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Turbulence Sphere-Methode: Bewertung der Windkanal-Flussqualität

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Bei der Aerodynamikprüfung sind Windkanäle von unschätzbarem Wert, um die aerodynamischen Eigenschaften verschiedener Objekte und skalierter Flugzeuge zu bestimmen. Windkanaldaten werden durch Anwenden eines kontrollierten Luftstroms auf ein Prüfmodell erzeugt, das im Prüfabschnitt montiert ist. Das Testmodell weist in der Regel eine ähnliche Geometrie auf, jedoch in einem kleineren Maßstab im Vergleich zum realen Objekt.

Um die Nützlichkeit der in Windkanaltests erzeugten Daten zu gewährleisten, müssen wir eine dynamische Ähnlichkeit zwischen dem Windkanalströmungsfeld und dem tatsächlichen Strömungsfeld über dem realen Objekt sicherstellen. Um die dynamische Ähnlichkeit aufrechtzuerhalten, muss die Reynolds-Zahl des Windkanalexperiments mit der Reynolds-Nummer des getesteten Strömungsphänomens identisch sein.

Experimente, die in Windkanälen oder in freier Luft auch mit der gleichen Testanzahl durchgeführt werden, können jedoch aufgrund der Auswirkungen von Freilaufturbulenzen im Testabschnitt des Windkanals zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Diese Unterschiede können als eine höhere effektive Reynolds-Zahl für den Windkanal wahrgenommen werden. Wie korrelieren wir also Tests im Windkanal mit Freiluftexperimenten?

Wir können die Intensität der Freistromturbulenzen im Windkanal anhand eines genau definierten Objekts mit bekanntem Strömungsverhalten, wie einer Kugel, abschätzen. Diese Methode wird als Turbulenzsphärenmethode bezeichnet. Die Turbulenzsphärenmethode beruht auf dem gut untersuchten Zustand, der als Kugel-Drag-Krise bezeichnet wird.

Die Kugel-Drag-Krise beschreibt das Phänomen, bei dem der Luftwiderstandskoeffizient einer Kugel plötzlich sinkt, wenn die Reynolds-Zahl einen kritischen Wert erreicht. Wenn der Fluss die kritische Reynolds-Zahl erreicht, wechselt die Grenzschicht von laminarer zu turbulent, sehr nahe an der Vorderkante der Kugel. Dieser Übergang, im Vergleich zu Strömung bei einer niedrigen Reynolds-Zahl, verursacht eine verzögerte Strömungstrennung und eine dünnere turbulente Wache und damit verringerten Luftwiderstand.

Daher können wir den Luftwiderstandskoeffizienten einer Kugel in einem Bereich von Reynolds-Testzahlen messen, um die kritische Reynolds-Zahl zu bestimmen. Dies ermöglicht es uns, den Turbulenzfaktor zu bestimmen, der die Test-Reynolds-Zahl mit der effektiven Reynolds-Zahl korreliert.

In diesem Experiment zeigen wir die Turbulenzkugelmethode anhand eines Windkanals und verschiedener Turbulenzkugeln mit eingebauten Druckhähnen.

Dieses Experiment nutzt einen aerodynamischen Windkanal sowie mehrere Turbulenzkugeln mit unterschiedlichem Durchmesser, um den Turbulenzpegel des Freistroms im Tunneltestabschnitt zu bestimmen. Die Turbulenzkugeln, jeweils mit einem Druckhahn an der Vorderkante sowie 4 Druckhähnen, die sich 22,5° von der Hinterkante entfernt befinden, weisen klar definierte Strömungseigenschaften auf, die uns helfen, Turbulenzen im Windkanal zu analysieren.

Um das Experiment einzurichten, schließen Sie zunächst das Windkanal-Pitotrohr an den Druckscanner-Anschluss Nummer 1 an. Verbinden Sie dann den statischen Druckanschluss des Windkanals mit Port Nummer 2. Sperren Sie nun die außenbilanz. Fixieren Sie die Kugelstreben in der Balance-Stütze innerhalb des Windkanals.

Installieren Sie dann die 6 in kugel. Schließen Sie den Druckhahn für den Vorderkanten an den Druckscanner-Anschluss Nummer 3 an und schließen Sie die vier Achtkant-Druckhähne an Port 4 an. Schließen Sie die Luftversorgungsleitung an den Druckregler an und stellen Sie den Druck auf 65 psi ein. Schließen Sie dann den Verteiler des Druckscanners an die bei 65 psi geregelte Druckleitung an.

Starten Sie das Datenerfassungssystem und den Druckscanner. Während das System gleicht, schätzen Sie den maximalen dynamischen Druck, q max, der für den Test erforderlich ist, basierend auf der freiluftkritischen Reynolds-Zahl für eine glatte Kugel.

