Turbulence Sphere-Methode: Bewertung der Strömungsqualität im Windkanal

Quelle: Jose Roberto Moreto und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Windkanaltests sind nützlich bei der Konstruktion von Fahrzeugen und Bauwerken, die während ihres Einsatzes dem Luftstrom ausgesetzt sind. Windkanaldaten werden generiert, indem ein kontrollierter Luftstrom auf ein Modell des untersuchten Objekts angewendet wird. Das Testmodell hat in der Regel eine ähnliche Geometrie, ist aber im Vergleich zum Objekt in voller Größe kleiner. Um sicherzustellen, dass bei Tests von Windkanaltests mit niedriger Geschwindigkeit genaue und nützliche Daten gesammelt werden, muss eine dynamische Ähnlichkeit der Reynolds-Zahl zwischen dem Tunnelflussfeld über dem Testmodell und dem tatsächlichen Strömungsfeld über dem Objekt in voller Größe bestehen.

In dieser Demonstration wird der Windkanalfluss über eine glatte Kugel mit genau definierten Strömungseigenschaften analysiert. Da die Kugel über gut definierte Strömungseigenschaften verfügt, kann der Turbulenzfaktor für den Windkanal, der die effektive Reynolds-Zahl mit der Test-Reynolds-Zahl korreliert, sowie die Freistrom-Turbulenzintensität des Windkanals bestimmt werden.

Um die dynamische Ähnlichkeit in Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, muss die Reynolds-Zahl eines Experiments mit der Reynolds-Zahl des untersuchten Strömungsphänomens identisch sein. Experimente, die in verschiedenen Windkanälen und in freier Luft durchgeführt wurden, selbst bei der gleichen Reynolds-Zahl, könnten jedoch zu unterschiedlichen Ergebnissen führen. Diese Unterschiede können auf die Auswirkungen der Freistromturbulenzen innerhalb des Windkanalprüfabschnitts zurückgeführt werden, die als höhere "effektive Reynolds-Zahl" für den Windkanaltest wahrgenommen werden könnten [1].

Eine einfache Methode, die verwendet wird, um die effektive Reynolds-Zahl für einen Windkanal zu erhalten und seine Turbulenzintensität zu schätzen, ist die Verwendung der Turbulenzkugel. Diese Methode erhält eine indirekte Messung der Turbulenzintensität durch Bestimmung des Turbulenzfaktors des Windkanals. Der Turbulenzfaktor TFkorreliert die effektive Reynolds-Zahl, R_eff, mit der Tunnel-Reynolds-Nummer,

Die Turbulenzintensität kann direkt durch eine Hotwire-Anemommetrie, Laser-Doppler-Velocimetrie oder Partikelbild-Velocimetrie-Flussfelduntersuchung gemessen werden. Vor der Einführung dieser direkten Messmethoden war eine Turbulenzkugel der primäre Weg, um die relativen Turbulenzen eines Windkanals zu messen. Da die direkten Methoden in der Regel zeitaufwändig und teuer sind, bleibt die konventionelle Turbulenzkugelmethode eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Messung der Luftstromqualität.

Die Turbulenzsphärenmethode beruht auf zwei empirischen Ergebnissen: der Kugel-Drag-Krise und der starken Korrelation zwischen der kritischen Reynolds-Zahl, Re_c, und der Strömungsturbulenzintensität. Die Drag-Krise bezieht sich auf das Phänomen, dass der Kugel-Drag-Koeffizient C_dplötzlich aufgrund der Rückwärtsverschiebung des Strömungstrennpunkts abfällt. Wenn der Fluss die kritische Reynolds-Zahl erreicht, erfolgt der Übergang der Grenzschicht vom laminaren Fluss zum turbulenten Fluss sehr nahe an der Vorderkante der Kugel. Dieser frühe Übergang führt zu einer verzögerten Strömungstrennung, da die turbulente Grenzschicht besser in der Lage ist, einen ungünstigen Druckgradienten über einen längeren Abstand auszuhandeln und daher weniger anfällig für Trennung ist als die laminare Grenzschicht. Die verzögerte Trennung fördert eine bessere Druckrückgewinnung, wodurch die Größe des Wakes und der Druckwiderstand reduziert und der Gesamtwiderstand deutlich verringert wird.

