Hitzdrahtanemometrie

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

Hitzdraht-Anemometer haben eine sehr kurze Zeit-Reaktion, wodurch sie ideal, um schnell schwankenden Phänomene wie turbulente Strömungen zu messen. Dieses Experiment soll veranschaulicht die Verwendung der Hitzdraht-Messung.

Der Hitzdraht-Anemometer

A Hitzdraht-Anemometer ist ein Gerät zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit anhand der Hitze zerstreut aus einem sehr dünnen Draht elektrisch beheizt. Die Wärme, die von einem elektrischen Draht,, ergibt sich aus der Beziehung:

(1)

Wo bezeichnet den Draht elektrischer Widerstand und der elektrische Strom durch den Draht. Der elektrische Widerstand hängt von der Drahttemperatur nach folgende Beziehung:

(2)

Wo ist der Draht-Widerstand bei der Referenztemperatur und ist eine konstante, die von dem Material des Drahtes abhängt. Während Gleichung (1) die Wärmeentwicklung durch den elektrischen Strom, der Hitze zerstreut durch die Strömung drückt folgt des Königs Gesetz [2]:

(3)

Hier,,, und sind Kalibrierkonstanten und ist die Strömungsgeschwindigkeit um den Draht. Der Wert von n hängt von der Reynolds-Zahl, und es wurde bereits festgestellt, dass für Palette von Reynolds in diesem besonderen Experiment erreichbare Zahlen zufrieden stellend ist. Um eine Beziehung zwischen elektrischer Strom, Temperatur und Geschwindigkeit zu erhalten, kombinieren wir die Gleichungen (1) und (3):

(4)

Hier tritt die Temperaturabhängigkeit durch den elektrischen Widerstand (Gleichung (2)). Der Messung, mit denen wir in das aktuelle Experiment soll die Temperatur zu halten (und damit der Widerstand) der Draht-Konstante. Aus Gleichung (4) ist es klar, dass der elektrische Widerstand konstant ist, der Strom schwanken um die Tendenz der Geschwindigkeit zu folgen muss. Das heißt, Abkühlgeschwindigkeit ändert sich mit der Strömungsgeschwindigkeit, und das würde den Draht Temperatur ändern, es sei denn, die aktuelle geändert wird, um dies zu kompensieren. Offensichtlich ist es notwendig, ein schnelles reagieren elektrische System, ein schnell variierenden Geschwindigkeit Signal zu messen haben. Dies geschieht mit einer Wheatstone-Brücke wie die in Abbildung 1a. Aus der Abbildung ist die Hot-wire einer der vier Widerstände in der Schaltung. Abbildung 1 b zeigt seine physische Konfiguration ist ein sehr dünner Draht zwischen zwei Zinken (eine 5 μm Wolframdraht für das aktuelle Experiment). Die Steuerelement-Widerstand, , aus Abbildung 1 Buchstabe a wird zunächst angepasst, um eine Null Brückenspannung produzieren , für die gewünschten Baseline-Temperatur (ergo elektrischer Widerstand) von der Hot-wire. Im Betrieb der Brückenspannung dient als eine Rückmeldung zu erhöhen oder zu senken, den Strom auf dem Draht um verteidigen den Hitzdraht-bei einer konstanten Temperatur. Auf der anderen Seite,, wird verstärkt um eine leichter lesbare Spannung Skala zu erreichen. Diese Spannung bezieht sich auf den Strom durch Ohmsche Gesetz:

(5)

Daher kann die Gleichung (4) in Bezug auf die Spannung wie ausgedrückt werden:

(6)

Mit der Kalibrierungen konstanten nun definiert als: und . Der Hauptzweck dieses Experiments ist es, den Wert dieser konstanten Kalibrierung zu finden. Zu diesem Zweck wird die Hot-wire-Sonde in einem Referenz-Flow-System eingestellt werden. Diese Flow-System wird verwendet, die mehrere Ströme mit bekannten Geschwindigkeiten. Dann werden die Kalibrierkonstanten mit einer kleinsten Quadrate Regression gefunden werden.

