乱流を測定

ソース: リカルド ・ メヒア アルバレスとコメディフランセーズ Hikmat ジャバー、機械工学科、ミシガン州立大学、イースト ランシング、MI

乱流は、彼らの適切な特性の高時間分解能の計測器を必要とする非常に高い周波数の変動を表わします。熱線風速計はこの要件を満たすために短いに十分な時間応答を持っています。この実験の目的の使用を示すため、熱線による乱流噴流の特性評価に計。

この実験では、以前校正熱線プローブを使用すると、ジェット内の異なる位置で速度測定が取得されます。最後に、乱流場の特性データの基本的な統計分析を示します。

乱流流れの説明

乱流は、速度、圧力、および渦度など流れの変数のランダムな変動によって証明されることができます。図 1 は、乱流場の固定点での速度を測定することにより得られた一般的な速度信号を表します。この信号の変動、ランダム ノイズでなく流れ場中でのコヒーレント運動間の非線形相互作用の結果です。内乱流の古典的な説明には、時間が進むにつれて流れの変数の平均値とその対応する変動の決定が含まれます。このため、速度測定の平均値を決定するのにと関数の平均値、定義を使用します。

(1)

ここでは、現在測定時間間隔となる統合ドメインのサイズです。式 (1) で示唆した、変数の平均値を示すために、オーバー ラインを使用します。デジタル信号による離散は、積分方程式 (1) の解決されなければならない数値で、台形または Simpson の規則 [1] のいずれかを使用しています。時間依存変数の変動のような次のように計算できます。

(2)

この式からわかるように、変動フィールドはプライム記号で示されます。式 (1) を適用することによって、我々 は簡単に変動場の平均がゼロであるを判断できます。

(3)

したがって、変動場のより適切な統計的の記述子は、変動の二乗です。

(4)

実際に、この統計的の記述子は乱れ強さの非常に一般的な指標です。現在の実験は、乱流場の平均速度および乱れの強さの決定に基づいて行われます。

図1.一般的で回復される、乱流の速度の信号、熱線流速計。生の信号 変動場で分解することができます、 の速度の平均値の上に重ね、 .

実験のセットアップ

2 (a) 施設は基本的に遠心送風機によって加圧を取得しますプレナムを図に示す。図 2 (b) 平面噴流の問題充満の反対側にスリットがあることを示します。示すように、図 2(C)、トラバース システムを保持、熱線流速計平面噴流内の所定の場所で。このトラバース システムは、ジェットに興味の別の位置での速度を判断する使用されます。図 3 の回路図は、平面噴流の乱流を特徴付けるためを計が実行する代表的な位置を示します。

図2.実験のセットアップ。(A): 施設の流れ充満は遠心送風機によって加圧されます。(B): 平面噴流の発行用スリットします。(C): ジェットに沿って流速計の位置を変更するシステムを走査します。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図3.平面噴流表示の概略: 縮み、渡された下流位置と接続の図で速度分布。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

1. スリットの幅を測定しW、し表 1 にこの値を記録します。
2. 設定、熱線流速計と同じ出口からの距離でx = 1.5W中心線に沿って。表 2 にこの縦位置を記録します。中心線はスパン方向の座標の原点 (y = 0)。
3. ジェットをトラバースするためデータ収集プログラムを開始します。5000 サンプル (すなわち、データの 10 秒) の合計は 500 Hz でサンプリング レートを設定します。
4. 現在のスパンの位置を記録、表 3 に熱線します。
5. データを取得します。
6. データ集録システムでは、式 (1) と (4) を使用して、データセットの平均速度および乱れの強さを計算します。
7. 表 3 に、これらの 2 つの値を記録します。
8. ホットワイヤーを (肯定的な) スパン方向の次の位置に移動 ( mm)。
9. 手順 5-8 を繰り返して、平均速度と乱れの強さの両方に任意の顕著な変化はありません。
10. 移動、中心線に戻って熱線します。
11. ホットワイヤーを (負) スパン方向の次の位置に移動 ( mm)。
12. データを取得します。
13. データ集録システムでは、式 (1) と (4) を使用して、データセットの平均速度および乱れの強さを計算します。
14. 表 3 に、これらの 2 つの値を記録します。
15. 手順 11 に 14 を繰り返して、平均速度と乱れの強さの両方に任意の顕著な変化はありません。
16. 移動、ジェットの中心線に戻って熱線します。
17. 移動は新しい位置に下流方向にジェットの中心線に沿って熱線 (例えばx = 3W)。
18. 手順 17 に 4 したかった多くの縦位置 (例えばx = 1.5W, 3W, 6W 9W)。