Die in dieser Demonstration verwendeten Turbulenzkugeln haben einen Druckhahn an der Vorderkante und vier Druckhähne an Punkten, die sich 22,5° von der Hinterkante entfernt befinden. Es werden drei Kugeln mit Durchmessern von 4,0, 4,987 bzw. 6,0 in untersucht. Bei einer glatten Kugel ist die kritische Reynolds-Zahl gut definiert und tritt auf, wenn C_D = 0,3. Dies entspricht einem Wert von-P/q = 1,220, wobeidie Differenz zwischen dem an den vier hinteren Druckanschlüssen gemessenen Durchschnittsdruck und dem Stagnationsdruck an der Kugelvorderkante und q die Strömungsdynamik ist. druck.

Während Re_c gut definiert ist durch C_D undP/q, hängt es stark von Strömungsturbulenzen ab. Diese Demonstration mit Kugeln kann verwendet werden, um den Turbulenzfaktor zu definieren. Frühe Flugmessungen ergaben, dass in der freien Atmosphäre Re_c = 3,85 x 10⁵ für eine glatte Kugel. Die freiluftkritischen Reynolds werden mit den Turbulenzen im Windkanal durch folgende Gleichung korreliert:

1. Vorbereitung der Turbulenzkugel im Windkanal

1. Schließen Sie das Windkanal-Pitotrohr an den Anschluss #1 am Druckscanner an, und schließen Sie den statischen Druckanschluss an #2 am Druckscanner an.
2. Externe Waage sperren.
3. Fixieren Sie die Kugelstrebe an der Balance-Unterstützung innerhalb des Windkanals.
4. Installieren Sie die Kugel mit 6 Im Durchmesser.
5. Schließen Sie den Druckhahn an, um #3 am Druckscanner zu portieren, und schließen Sie die vier Achter-Druckhähne an, um #4 am Druckscanner zu portieren.
6. Befestigen Sie die Luftversorgungsleitung am Druckregler, und stellen Sie den Druck auf 65 psi ein.
7. Schließen Sie den Verteiler des Druckscanners an die Druckleitung an.
8. Starten Sie das Datenerfassungssystem und den Druckscanner. Stellen Sie sicher, dass Sie sie mindestens 20 Minuten vor dem Test einschalten.
9. Schätzen Sie den maximalen dynamischen Druck basierend auf der freiluftkritischen Reynolds-Zahl für eine glatte Kugel: . Empfohlene Testparameter finden Sie in den Tabellen 1 und 2.
10. Definieren Sie den dynamischen Druckprüfbereich von 0 bis q_max und definieren Sie die Prüfpunkte, indem Sie den Bereich in 15 Intervallen dividieren.

Tabelle 1. Parameter für den ersten Test.

Tabelle 2. Parameter für den zweiten Test.

2. Durchführung von Stabilisierungs- und Druckscanmessungen

1. Lesen Sie den luftometrischen Druck und die Raumtemperatur und zeichnen Sie die Werte auf.
2. Wenden Sie die Korrekturen auf den luftometrischen Druck anhand von Gleichungen des Manometerherstellers an.
3. Richten Sie die Datenerfassungssoftware ein und verbinden Sie sie mit dem Druckscanner, indem Sie die richtige IP-Adresse festlegen.
4. Setzen Sie die folgenden Befehle ein, indem Sie nach jedem Befehl die Eingabetaste drücken.
   >calz
   >set chan1 0
   >set chan 1-1..1-4
   >fps 10 einstellen
5. Prüfen Sie, ob der Prüfabschnitt und der Windkanal frei von Schmutz sind.
6. Schließen Sie die Türen des Testabschnitts.
7. Stellen Sie die Drehzahl für den Windkanal auf Null ein.
8. Schalten Sie das Windkanal- und Windkanalkühlsystem ein.
9. Mit der Windgeschwindigkeit bei 0 mph, starten Sie die Aufzeichnung von Daten, dann setzen Sie den folgenden Befehl ein, um den Druck zu scannen:
   >Scannen
10. Zeichnen Sie die Lufttemperatur des Windkanals auf.
11. Erhöhen Sie die Windgeschwindigkeit bis zum nächsten Prüfpunkt-Dynamikdruck, wie in Schritt 1.10 definiert.
12. Warten Sie, bis sich die Fluggeschwindigkeit stabilisiert, wiederholen Sie dann die Schritte 2.9 - 2.11, bis der letzte Testpunkt ausgeführt wird.
13. Reduzieren Sie die Fluggeschwindigkeit langsam auf Null.
14. Wenn alle Punkte gemessen wurden, ersetzen Sie die 6 in kugel durch die nächste Kugel nach den Schritten 1.2 - 1.5.
15. Wiederholen Sie die Schritte von 2.3 - 2.14, um die Stabilisierungs- und Druckscanexperimente zu wiederholen.
16. Warten Sie, bis der Windkanal abgekühlt ist, nachdem der Test für alle drei Kugeln ausgeführt wurde.
17. Schalten Sie den Windkanal und die Datenerfassungssoftware aus.