Hier finden Sie die empfohlenen Testparameter für den ersten und zweiten Test jeder Kugel. Definieren Sie nun mithilfe dieser Parameter den dynamischen Druckprüfbereich von Null bis q max, und definieren Sie dann die Prüfpunkte, indem Sie den Bereich in 15 Intervalle unterteilen.

Bevor Sie das Experiment ausführen, lesen Sie den luftometrischen Druck im Raum, und notieren Sie den Wert. Lesen Sie auch die Raumtemperatur und notieren Sie ihren Wert. Wenden Sie die Korrekturen auf den luftometrischen Druck mithilfe der Raumtemperatur und der Geolocation mithilfe der vom Manometerhersteller gelieferten Gleichungen an.

Richten Sie nun die Datenerfassungssoftware ein, indem Sie zuerst das Scanprogramm öffnen. Schließen Sie dann die Software DSM 4000 an, die das Signal vom Drucksensor liest und kalibriert, indem Sie die richtige IP-Adresse einstellen und den Anschluss drücken. Fügen Sie die vom Hersteller definierten Befehle ein, die vom Hersteller definiert werden, und denken Sie daran, nach jedem Befehl die Eingabetaste zu drücken.

Nun, da die Software bereit ist, überprüfen Sie, ob der Testabschnitt und der Windkanal frei von Schmutz und losen Teilen sind. Schließen Sie dann die Testabschnittstüren, und überprüfen Sie, ob die Windkanalgeschwindigkeit auf Null eingestellt ist. Schalten Sie den Windkanal ein, und schalten Sie dann das Windkanal-Kühlsystem ein.

Wenn die Windgeschwindigkeit gleich Null ist, starten Sie die Aufzeichnung von Daten auf dem Datenerfassungssystem, und geben Sie dann den Befehlsscan ein, um die Druckmessung zu starten. Zeichnen Sie dann die Temperatur des Windkanals auf. Da die Windgeschwindigkeit direkt mit dem dynamischen Druck zusammenhängt, erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit, bis Sie den nächsten dynamischen Druckprüfpunkt erreichen. Warten Sie dann, bis sich die Luftgeschwindigkeit stabilisiert, und starten Sie den Druckscan erneut. Achten Sie darauf, die Temperatur des Windkanals aufzuzeichnen. Setzen Sie das Experiment fort, indem Sie einen Druckscan an jedem der dynamischen Druckpunkte durchführen und die Temperatur des Windkanals jedes Mal aufzeichnen. Wenn alle Punkte für die 6-Zoll-Kugel gemessen wurden, wiederholen Sie das Stabilisierungs- und Druckscanexperiment für die 4,987 Zoll- und 4-Zoll-Turbulenzkugeln.

Für jede Kugel haben wir den Stagnationsdruck am Druckanschluss 3 und den Druck an den Hinterleistungsanschlüssen über Druckanschluss 4 gemessen, die subtrahiert werden, um die Druckdifferenz, Delta P, zu geben. Wir haben auch den Prüfabschnitt Gesamtdruck, Pt, vom Druckanschluss eins und den statischen Druck, Ps, aus Druckanschluss zwei, die verwendet werden, um den Testdynamikdruck zu bestimmen, q.

Dann können wir den normalisierten Druck berechnen, der der Druckdifferenz, geteilt durch den dynamischen Druck, entspricht. Der Luftdruck und die Luftstromtemperatur wurden ebenfalls aufgezeichnet, was die Berechnung der Luftstromeigenschaften ermöglichte. Erinnern Sie sich daran, dass sich im Testabschnitt ein Steckplatz befindet, d. h., dass er für die Umgebungsluft offen ist. Unter der Annahme, dass im Prüfabschnitt kein stromweiser Druckgradient vorhanden ist, kann daher der absolute Wert des lokalen statischen Drucks des Freistroms als Umgebungsluftdruck verwendet werden.

Die Dichte wird mit dem idealen Gasgesetz und der Viskosität, die mit Sutherlands Formel erreicht wird, ermittelt. Sobald die Luftdichte und Viskosität bestimmt sind, können wir die Reynolds-Zahl berechnen. Hier zeigen wir ein Diagramm der Reynolds-Zahl im Vergleich zur normalisierten Druckdifferenz, Delta P über q.

Mit diesem Plot können wir die kritische Reynolds-Zahl für jede Kugel bestimmen, da die kritische Reynolds-Zahl einem normalisierten Druckwert 1,22 entspricht. Mit jeder kritischen Reynolds-Zahl können wir den Turbulenzfaktor und die effektive Reynolds-Zahl bewerten. Der Turbulenzfaktor korreliert mit der Intensität der Turbulenzen im Windkanal.

Zusammenfassend haben wir erfahren, wie sich die Turbulenzen im freien Strom auf Tests in einem Windkanal auswirkt. Wir verwendeten dann mehrere glatte Kugeln, um den Turbulenzfaktor und die Intensität des Windkanalflusses zu bestimmen und seine Qualität zu bewerten.

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