난류 구체 방식: 풍동 흐름 품질 평가

저속 흐름에서 동적 유사성을 유지하기 위해 레이놀즈 실험 의 수는 연구중인 흐름 현상의 레이놀즈 수와 동일해야합니다. 그러나, 다른 풍동과 자유 공기에서 수행 된 실험, 심지어 같은 레이놀즈 번호에서, 다른 결과를 제공 할 수 있습니다. 이러한 차이는 풍동 테스트 섹션 내부의 프리 스트림 난류의 효과에 기인할 수 있으며, 이는 풍동 테스트 [1]에 대한 더 높은 "유효 레이놀즈 번호"로 인식될 수 있습니다.

풍구에 대한 유효 레이놀즈 수를 얻고 난류 강도를 추정하는 데 사용되는 간단한 방법은 난류 구의 사용입니다. 이 방법은 풍구의 난류 계수를 결정하여 난류 강도의 간접측정을 얻는다. 난기류 인자, TF는효과적인 레이놀즈 번호, R_eff,터널 레이놀즈 번호, 재_테스트와상관 관계가 있습니다.

난기류 강도는 핫와이어 적혈구, 레이저 도플러 벨로시메트리 또는 입자 이미지 속도 측정 흐름 필드 측량에 의해 직접 측정될 수 있다. 이러한 직접 측정 방법이 도입되기 전에 난기류 구는 풍구의 상대적인 난류를 측정하는 주요 방법이었습니다. 직접 적인 방법은 일반적으로 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 들기 때문에 기존의 난류 구체 방법은 여전히 공기 흐름 품질을 측정하기위한 빠르고 저렴한 대안으로 남아 있습니다.

난기류 구 방법은 두 가지 경험적 결과에 의존합니다: 구 드래그 위기와 중요한 레이놀즈 수, Re_c및 유동 난류 강도 사이의 강한 상관 관계. 드래그 위기는 구가 계수, _Cd,유동 분리점의 후방 이동으로 인해 갑자기 떨어지는 현상을 의미한다. 흐름이 임계 레이놀즈 수에 도달하면 라미나르 흐름에서 난류 흐름으로 경계 층이 전환되면 구의 앞가장자리에 매우 가깝게 발생합니다. 이러한 초기 전환은 난류 경계 층이 더 긴 거리에 대한 불리한 압력 그라데이션을 더 잘 협상할 수 있고 따라서 라미나르 경계 층보다 분리되기 쉽기 때문에 지연된 유동 분리를 유발합니다. 지연된 분리는 더 나은 압력 복구를 촉진하여 절전 모드와 압력 드래그의 크기를 줄이고 전체 항력을 크게 감소시킵니다.

이 데모에 사용되는 난기류 구체는 앞가장자리에서 하나의 압력 탭과 후행 가장자리에서 22.5 ° 떨어진 지점에서 네 개의 압력 탭을 가지고 있습니다. 각각 직경 4.0, 4.987 및 6.0의 직경을 가진 세 구를 조사합니다. 매끄러운 구의 경우 중요한 레이놀즈 번호가 잘 정의되고 C_D = 0.3이 발생할 때 발생합니다. 이는 ΔP/q= 1.220의 값에 해당하며, 여기서 ΔP는 4개의 후방 압력 포트에서 측정된 평균 압력과 구선도에서의 정체 압력 사이의 차이이며, q는 유동 동적 압력이다.

Re_c는 C _D 및 ΔP/q에의해 잘 정의되지만 흐름 난기류에 따라 크게 달라집니다. 구를 사용하는 이 데모를 사용하여 난류 계수를 정의할 수 있습니다. 초기 비행 측정은 자유 대기권에서 Re_c = 3.85 x 10^5가 매끄러운 구체에 대해 있음을 발견했습니다. 자유 공기 임계 레이놀즈는 다음과 같은 방정식에 의해 풍간 터널 난류와 상관 관계가 있습니다 :

각 구에 대해, 엇갈림 압력과 후프트 포트의 압력을 측정했다. 이 두 값의 차이는 압력 차이, ΔP를제공합니다. 시험 단면의 총 압력, _Pt및 정적 압력, P_s는또한 시험 동적 압력, q = P_t - P_s및 정규화된 압력을 결정하는 데 사용되는 측정되었다. 주변 기압, _Pamb및 기류 온도도 공기 밀도, θ_테스트및 점도, μ_시험을포함한 공기 흐름 특성을 계산하기 위해 기록되었다. 밀도는 이상적인 가스 법을 사용하여 얻어지며, 점도는 서덜랜드의 공식을 사용하여 얻어진다. 공기 밀도와 점도가 결정되면 테스트 레이놀즈 번호를 계산할 수 있습니다.

정규화된 압력 차이와 관련하여 테스트 레이놀즈 번호를 플로팅하여 각 구의 중요한 레이놀즈 번호가 결정되었습니다(그림 1). 중요한 레이놀즈 번호는 = 1.220의 정규화된 압력 값에 해당합니다. 세 구의 세 곡선은 평균 값이 사용되므로 중요한 레이놀즈 수인 Re_C터널을보다 정확하게 추정합니다. Re_C터널 추정을 사용하면 난기류 계수, TF및 유효 레이놀즈 수를 다음 방정식에 따라 결정할 수 있습니다.

그리고

그림 1. 각 구에 대한 중요 레이놀즈 번호입니다.

난류 구는 풍관 난류 인자를 결정하고 난류 강도를 추정하는 데 사용됩니다. 이것은 간단하고 효율적이기 때문에 풍동 흐름 품질을 평가하는 매우 유용한 방법입니다. 이 방법은 핫와이어 적혈구 또는 입자 이미지 속도와 같은 공기 속도 및 속도 변동을 직접 측정하지 않으며 풍동의 유량에 대한 완전한 조사를 제공할 수 없습니다. 그러나 전체 조사는 매우 번거롭고 비용이 많이 들기 때문에 풍동 난류 강도의 정기적 인 검사에는 적합하지 않습니다.

난기류 계수는 풍동을 약간 수정한 후와 같이 흐름 품질을 측정하기 위해 주기적으로 검사할 수 있습니다. 이러한 빠른 검사는 완전한 흐름 난류 조사의 필요성을 나타낼 수 있습니다. 난류 계수로부터 얻은 다른 중요한 정보는 바람터널의 유효 레이놀즈 수입니다. 레이놀즈 번호에 대한 이 수정은 확장된 모델및 응용 프로그램에서 본격적인 개체에 이르기까지 얻은 데이터의 동적 유사성과 유용성을 보장하는 데 중요합니다.

난기류 구 원리는 풍귀지 테스트 섹션 외에 다른 환경에서 난류 수준을 추정하는 데도 사용할 수 있습니다. 예를 들어 이 방법을 사용하여 기내 난기류를 측정할 수 있습니다. 난기류 프로브는 난기류 구의 원리에 기초하여 개발되고 실시간으로 대기중의 난류 수준을 측정하기 위해 비행기에 설치할 수 있다[2].

또 다른 응용 프로그램은 허리케인 동안 흐름 구조의 연구입니다. 허리케인 내부의 흐름에 대한 내부 측정에서 매우 위험하고 복잡할 수 있습니다. 핫와이어 적법및 입자 이미지 속도측정과 같은 방법은 이러한 조건에서 달성할 수 없습니다. 난기류 구체 원리는 허리케인 내부의 흐름 난류를 안전하고 저렴한 비용으로 측정하기 쉬운 지역에 배치할 수 있는 소모성 측정 시스템을 만드는 데 사용할 수 있습니다[3].