表 1。実験的研究のための基本的なパラメーターです。

図 4。フロー システムのフロー制御。換気口の上にスタック フロー ジェットの出口の速度を制御することができますジェット スリットからの転用の目的を提供しています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。

図 5は、下流の位置にジェットで平均速度分布を示していますx = 3W。図 6は、同じ下流位置にジェットの乱流強度分布を示しています。表 3 は、縦位置の平均速度と乱れ強度のローカル値の結果x = 3w.このテーブルの最後の列は、ローカル速度と中心線速度の比率です。この比率はジェットの幅を決定する使用される、ローカル速度が中心線速度の 50% と、2 つの位置の間の距離として定義されています。表 2 からの間隔でこれらの 2 つの位置がどこかにある注、 。正確な位置は、線形補間が使用されますであると判断: mm とのジェット厚さ mm mm。

4 さまざまな実験の結果は、表 2 に比較されます。この表はどのようにジェット機の中心線速度のままと基本的に、減少しますが、の。この効果のための潜在的なコアの存在の結果は、とその消失の。潜在的なコアは、環境とジェットの間の相互作用に影響されていないジェット内の領域です。相互作用の領域は混合層と呼ばれる、ジェットが下流に移動すると、中心線に向かって、ジェット機から離れてなります。この成長は、ジェットに周囲の空気の巻き込みによるものです。この同調効果によるジェットの線形運動量とともに増加する幅を引き起こして、スパン方向に広がる。この効果の結果によって立証される2 のテーブルの上。混合がジェットと周囲の環境との間の境界で発生したという事実のために乱流強度のピーク () によって定義されるスパンの位置で、中心線から、 。わかりやすくするため、表 2 は、のみジェットの肯定的な側面で乱れ強さのピークの値を示します。

図5.代表的な結果。速度分布 x = 3w.

図6.代表的な結果。乱流強度分布 x = 3w.

テーブル2.代表的な結果。平面噴流の異なる統計的の記述子 x = 1.5W, 3W, 6W と 9W.

テーブル3.代表的な結果。流速および乱れの強さの測定 x = 3w.

この実験実証の熱線による乱流の計。その乱れは、高周波数速度変動を展示、熱線風速計、そのための高時間分解能特性の評価のための適切な楽器。これを念頭において、我々 は、キャリブレーション使用熱線流速計平面噴流内の異なる位置で平均ローカル速度および乱れの強さを特徴付けるため。これらの量は、この文書の冒頭で説明した乱流の統計的の記述子を使用して求めた。これらの統計的の記述子からジェットが内部流体混合の結果として、ジェットの中心線から、混合層乱流ピーク中の流体の引き込みのためのスパン方向に広がることが観察されました。

乱流は、科学や工学アプリケーションでユビキタスです。換気、暖房、エアコンなどのエンジニア リング アプリケーションで評価、それは一般的なポータブル型熱線のダクティングに導入され、放射状の速度プロファイルを取得する走査プローブを使用します。この情報は、いずれかの適切な操作を保証するか誤動作しているシステムのトラブルシューティングを行うし、その操作を妨げている問題を解決する新しくインストールされたフロー システムのバランスをとるエンジニアによって使用されます。

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