Лабороторные работы ИТАИ / Лабороторный практикум 2009

режима течения подчеркивается неупорядоченный характер изменения параметров потока. Однако если бы турбулентное течение было полностью неупорядоченным, то оно не поддавалось бы математическому анализу. На самом деле неупорядоченность турбулентного движения относительна и связана с влиянием на поток некоторых, не поддающихся точному учету факторов.

Все параметры турбулентного потока - скорость, температура, давление и т.д. – изменяются во времени. Поэтому, строго говоря, турбулентные течения являются нестационарными. Но во многих случаях средние значения параметров не изменяются во времени, и такие течения принято называть стационарными (в статистическом смысле). Типичный характер изменения какого-либо параметра ϕ в произвольной точке стационарного турбулентного потока показан на рис.4.1. Для математического описания процесса полезно выделить из рассматриваемой величины ее осредненное значение. Иными словами, можно рассматривать мгновенное значение величины ϕ (называемое также актуальным) в любой момент времени как сумму осредненного значения ϕ и отклонения ϕ′ от среднего значения.

Величины ϕ ′ называются пульсационными составляющими или пульсациями физической величины.

Рис.4.1. Типичный характер изменения по времени t какого-либо параметра φ в произвольной точке потока при турбулентном режиме течения.

Мгновенные значения параметров турбулентного потока меняются в известной степени хаотически, чего ни в коем случае нельзя сказать об осредненных значениях параметров. Поэтому, определяя турбулентное течение, следует наряду с неупорядоченностью подчеркнуть, как это

41

делает Хинце [3], статистическую однозначность параметров турбулентного потока: ”Турбулентное движение жидкости предполагает наличие неупорядоченности течения, в котором различные величины претерпевают хаотическое изменение по времени и пространственным координатам и при этом могут быть выделены статистически точные их осредненные значения”.

В настоящей лабораторной работе предусматривается измерение таких осредненных характеристик турбулентного потока, как осредненная скорость течения в произвольной точке потока и получение профиля осредненной скорости. При этом будет рассматриваться только стационарный режим течения, когда осредненные параметры потока не изменяются во времени, и стабилизированное течение, когда осредненные параметры не изменяются по длине канала.

4.1Описание экспериментального стенда.

Лабораторный экспериментальный стенд, на котором выполняется работа, представляет собой аэродинамическую трубу разомкнутого типа, схема которой показана на рис.4.2.

Воздух из атмосферы засасывается вентилятором 1, производительность которого позволяет реализовывать в опытном участке ламинарный, переходный и турбулентный режимы течения, и поступает в канал круглого поперечного сечения. На этом участке контура расположено сильфонное соединение 2, ослабляющее передачу вибраций от вентилятора на опытный участок, и расходомер 4, позволяющий измерять расход воздуха, по которому рассчитываются значение средней скорости течения в опытном участке и число Рейнольдса. Далее поток воздуха проходит через успокоитель 7, в котором за счет увеличения поперечного сечения скорость воздуха значительно снижается и расположены металлические сетки. Успокоитель выравнивает профиль скорости и разрушает крупномасштабные турбулентные образования, генерируемые вентилятором. Более мелкие вихри имеют более короткий срок “жизни” и эффективно подавляются механизмом вязкой диссипации

вопытном участке. На выходе из успокоителя установлено сопло 8, обеспечивающее формирование равномерного профиля скорости на входе

вопытный участок.

Опытный участок – 9 представляет собой канал прямоугольного поперечного сечения с размерами 72 х 34 мм и имеет длину более 3 м.

На выходе из рабочего участка установлен измерительный зонд – 10 с укрепленным на его конце термоанемометрическим датчиком, с помощью которого производятся измерения мгновенных (актуальных) значений

42

скорости в произвольной точке поперечного сечения канала. Перемещение датчика по двум взаимно перпендикулярным направлениям осуществляется автоматически с помощью координатника 11, при этом координаты точки, в которой в данный момент производится измерение, фиксируются также автоматически. Обработка получаемой информации осуществляется измерительно-вычислительным комплексом – 12.

