乱流球法:風洞流量の評価

出典:ホセ・ロベルト・モレトとシャオフェン・リウ、サンディエゴ州立大学航空宇宙工学科、サンディエゴ、カリフォルニア州

風洞試験は、使用中に気流を受ける車両や構造物の設計に役立ちます。風洞データは、調査対象のオブジェクトのモデルに制御された空気の流れを適用することによって生成されます。通常、テスト モデルのジオメトリは似ていますが、フルサイズのオブジェクトに比べて縮尺が小さくなります。低速風洞試験中に正確で有用なデータを確実に収集するには、テスト モデル上のトンネル フロー フィールドとフルサイズのオブジェクト上の実際のフロー フィールドの間にレイノルズ数の動的な類似性が必要です。

このデモンストレーションでは、明確に定義された流れ特性を持つ滑らかな球上の風洞の流れを分析する。球は明確に定義された流れ特性を持つため、有効なレイノルズ数をテストレイノルズ数に関連付ける風洞の乱流係数と、風洞の自由流乱流強度を決定できます。

低速流の動的類似性を維持するには、実験のレイノルズ数は、研究対象の流れ現象のレイノルズ数と同じでなければなりません。しかし、異なる風洞で、自由な空気で行われた実験は、同じレイノルズ数であっても、異なる結果を提供する可能性があります。これらの違いは、風洞試験区間内の自由流の乱流の影響に起因する可能性があり、これは風洞試験[1]の「有効なレイノルズ数」として認識される可能性があります。

風洞の有効なレイノルズ数を取得し、乱流強度を推定するために使用される単純な方法は、乱流球の使用です。この方法は、風洞の乱流係数を決定することにより、乱流強度の間接測定を得る。乱気流係数TFは、有効なレイノルズ数、R_eff、トンネルレイノルズ数、再_検定、次のように相関します。

乱流強度は、ホットワイヤー麻酔、レーザードップラーヴェロシメトリー、またはパーティクル画像ヴェロシメトリーフローフィールド調査によって直接測定できます。これらの直接測定方法が導入される前は、風洞の相対的な乱流を測定する主な方法は乱流球でした。直接方法は通常時間とコストがかかるため、従来の乱流球法は、空気の流れの質を測定するための高速かつ安価な代替手段のままです。

乱流球法は、球引き上げの危機と臨界レイノルズ数、Re_c、および流れ乱流強度との間の強い相関関係という2つの経験的結果に依存しています。ドラッグクライシスとは、球引き分け係数C_dが流れ分離点の後方シフトにより突然低下する現象を指します。流れが臨界レイノルズ数に達すると、層流から乱流への境界層遷移が球の前縁に非常に近い位置で発生します。この初期遷移により、乱流境界層は長い距離で不利な圧力勾配をネゴシエートできるため、流れの分離が遅れるため、層境界層よりも分離が起こりにくくなります。遅延分離は、より良い圧力回復を促進し、ウェイクと圧力ドラッグのサイズを小さくし、全体的なドラッグを大幅に減少させます。

このデモで使用する乱流球には、先頭エッジに 1 つの圧力タップがあり、後縁から 22.5° 位置するポイントで 4 つの圧力タップがあります。直径が 4.0、4.987、6.0 の 3 つの球がそれぞれ調査されます。滑らかな球の場合、クリティカルレイノルズ数は明確に定義され、C_D = 0.3 の場合に発生します。これはΔ P /q = 1.220 の値に相当し、ΔPは 4 つの後圧ポートで測定された平均圧力と球のリーディング エッジでの停滞圧力との差であり、qはフローダイナミックです。圧力。

Re_cはC_DおよびΔP/qによってよく定義されるが、流れの乱流に強く依存する。球を使用したこのデモンストレーションを使用して、乱流係数を定義できます。初期の飛行測定では、自由な大気中では、滑らかな球体のRe_c = 3.85 x 10⁵が見つかりました。自由空気臨界レイノルズは、次の式によって風洞乱流に相関しています。

1. 風洞における乱流球の準備

1. 風洞ピトー管を圧力スキャナのポート#1に接続し、静圧ポートを圧力#2に接続します。
2. 外部残高をロックします。
3. 球柱を風洞内のバランスサポートに固定します。
4. 直径6の球を取り付けます。
5. 最先端の圧力タップを圧力スキャナのポート#3に接続し、4 つの後方圧力タップを圧力スキャナのポート#4に接続します。
6. 空気供給ラインを圧力レギュレータに取り付け、圧力を65 psiに設定します。
7. 圧力スキャナのマニホールドを圧力線に接続します。
8. データ集録システムと圧力スキャナを起動します。テストの20分前までに必ず電源を入れて下さい。
9. 滑らかな球のための自由空気臨界レイノルズ数に基づいて最大動的圧力を推定します。 推奨されるテスト パラメータについては、表 1 および 2 を参照してください。
10. 0 からq_までの動的圧力テスト範囲を定義し、範囲を 15 間隔で分割してテスト ポイントを定義します。

