Visualisierung der Strömungen um einen Körper

Quelle: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar und Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI

Aufgrund der nichtlinearen Natur seiner regierenden Gesetze induziert flüssigen Bewegung komplizierte Strömungsmuster. Das Verständnis der Natur dieser Muster ist seit Jahrhunderten Gegenstand intensiver Beobachtung. Obwohl PCs und Supercomputern ausgiebig Flüssigkeitsströmung Muster abzuleiten verwendet werden, sind ihre Fähigkeiten noch nicht ausreichen, um das genaue Fließverhalten für komplexe Geometrien oder sehr träge fließt zu bestimmen (z. B. Wenn Dynamik dominiert über zähflüssige Widerstand). Vor diesem Hintergrund, eine Vielzahl von experimentellen Techniken zu fließen, die Muster deutlich entwickelt wurden, die Strömung Regime und Geometrien unzugänglich für theoretische und computergestützte Werkzeuge erreichen können.

Diese Demonstration wird Strömung um einen bluff Körper untersuchen. Ein Störkörpers ist ein Objekt, dass wegen seiner Form Ursachen über den größten Teil seiner Oberfläche getrennt. Dies steht im Gegensatz zu einen stromlinienförmigen Körper, wie eine Tragfläche, die orientiert sich im Stream und verursacht weniger Strömungsablösung. Der Zweck dieser Studie ist, Wasserstoff Luftblasen als eine Methode zur Visualisierung von Fließstrukturen zu verwenden. Die Wasserstoff-Bläschen entstehen per Elektrolyse mit einer DC-Stromquelle durch seine Elektroden in das Wasser eintauchen. Wasserstoff Luftblasen sind in der negativen Elektrode gebildet, die einen sehr dünnen Draht um sicherzustellen, dass die Bläschen klein bleiben und flüssigen Bewegung effektiver verfolgen muss. Diese Methode eignet sich für stetige und unsicher laminare Strömungen und basiert auf der grundlegenden Flow-Linien, die die Art der Strömung um Objekte zu beschreiben. [1-3]

Dieser Beitrag konzentriert sich auf beschreibt die Umsetzung der Technik, einschließlich Details über die Ausrüstung und die Installation. Dann ist die Technik verwendet, um die Verwendung von zwei Grundlagen-Flow-Linien charakterisieren die Umströmung ein Kreiszylinder zu demonstrieren. Diese Fließlinien werden verwendet, um einige wichtige Parameter wie Strömungsgeschwindigkeit und die Reynolds-Zahl zu schätzen und Strömungsmuster bestimmen.

In dieser Konfiguration betrachten wir einen einheitlichen stetigen Strom von Wasser mit der Geschwindigkeit (gratis-Stream Geschwindigkeit synchronisiert) nähert sich ein Kreiszylinder (Abbildung 1). Je nach Strömungsverhältnissen wie die Reynolds-Zahl charakterisiert könnte diese Strömung instabil werden und Anlass zu Wirbel zu vergießen. Vortex shedding ist typisch im Fluss vorbei an bluff Einrichtungen, die im Gegensatz zu stromlinienförmigen Körper Grenzschicht Trennung über einen erheblichen Teil ihrer Oberfläche aufweisen. Diese Grenzschicht Trennung führt zur Bildung von wirbeln hinter dem Körper, der schließlich zu lösen, könnte in regelmäßigen Abständen in den sog. Wenn regelmäßige Ablösung stattfindet, generieren die Wirbel alternierende Bereiche des Niederdruckes hinter dem Körper, der resonant Lasten werden könnte, wenn die Ausscheidung Frequenz mit der Eigenfrequenz des Körpers zusammenfällt. Dieser Strudel vergießen Prozess nennt man "Von Kármàn Vortex Straße" (Abbildung 2). Dieses wiederholte Muster der wirbelnden Wirbel wird durch Trennung der instationären Strömung um den bluff Körper verursacht und tritt auf bestimmte Bereiche der Reynolds-Zahl. Dieses Szenario zu vermeiden, ist von großer Bedeutung bei der Gestaltung von Ingenieurbauwerken wie Schornsteine und Brückenpfeiler da es Totalausfall führen kann.

Abbildung 1 . Vorbei an einem Kreiszylinder fließen. Schematische Darstellung der Grundkonfiguration. Eine homogene Stream mit Geschwindigkeit nähert sich einen geraden Zylinder mit Durchmesser dessen Achse Symmetrieachse steht senkrecht auf die nahende Geschwindigkeit.