Wie in der schematischen Abbildung 2 gezeigt, ist der Verweis Fluss hierin verwenden die Vena Contracta von ein Freistrahl. Die mittlere Geschwindigkeit in die Vena Contracta zeichnet sich auch durch die folgende Gleichung [3, 4, 5]:

(7)

Hier ist die konstante 0,61 Abflussbeiwert von Jet, ist der Druck im Inneren der Plenum und ist der atmosphärische Druck. Die Position der Vena Contracta ist gut durch die Beziehung definiert:

(8)

Wo ist der Abstand von der Düse verlassen entlang seiner Mittellinie und ist die Breite des Schlitzes wo die Jet ausgestellt ist. Dies ist der Ort wo der Hitzdraht-Anemometer werden für die Kalibrierung. Abbildungen 3 und 4 zeigen hierin verwendete Flow-System. In diesem System ein Fan unter Druck setzt ein Plenum, die hat zwei Ausgänge, einen Schlitz, der Jet und einem Stapel, den Fluss umzuleiten zu produzieren. Wie der Fluss durch den Stapel mit Messblenden eingeschränkt ist (siehe Abbildung 4 als Referenz), erhöht sich der Volumenstrom des Jets. Diese Einstellung hilft uns, produziert ein Streudiagramm von und die Spannung gemessen an der Wheatstone-Brücke.

Abbildung 1: Schaltplan der planaren Jet zeigen: die Vena Contracta und das Diagramm von Verbindungen. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: Versuchsaufbau. (A): Flow Anlage; das Plenum ist durch einen Radialventilator beaufschlagt. (B): für die Erteilung des planaren Jets geschlitzt. (C): durchqueren System ändern Sie die Position des Anemometers entlang der Jet. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

1. Messen Sie die Breite des Schlitzes, W, und tragen Sie diesen Wert in Tabelle 1.
2. Stellen Sie sicher, dass das Datenerfassungssystem das Schema in Abbildung 2 folgt.
3. Der positive Anschluss der Drucksensor anschließen (siehe Abbildung 2 als Referenz), dem Plenum Druckmessstutzen ().
4. Lassen Sie den negativen Anschluss der Drucksensor zur Atmosphäre geöffnet. Daher werden die Lektüre dieser Wandler direkt; gemäß Gleichung (7).
5. Starten Sie das Programm für Hitzdraht-Kalibrierung. Legen Sie die Sample-Rate bei 100 Hz für insgesamt 1000 Proben (z.B. 10 s von Daten).
6. Stellen Sie sicher, dass Kanal 0 in das Datenerfassungssystem entspricht der Spannung der der Hitzdraht-Anemometer.
7. Der entsprechende Kanal 0, wählen Sie im Feld den Wert der Konstante auf 0,45.
8. Festlegen der Hitzdraht-Anemometer an der Position des Vena Contracta (auf der Mittellinie am X = 1,5 W).
9. Stellen Sie sicher, dass Kanal 1 in das Datenerfassungssystem auf das Signal von der Drucksensor entspricht.
10. Geben Sie die Werte der lokalen luftdichte (in der Regel 1,2 kg/m³ für durchschnittliche Bedingungen vor Ort) und Konvertierung konstante von Volt bis Druck (76.75 Pa/V) in den Bereichen entsprechend der Drucksensor. Notieren Sie diese Werte in Tabelle 1. Damit meldet das Datenerfassungssystem der Daten direkt in Geschwindigkeit in m/s nach Gleichung (7).
11. Decken Sie den Stapel komplett um die Voraussetzung für die maximale Geschwindigkeit an der Düse zu etablieren.
12. Schalten Sie die Fluss-Anlage.
13. Erwerben Sie ein Dataset.
14. Änderung der Stack-Platte mit einer geringeren Einschränkung (größerer Durchmesser)
15. Erwerben Sie ein Dataset.
16. Wiederholen Sie die Schritte 1.15 und 1.16 für eine Gesamtmenge von mindestens viermal. Stellen Sie sicher, dass die letzte Wiederholung mit dem Stack vollständig uneingeschränkten (niedrigste Jet Velocity) durchgeführt wird.
17. Daten-Übernahme-Programm wird die kleinste-Quadrate-Berechnung durchführen und melden die Kalibrierkonstanten automatisch. Notieren Sie diese Werte in Tabelle 1.