表 1.最初のテストのパラメータ。

表 2.2 番目のテストのパラメータ。

2. 安定化・圧力スキャン測定の実施

1. 気圧と室温を読み取り、値を記録します。
2. マノメーターメーカーが提供する方程式を使用して、気圧に補正を適用します。
3. データ取得ソフトウェアをセットアップし、圧力スキャナに接続し、適切な IP アドレスを設定します。
4. 各コマンドの後に enter キーを押す次のコマンドを挿入します。
   >カルズ
   >セットちゃん1 0
   >セットちゃん 1-1..1-4
   >設定 fps 10
5. 試験区間と風洞に破片が入らないことを確認します。
6. テストセクションのドアを閉じます。
7. 風洞速度ダイヤルをゼロに設定します。
8. 風洞および風洞冷却システムをオンにします。
9. 風速 0 mph でデータの記録を開始し、次のコマンドを挿入して圧力をスキャンします。
   >スキャン
10. 風洞の気温を記録します。
11. ステップ 1.10 で定義されている次のテスト ポイントの動的圧力まで風速を上げます。
12. 対気速度が安定するまで待ってから、最後のテストポイントが実行されるまで手順 2.9 ~ 2.11 を繰り返します。
13. 対気速度をゆっくりとゼロにします。
14. すべてのポイントが計測された場合は、球の 6 を次の球に置き換えます 1.2 ~ 1.5。
15. 2.3 ~ 2.14 の手順を繰り返し、安定化と圧力スキャンの実験を繰り返します。
16. 3 つの球すべてに対してテストが実行された後、風洞が冷却するのを待ちます。
17. 風洞およびデータ取得ソフトウェアをオフにします。

球ごとに停滞圧力と後方ポートの圧力を測定した。これら2つの値の違いは、圧力差を与えます, ΔP.試験部の総_{圧力、Pt、}及び静圧、Psも測定され、これは試験動的圧力、q=Pt-Ps、および正規化された試験動的圧力を決定するために用いられる。 圧力. 周囲の気圧、P _amb、および気流温度も記録され、空気密度、ε_試験、および粘度、μ_試験を含む気流特性を計算した。密度は理想的なガス法則を用いて得られ、サザーランドの式を用いて粘度が得られる。空気密度と粘度が決定されると、テストレイノルズ数を計算できます。

正規化された圧力差に対する試験レイノルズ数をプロットすることにより、各球の臨界レイノルズ数が決定された(図1)。臨界レイノルズ数は、正規化された圧力値= 1.220 に対応します。3 つの球の 3 つのカーブは、平均値が使用されるため、重要なレイノルズ数である Re_{Cトンネル}のより正確な推定値を提供します。Re_{Cトンネル}推定値では、乱流係数、TF、および有効なレイノルズ数は、次の式に従って決定できます。

そして

図 1.各球のクリティカル レイノルズ番号。

乱流球は、風洞乱流係数を決定し、乱流強度を推定するために使用されます。これは、風洞の流れの品質を評価するのに非常に便利な方法です。この方法は、ホットワイヤー麻酔や粒子画像速度測定などの空気速度と速度の変動を直接測定するものではなく、風洞の流量の完全な調査を提供することはできません。しかし、完全な調査は非常に面倒で高価であるため、風洞乱流強度の定期的なチェックには適していません。

乱流係数は、風洞に小さな変更を加えて流れの質を測定するなど、定期的にチェックすることができます。これらのクイック チェックは、完全な流れ乱流調査の必要性を示している可能性があります。乱気流係数から得られるその他の重要な情報は、風洞の有効なレイノルズ数です。レイノルズ数のこの修正は、スケーリングされたモデルとそのアプリケーションから取得したデータの動的な類似性と有用性を確実にするために重要です。

乱流球原理は、風洞試験部以外の他の環境での乱流レベルを推定するためにも使用できます。たとえば、この方法を使用して、機内乱流を測定できます。乱流プローブは乱流球の原理に基づいて開発され、飛行機に設置して大気中の乱流レベルをリアルタイムで測定することができます[2]。

もう一つの用途は、ハリケーンの間の流れ構造の研究です。ハリケーン内部の流れのその中の測定では、取得することは非常に危険で複雑なことができます。ホットワイヤー麻酔や粒子画像のベロシメトリーのような方法は、これらの条件では達成不可能です。乱流球原理は、ハリケーンが発生しやすい地域に配置できる消耗品測定システムを作成し、ハリケーン内部の流れの乱れを安全かつ低コストで測定するために使用できます[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.