Die Reynolds-Zahl ist eine dimensionslose Parameter definiert als das Verhältnis der Trägheitskräfte zu zähflüssig Kräfte:

(1)

Wo ist die kinematische Viskosität des Fluids, eine charakteristische Geschwindigkeit ( im vorliegenden Fall), und der Zylinder-Durchmesser. Die Reynolds-Zahl ist wohl der wichtigste Parameter in der Charakterisierung der Strömung und wird in dem vorliegenden Experiment als Metrik für die Entstehung Von Kármàn Wirbel Straße verwendet werden. Insbesondere wenn die Reynoldszahl rund 5 ist, zeigt der Fluss zwei stabile gegenläufig rotierenden Wirbel hinter dem Zylinder. Mit zunehmender Reynoldszahl verlängern diese zwei Wirbel in die Richtung der Strömung. Wenn die Reynolds-Zahl einen Wert von ca. 37 erreicht, Gefolge wird instabil und sinusähnlich durch ein Ungleichgewicht zwischen Druck und Dynamik zu schwingen beginnt. Ein weiterer Anstieg der Reynolds-Zahl bis zu 47 bewirkt, dass die beiden gegenläufig rotierenden Wirbel aus dem Zylinder in einer wechselnden Reihenfolge lösen, die die sinusförmige Gefolge Schwingung [4,5,6] folgt.

Die Frequenz mit der Wirbel aus dem Zylinder Schuppen sind ist nicht konstant; Es variiert mit dem Wert der Reynoldszahl. Frequenz zu vergießen der Strouhal-Zahl, zeichnet sich durch die andere dimensionslose Parameter von Bedeutung in dieser bestimmten Strömung Konfiguration ist:

(2)

Hier, ist die Vortex shedding Frequenz und die Länge und Geschwindigkeit Skalen sind die gleichen wie die Reynolds-Zahl. Vortex shedding Frequenz kann dann durch die Strouhal-Zahl als eine lineare Funktion der inverse Quadratwurzel der Reynoldszahl [7] charakterisiert werden:

(3)

Diese Funktion ist nicht immer monoton, es zeigt weitere Übergänge durch sekundäre Instabilitäten verdankten die Nichtlinearität der Flüssigkeitsströmung. Infolgedessen wurden die Koeffizienten und würde ändern sich je nach Bereich Reynolds. Tabelle 1 zeigt die Werte für diese Koeffizienten für den Strömungsformen, die gut charakterisiert wurden in der Literatur [7].

Während der heutigen Experimente nutzen wir Fließlinien, um externe Umströmung ein Kreiszylinder zu studieren. Diese Fließlinien sind wie folgt definiert:

• Pathline: Pfad, ein flüssige Partikel folgt, wie es mit der Strömung bewegt.

• Streakline: kontinuierliche Locus aller flüssigen Teilchen deren Bewegung an der gleichen räumlichen Position entstand.

• Timeline: Satz von flüssigen Teilchen, die im gleichen Augenblick der Zeit unter Bildung eines kontinuierlichen Locus markiert wurden.

• Streamline: durchgehende Linie, die überall Tangente an das Geschwindigkeitsfeld in einem Augenblick in der Zeit ist.

Die ersten drei Zeilen sind relativ einfach, experimentell zu erzeugen, während Stromlinien sind lediglich ein mathematisches Konzept, die im Allgemeinen durch eine sofortige Aufnahme des Geschwindigkeitsfeldes Nachbearbeitung erzeugt werden. Während das immer wahr ist, vereinfacht die Analyse deutlich in stationäre Strömungen, weil Pathlines, Streichlinien und Stromlinien mit einander übereinstimmen. Im Gegensatz dazu, diese Zeilen in der Regel mit einander in instationären Strömungen decken sich nicht. Die Umsetzung dieser Technik ist im Allgemeinen einfach und erfordert nur kostengünstige Ausstattung, im Gegensatz zu aufwendige und teure Techniken wie Particle Image Velocimetry [1], Particle Tracking-Velocimetry [8,9] und molekulare Kennzeichnung Velocimetry [10].

