해 압력 포트 3의 침체 압력과 압력 포트 4를 통해 서프트 포트의 압력을 측정하여 압력 차이를 부여하기 위해 빼는 델타 P. 또한 압력 포트 1과 정적 압력, Ps로부터 테스트 단면 총 압력, Pt를 측정하여 테스트 동적 압력을 결정하는 데 사용되는 압력 포트 2에서 q.
그런 다음 동적 압력으로 나눈 압력 차이와 동일한 정규화된 압력을 계산할 수 있습니다. 기압과 기류 온도도 기록되어 기류 특성을 계산할 수 있었습니다. 테스트 섹션에 슬롯이 있어 주변 공기에 열려 있음을 의미합니다. 따라서 시험 단면에 스트림와이즈 압력 그라데이션이 없다고 가정하면 프리 스트림 흐름의 로컬 정적 압력의 절대 값을 주변 기압으로 사용할 수 있습니다.
밀도는 이상적인 가스 법과 서덜랜드의 공식을 사용하여 얻은 점도를 사용하여 얻어진다. 공기 밀도와 점도가 결정되면 레이놀즈 수를 계산할 수 있습니다. 여기서 우리는 정규화된 압력 차이 대 레이놀즈 수의 플롯을 보여, q 를 통해 델타 P.
이 플롯을 사용하면 중요한 레이놀즈 번호가 정규화된 압력 값 1.22에 해당하므로 각 구의 중요한 레이놀즈 수를 결정할 수 있습니다. 각 중요한 레이놀즈 번호로 난류 계수와 유효 레이놀즈 수를 평가할 수 있습니다. 난기류 계수는 풍구의 난기류 강도와 상관관계가 있습니다.
요약하면, 우리는 자유 스트림 난류가 풍동에서 테스트에 미치는 영향을 배웠습니다. 그런 다음 여러 개의 매끄러운 구체를 사용하여 풍동 흐름의 난류 계수와 강도를 결정하고 품질을 평가했습니다.
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Results
각 구에 대해, 엇갈림 압력과 후프트 포트의 압력을 측정했다. 이 두 값의 차이는 압력 차이, ΔP를제공합니다. 시험 단면의 총 압력, Pt및 정적 압력, Ps는또한 시험 동적 압력, q = Pt - Ps및 정규화된 압력을 결정하는 데 사용되는 측정되었다. 
주변 기압, Pamb및 기류 온도도 공기 밀도, θ테스트및 점도, μ시험을포함한 공기 흐름 특성을 계산하기 위해 기록되었다. 밀도는 이상적인 가스 법을 사용하여 얻어지며, 점도는 서덜랜드의 공식을 사용하여 얻어진다. 공기 밀도와 점도가 결정되면 테스트 레이놀즈 번호를 계산할 수 있습니다.
정규화된 압력 차이와 관련하여 테스트 레이놀즈 번호를 플로팅하여 각 구의 중요한 레이놀즈 번호가 결정되었습니다(그림 1). 중요한 레이놀즈 번호는 = 1.220의 정규화된 압력 값에 해당합니다. 세 구의 세 곡선은 평균 값이 사용되므로 중요한 레이놀즈 수인 ReC터널을보다 정확하게 추정합니다. ReC터널 추정을 사용하면 난기류 계수, TF및 유효 레이놀즈 수를 다음 방정식에 따라 결정할 수 있습니다.
그리고
그림 1. 각 구에 대한 중요 레이놀즈 번호입니다.
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Applications and Summary
난류 구는 풍관 난류 인자를 결정하고 난류 강도를 추정하는 데 사용됩니다. 이것은 간단하고 효율적이기 때문에 풍동 흐름 품질을 평가하는 매우 유용한 방법입니다. 이 방법은 핫와이어 적혈구 또는 입자 이미지 속도와 같은 공기 속도 및 속도 변동을 직접 측정하지 않으며 풍동의 유량에 대한 완전한 조사를 제공할 수 없습니다. 그러나 전체 조사는 매우 번거롭고 비용이 많이 들기 때문에 풍동 난류 강도의 정기적 인 검사에는 적합하지 않습니다.
난기류 계수는 풍동을 약간 수정한 후와 같이 흐름 품질을 측정하기 위해 주기적으로 검사할 수 있습니다. 이러한 빠른 검사는 완전한 흐름 난류 조사의 필요성을 나타낼 수 있습니다. 난류 계수로부터 얻은 다른 중요한 정보는 바람터널의 유효 레이놀즈 수입니다. 레이놀즈 번호에 대한 이 수정은 확장된 모델및 응용 프로그램에서 본격적인 개체에 이르기까지 얻은 데이터의 동적 유사성과 유용성을 보장하는 데 중요합니다.
난기류 구 원리는 풍귀지 테스트 섹션 외에 다른 환경에서 난류 수준을 추정하는 데도 사용할 수 있습니다. 예를 들어 이 방법을 사용하여 기내 난기류를 측정할 수 있습니다. 난기류 프로브는 난기류 구의 원리에 기초하여 개발되고 실시간으로 대기중의 난류 수준을 측정하기 위해 비행기에 설치할 수 있다[2].
또 다른 응용 프로그램은 허리케인 동안 흐름 구조의 연구입니다. 허리케인 내부의 흐름에 대한 내부 측정에서 매우 위험하고 복잡할 수 있습니다. 핫와이어 적법및 입자 이미지 속도측정과 같은 방법은 이러한 조건에서 달성할 수 없습니다. 난기류 구체 원리는 허리케인 내부의 흐름 난류를 안전하고 저렴한 비용으로 측정하기 쉬운 지역에 배치할 수 있는 소모성 측정 시스템을 만드는 데 사용할 수 있습니다[3].
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 코멘트 |
| 설비 | |||
| 저속 풍동 | SDSU | 0-180 mph 범위의 속도와 닫힌 리턴 타입 | |
| 테스트 섹션 크기 45W-32H-67L 인치 | |||
| 매끄러운 구체 | SDSU | 3개의 구체, 직경 4", 4.987", 6" | |
| 소형 압력 스캐너 | 스카니밸브 | ZOC33 | |
| 디지털 서비스 모듈 | 스카니밸브 | DSM4000 | |
| 기압계 | |||
| 기압계 | 메리암 악기 (주) | 34FB8 | 10" 범위의 물 기마계. |
| 온도계 |
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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.