Tabelle 1. Grundparameter für experimentelle Studie.

Abbildung 3 . Hitzdraht-Anemometer-Schaltung. (A): Wheatstone-Brückenschaltung konstanten Temperatur in der Hot-wire zu sicherzustellen. (B): Detail der Struktur einer Hot-wire. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4 . Flusssteuerung in der Flow-System. Der Stapel auf dem Plenum dient dem Zweck der Umleitung aus der Jet-Schlitz ermöglicht, um die Jet Ausgang Geschwindigkeit zu kontrollieren. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Die experimentelle Messungen sind in Tabelle 2 aufgeführt und in Abbildung 5dargestellt. Eine lineare Regression dieser Daten ergab folgende Ergebnis für die Gleichung (6):

(9)

Die verwendet werden können, um die Geschwindigkeit als Funktion der Spannung zu bestimmen:

(10)

Tabelle 2: Repräsentative Ergebnisse. Messungen von Spannung Platz und Geschwindigkeit an die Vena Contracta mit 0,45.

Abbildung 5 . Heiß-trug Anemometer der Eichkurve. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Angesichts der Tatsache, dass Turbulenzen Hochfrequenz Geschwindigkeit Schwankungen aufweist, Hitzdraht-Anemometer sind geeignete Instrumente für die Charakterisierung aufgrund ihrer hohen Zeitauflösung. Im vorliegenden Experiment bewiesen wir den Prozess der Kalibrierung ein Hitzdraht-Anemometer. Zu diesem Zweck haben wir das Spannungssignal des Anemometers mit bekannten Werten der Geschwindigkeit an die Vena Contracta eines gut charakterisierten Jet verglichen. Diese Messungen wurden verwendet, um die Kalibrierung-Konstanten für die lineare Reaktion des Anemometers zu bestimmen.

Hitzdraht-Messung ist in wissenschaftlichen Studien von Grenzschichtströmungen in Windkanälen intensiv genutzt. Grenzschicht ist eines der ältesten Themen der Forschung in der Strömungsmechanik aufgrund ihrer Relevanz für technologische Anwendungen wie Aerodynamik, Schiffsbautechnik, Stromerzeugung, unter anderem. Zum Nachteil von all diesen Bereichen sind viele Effekte, die unter Einbeziehung der Grenzschicht noch leise verstanden: sehr unregelmäßig Rauheit, Dichte und Viskosität Farbverläufe und Kompressibilität, um nur einige zu nennen. Mit diesem Hintergrund Hitzdraht-Messung dient im Labor Einstellungen zur Bewertung Grenzschichtströmungen relevant für die oben genannten Anwendungen, Strategien ähnlich wie in das aktuelle Experiment demonstriert.

1. Chapra, S.C. and R.P. Canale. Numerical methods for engineers. Vol. 2. New York: McGraw-Hill, 1998.
2. King, L.V. On the convection of heat from small cylinders in a stream of fluid: determination of the convection constants of small platinum wires with applications to hot-wire anemometry. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical or Physical Character 214 (1914): 373-432.
3. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
4. Munson, B.R., D.F. Young, T.H. Okiishi. Fundamentals of Fluid Mechanics. 5^th ed., Wiley, 2006.
5. Buckingham, E. Note on contraction coefficients of jets of gas. Journal of Research, 6:765-775, 1931.