Abbildung 2 . Repräsentative Ergebnisse. (A) kontinuierliche Blatt Wasserstoff Blasen, das Streichlinien infolge vorgelagerten Störungen zeigt. Die Schatten, die Rute wird verwendet, um die Konvertierung von Maschine in realen Einheiten zu bestimmen. Ein Strudel vergießen Zyklus wird auch veranschaulicht, um vergießen Frequenz entsprechend zu ermitteln. (B) Zeitleisten mit Wasserstoff Luftblasen erzeugt. Da Timeline Frequenz gut definiert ist, können sie verwendet werden, Strömungsgeschwindigkeit, genau zu messen; zählen die Timelines in die roten Linien eingeschlossen wird für diese Schätzung verwendet werden. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Tabelle 1 . Werte der Koeffizienten und für verschiedene Reynolds number Intervalle (aus [8]).

(1), eine kontinuierliche Blatt Blasen zu produzieren:

1. Setzen Sie das Gerät entsprechend den Schaltplan in Abbildung 3dargestellt.
2. Die positive Elektrode im Wasser stromabwärts Ende der Messstrecke zu beheben (siehe Abbildung 4 als Referenz).
3. Die negative Elektrode zu beheben, vor- und in der Nähe der Sehenswürdigkeit, die Luftblasen in den Stream freizugeben, bevor der Fluss das Objekt der Untersuchung erreicht (siehe Abbildung 4 als Referenz). Das Wasser wird der Stromkreis zwischen den beiden Elektroden abgeschlossen.
4. Schalten Sie die Flow-Anlage
5. Das Zifferblatt der Frequenz-Regler auf Position 2 gestellt. Dadurch wird ein Volumenstrom von ca. 9 x 10^-4 m3/s hergestellt.
6. Schalten Sie den DC-Stromversorgung und erhöhen die Spannung bis zu ca. 25 V, der Strom wird selbst festlegen, etwa 190 mA.
7. Legen Sie die Wellenform in den Signalgenerator, Square Wave (Symbol: ). Dies erzeugt eine 0 V - 5 V-Quadrat-Signal, das die Solid-State-Relais (Schließen der Schaltung) in seiner hohen Position aktiviert und öffnet sie in der unteren position
8. Für diesen speziellen Fall ist die Frequenz der quadratischen Welle nicht wichtig. Es muss nur ungleich Null sein.
9. Maximieren Sie den DC-Offset (+ 5 V) in den Signalgenerator. Mit dieser Einstellung ist immer der Stromkreis geschlossen und Luftblasen erzeugt das System kontinuierlich.

Abbildung 3. Verbindungen-Diagramm.

Abbildung 4. Testabschnitt. Fließt von links nach rechts. Die negative Elektrode erzeugt eine Schicht von Wasserstoff Bläschen, die mit der Strömung mitgerissen werden. Die positive Elektrode liegt bei nachgelagerten Ende der Messstrecke, die Störungen zu vermeiden. Klicken Sie bitte hier, um eine größere Version dieser Figur.

(2), Timelines zu produzieren:

1. Schalten Sie die Flow-Anlage
2. Das Zifferblatt der Frequenz-Regler auf Position 2 gestellt. Dadurch wird ein Volumenstrom von ca. 9 x 10^-4 m3/s hergestellt.
3. Schalten Sie den DC-Stromversorgung und erhöhen die Spannung bis zu ca. 25 V, der Strom wird selbst festlegen, etwa 190 mA.
4. Legen Sie die Wellenform in den Signalgenerator, Square Wave (Symbol: ). Dies erzeugt eine 0 V - 5 V-Quadrat-Signal, das die Solid-State-Relais (Schließen der Schaltung) in seiner hohen Position aktiviert und deaktiviert es (Öffnen des Stromkreises) in der unteren position
5. + 1 V DC-Offset in den Signalgenerator festgesetzt.
6. Stellen Sie die Frequenz der quadratischen Welle in den Signalgenerator bei 10 Hz.
7. Die Symmetrie der quadratischen Welle leicht negativ (-2) um den Raum zwischen Zeitlinien erhöhen bei gleichzeitiger Einsparung von der richtigen Frequenz eingestellt.

3. mithilfe von Fließlinien um Von Kármàn Wirbel Straßen zu studieren:

1. Messen Sie den Durchmesser des Stabes,, mit einem Bremssattel. SI Einheiten für diese Messung (m) verwenden.
2. Einen zylindrischen Stab flussabwärts der negativen Elektrode zu beheben.
3. Die Schicht der Wasserstoff Luftblasen das Licht von hoher Intensität-Entladungslampe anschlagen. Stellen Sie sicher, dass das Licht nicht direkt hinter der Linie der Ansicht zur Übersättigung an das Abbildungssystem zu verhindern
4. Richten Sie das Visualisierungssystem mit der Rute; in einer Weise, dass nur die Runde Spitze vor der Kamera sichtbar ist.
5. Fügen Sie eine Markierung im Fenster "Visualisierung" und stromabwärts des Stabes als Referenz verwenden, um Wirbel-Schuppen Zyklen pro Zeiteinheit zu zählen.