Für jede Kugel wurden der Stagnationsdruck und der Druck an den Hintern gemessen. Die Differenz zwischen diesen beiden Werten ergibt die Druckdifferenz,P. Der Gesamtdruck, P_tund statischer Druck, P s , des Prüfabschnitts wurden ebenfalls gemessen, die zur Bestimmung des Prüfdynamikdrucks, q = P_t - P_sund des normalisierten Druck . Der Umgebungsluftdruck, P_ambund die Luftstromtemperatur wurden ebenfalls aufgezeichnet, um die Luftstromeigenschaften zu berechnen, einschließlich der Luftdichte, des_Testsund der Viskosität, des_Tests. Die Dichte wird mit dem idealen Gasgesetz ermittelt, und die Viskosität wird nach Sutherlands Formel ermittelt. Sobald die Luftdichte und Viskosität bestimmt sind, kann die Test-Reynolds-Zahl berechnet werden.

Durch Plotten der Test-Reynolds-Zahl in Bezug auf die normalisierte Druckdifferenz wurde die kritische Reynolds-Zahl für jede Kugel ermittelt (Abbildung 1). Die kritische Reynolds-Zahl entspricht einem normalisierten Druckwert von = 1.220. Die drei Kurven für die drei Kugeln liefern eine genauere Schätzung der kritischen Reynolds-Zahl, Re_C-Tunnel, da ein gemittelter Wert verwendet wird. Mit der_{Re-C-Tunnelschätzung} können der Turbulenzfaktor TFund die effektive Reynolds-Zahl nach den folgenden Gleichungen bestimmt werden:

und

Abbildung 1. Kritische Reynolds-Nummer für jede Kugel.

Turbulenzkugeln werden verwendet, um den Turbulenzfaktor des Windkanals zu bestimmen und die Turbulenzintensität zu schätzen. Dies ist eine sehr nützliche Methode, um eine Windkanal-Flussqualität zu bewerten, da sie einfach und effizient ist. Diese Methode misst nicht direkt die Luftgeschwindigkeit und Geschwindigkeitsschwankungen, wie Hotwire-Anemometrie oder Partikelbild-Velocimetrie, und es kann keine vollständige Übersicht über die Fließqualität des Windkanals liefern. Eine vollständige Erhebung ist jedoch äußerst umständlich und teuer, so dass sie nicht für regelmäßige Überprüfungen der Turbulenzintensität des Windkanals geeignet ist.

Der Turbulenzfaktor kann regelmäßig überprüft werden, z. B. nach geringfügigen Änderungen am Windkanal, um die Fließqualität zu messen. Diese Schnellprüfungen können auf die Notwendigkeit einer vollständigen Strömungsturbulenzenerhebung hinweisen. Weitere wichtige Informationen aus dem Turbulenzfaktor ist die effektive Reynolds-Nummer des Windkanals. Diese Korrektur der Reynolds-Nummer ist wichtig, um die dynamische Ähnlichkeit und nützlichheit der Daten zu gewährleisten, die aus skalierten Modellen und deren Anwendung auf großformatige Objekte gewonnen werden.

Das Turbulenzkugelprinzip kann auch zur Abschätzung des Turbulenzpegels in anderen Umgebungen neben dem Windkanalprüfabschnitt verwendet werden. Diese Methode kann beispielsweise verwendet werden, um Turbulenzen an Bord zu messen. Eine Turbulenzsonde kann auf der Grundlage der Prinzipien der Turbulenzkugel entwickelt und in Flugzeugen installiert werden, um Turbulenzen in der Atmosphäre in Echtzeit zu messen [2].

Eine weitere Anwendung ist die Untersuchung von Strömungsstrukturen während eines Hurrikans. In-situ-Messungen der Strömung innerhalb eines Hurrikans können extrem gefährlich und kompliziert zu erhalten sein. Methoden wie Hotwire-Anemometrie und Partikelbild-Velocimetrie sind unter diesen Bedingungen unerreichbar. Das Turbulenzkugelprinzip kann verwendet werden, um ein verwendbares Messsystem zu erstellen, das in einer Region platziert werden kann, die anfällig für Hurrikane ist, um die Strömungsturbulenzen innerhalb eines Hurrikans sicher und kostengünstig zu messen [3].

1. Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
2. Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
3. Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.