(4) Datenanalyse für Fluss vorbei an einem Kreiszylinder:

1. Bestimmung des Umrechnungsfaktors von Maschineneinheiten Realraum Einheiten:
   1. Messen Sie die Breite der Schatten, den die Rute auf die Blase Blatt (siehe Abbildung 2a als Referenz). Nehmen Sie diese Messung rechts beim Stab Wettbewerbsverzerrungen mit Abstand. Dies ist der Durchmesser des Stabes in Maschineneinheiten, (Punkt oder Pixel, abhängig vom Format)
   2. Verwenden Sie die folgende Gleichung der Umrechnungsfaktor von Maschineneinheiten zur realen Einheiten zu bestimmen:
      
2. Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit:
   1. Wählen Sie eine Gruppe von unverfälschten Zeitlinien stromaufwärts von der Messkörper.
   2. Messen Sie den Abstand zwischen der ersten und letzten Timeline in Maschineneinheiten, (Punkt oder Pixel).
   3. Die Anzahl der Zeitachsen in der Gruppe, .
   4. Beachten Sie die Häufigkeit der das Rechtecksignal wie durch den Signalgenerator erzeugt .
   5. Bestimmen Sie die nahende Strömungsgeschwindigkeit aus der folgenden Gleichung:
      
3. Bestimmung der Reynolds-Zahl:
   1. Die kinematische Viskosität des Arbeitsmittels zu finden (z. B. Wasser m2/s).
   2. Die Reynolds-Zahl nach Gleichung (1) zu berechnen. Dafür, unter Berücksichtigung des Durchmessers des Stabes () in Schritt 3.1, die sich nähernden Geschwindigkeit gemessen () mit Gleichung (5), und die kinematische Viskosität in Schritt 4.3.1 ermittelten bestimmt
4. Ermittlung der Strouhal: Wirbel im Zuge des Stabes bewegen sich mit einer anderen Geschwindigkeit als die Zeitachsen in der kostenlosen online Stream. Daher muss die Frequenz des Vortex shedding unabhängig geschätzt werden.
   1. Definieren Sie eine feste Referenz stromabwärts des Stabes. Dieser Verweis könnte eine feine Schnur befestigt an der Außenseite des Tunnels oder eine digitale Leitung hinzugefügt, um ein Video von der Strömung-Prozess.
   2. Die Anzahl der Wirbel vergießen Zyklen, , überqueren den Verweis in einem definierten Zeitraum . Ein Wirbel vergießen Zyklus ist in Abbildung 2(A) dargestellt.
   3. Berechnen Sie die Ausscheidung Frequenz aus der folgenden Gleichung:
      
   4. Anhand der Ergebnisse aus den Gleichungen (5) und (6) in Gleichung (2) um die Strouhal-Zahl zu berechnen.

Abbildung 2 zeigt zwei repräsentative Ergebnisse der Wasserstoff Blase Visualisierung von einem Wirbel Von Kármàn Straße. Abbildung 2 (A) zeigt ein Beispiel für ein Feld von Streichlinien wie durch Störungen in der Wasserstoff-Blase-Blatt. Dieses Bild wird verwendet, um den Durchmesser des Stabes in Maschineneinheiten zu extrahieren. Abbildung 2 (B) zeigt ein Beispiel für ein Feld von Zeitlinien. Dieses Bild wird verwendet, um den nahenden Fluidgeschwindigkeit zu schätzen. Die Parameter dieses besonderen Experiment entnommen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2 . Repräsentative Ergebnisse für Fluss vorbei an einem Kreiszylinder.

Da die Reynolds-Zahl 115 für das vorliegende Beispiel ist, kann die Gültigkeit dieses Ergebnis getestet mit Gleichung (3) für

(7)

Aus denen wir beziehen:

(8)

Nach einem Vergleich dieser Einschätzung mit unseren experimentellen führen (siehe Tabelle 2 als Referenz), können wir feststellen, dass unser Experiment ein zufrieden stellendes Ergebnis angeboten. Abbildung 5 zeigt eine Reihe von experimentellen Ergebnissen im Vergleich mit den Vorhersagen der Gleichung (7).

Abbildung 5 . Experimentelle Ergebnisse. Vergleich der aktuellen experimentellen Ergebnisse gegen die Vorhersagen des Verhältnisses zwischen die Reynolds-Zahl und der Strouhal-Zahl für Fluss vorbei an einem Kreiszylinder.

In dieser Studie zeigte sich die Verwendung von Wasserstoff Luftblasen, um qualitative und quantitative Informationen aus Bildern der Umströmung ein Kreiszylinder zu extrahieren. Die quantitative Informationen aus diesen Experimenten inklusive gratis-Stream Geschwindigkeit (), Vortex-Ausscheidung Frequenz (), Reynolds-Zahl (Re) und der Strouhal-Zahl (St). Insbesondere stellte die Ergebnisse für St Vs Re sehr guten Übereinstimmung mit früheren Studien [3].

Infolge der langsamen Geschwindigkeit in den aktuellen Experimenten verwendet erzeugen Störungen in der Blase Blatt eine durchwachsenen Blase Schicht. Diese Streifen sind im Grunde Streichlinien. Als der Wasserstoff Blase Blatt flussabwärts reist, diese Streichlinien verdicken und unregelmäßiger geworden. Dies ist das Ergebnis der Turbulenzintensität in der gratis-Stream. Die Wirkung abgeschwächt wird, wie die Geschwindigkeit des Tunnels erhöht wird, da die Bläschen die Messstrecke verlassen vor der Präsentation einer erheblichen Streuung. Streichlinien können auch vorab ausgewählten Standorten hergestellt werden, durch die Beschichtung des Drahts, wobei kleine Teile davon mit Wasser in Berührung.

Das aktuelle Fließverhalten ist unmittelbar anwendbar fließt vorbei an Kunstbauten wie die Pfeiler der Brücken und Offshore-Bohrinseln, wind Turbinentürme oder Strommasten Linie um nur einige zu nennen. Und in der Tat ist dieses Verhalten von bluff stellen mit Geometrien als zylindrische wie Wolkenkratzer ausgestellt. Angesichts der Tatsache, dass Wirbel Fluid-Struktur Interaktion, die Strukturen schwingen zu machen erzeugen, ist das Wissen des Vortex shedding Frequenzen mit eine vorgegebenen Struktur ausgesetzt wird entscheidend für sein Design. In diesem Zusammenhang, der Ingenieur um sicherzustellen, dass ist die Eigenfrequenz der Struktur nicht so, dass es mit dem Vortex shedding Frequenz, Anklang finden werden, denn dieser Effekt unweigerlich zu Totalausfall der Struktur führt. [10] Gesetze mit entsprechenden Skalierung und Wasserstoff Luftblasen im Wassertunnel, Ingenieur simuliert das Zusammenspiel der Fluss mit einer Struktur vor Erbauung um sicherzustellen, dass sein Design sicher ist oder um herauszufinden, ob es Änderungen braucht.

Neben bluff Körper ist Wasserstoff Blase Visualisierung ein sehr mächtiges Werkzeug zu studieren Umströmung stromlinienförmigen Körper wie Tragflächen oder Schiff Rümpfe. Durch die Verwendung von Fließlinien mit dieser Technik erzeugt, man kann bestimmen Parameter wie der Anstellwinkel an die Stall stattfindet, oder sogar schätzen Aufzug Merkmale anhand der Strömungsgeschwindigkeit. Noch wichtiger ist, hilft das Muster der Verzerrung der fließenden Linien den Ingenieur, das Design zu optimieren.

Visualisierung mit Wasserstoff Luftblasen beschränkt sich nicht auf externe fließt wie die oben genannten. Diese Methode kann auch verwendet werden, um die Durchströmung der offenen Kanäle oder vollständig geschlossenen wasserführenden Systemen zu beobachten. Im letzteren Fall müssen die Wände transparent, optischen Zugang zu gewährleisten. Zum Beispiel wenn man interessiert ist, bei der Gestaltung eines Fluss-Diffusors für Sub-sonic Flow Wasserstoff Luftblasen lässt sich bestimmen, geometrische und fließen Bedingungen der Diffusor für die Strömungsablösung und Instabilität aufweisen wird. Basierend auf diesen Beobachtungen, konnte das Design experimentell optimiert werden, um die Funktionsfähigkeit zu gewährleisten.

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