Рис.4.2. Экспериментальный лабораторный стенд (аэродинамическая труба)

1. – вентилятор; 2 – сильфон; 3 - дифманометр; 4 – расходомер; 5 – диффузор; 6 – сетки; 7 – успокоитель; 8 – сопло; 9 – опытный участок; 10 –

зонд термоанемометра; 11 – координатный механизм; 12 – измерительный комплекс.

4.2.Методика измерений.

4.2.1.Измерение расхода воздуха.

Важнейшим режимным параметром, определяющим все гидродинамические характеристики потока, является число Рейнольдса:

ννП

где :

w - средняя по сечению канала скорость течения, м/с; V - объемный расход воздуха, м3/с;

43

П - периметр поперечного сечения канала, м;

f- площадь поперечного сечения канала, м2;

ν - кинематический коэффициент вязкости воздуха, м2/с;

Для используемого в настоящей работе прямоугольного канала

П = 0,212 м;

f = 2,45·10-6 м2; dэ = 46,2·10-3 м.

Объемный расход воздуха определяется с помощью расходомера, представляющего собой сдвоенную диафрагму, перепад давлений на которой p измеряется с помощью мембранного дифманометра «Метран100», выдающего электрический сигнал, по которому автоматически рассчитывается расход V, значение которого высвечивается на панели управления. Расход воздуха рассчитывается по соотношению:

где: α = 1,85·10-4 - коэффициент расхода, определяемый предварительной тарировкой расходомера.

По рассчитанному расходу V определяется средняя скорость в опытном участке:

ν

4.2.2. Измерение мгновенных значений скорости.

Измерение мгновенных (актуальных) значений скорости в настоящей работе осуществляется с помощью термоанемометра.

Чувствительный элемент (датчик) термоанемометра представляет собой тонкую вольфрамовую нить диаметром 3–5мкм и длиной около 1 мм, приваренную к двум державкам (рис.4.3). Через нить пропускается электрический ток, такой силы, чтобы температура нити была на 5 –10оС выше температуры набегающего воздуха. Интенсивность охлаждения нити зависит от скорости жидкости, омывающей нить. Специальная аппаратура измеряет температуру нити (при постоянном токе) или силу тока (при постоянной температуре нити) и перерабатывает полученную

44

информацию в значение скорости набегающего потока. Достаточно подробно теория термоанемометра описана в [3].

Рис.4.3. Схема термоанемометрического датчика.

1 – вольфрамовая нить, 2 – державки, 3 - корпус, 4 – электрические контакты.

Важными достоинствами термоанемометрического способа измерения скорости являются:

•Небольшие размеры датчика;

•Малая инерционность датчика;

•Полная автоматизация измерительного процесса. Термоанемометр с одной нитью, используемый в настоящей работе,

измеряет только одну продольную компоненту скорости u1(t ) как

функцию времени t.

Датчик термоанемометра, помещенный в некоторую точку потока, выдает сигнал, показанный на рис.4.9. Специальная компьютерная программа в результате обработки полученного сигнала выдает значение локальной осредненной скорости:

и значение интенсивности турбулентных пульсаций скорости:

где Т – интервал осреднения.

Значения u в измеряемой точке также выводятся на виртуальную «приборную панель».

45

4.3.Порядок проведения эксперимента

Управление лабораторным стендом в процессе выполнения эксперимента (регулирование расхода воздуха, перемещение термоанемометрического датчика) осуществляется с помощью виртуальной «Приборной панели» (рис.4.4.). Сюда же выводятся значения основных измеряемых величин. Виртуальная панель «Осциллограф» (рис.4.5.) служит для просмотра сигнала с датчика термоанемометра и сохранения его в файл на компьютере.

Рис. 4.4. Виртуальная «Приборная панель» на экране компьютера.

46

Рис. 4.5. Виртуальная панель «Осциллограф» на экране компьютера.

Лабораторная работа выполняется в несколько этапов.

а) Измерение профиля скорости при ламинарном режиме течения.

Число Рейнольдса, соответствующее ламинарному режиму течения, задается преподавателем. При помощи кнопок «+» «-» на «Приборной панели» необходимо установить расход воздуха в трубе, соответствующий заданному числу Рейнольдса. Значения расхода воздуха и число Рейнольдса выводятся в соответствующих окнах «Приборной панели». Время, соответствующее установлению стационарного потока воздуха в трубе, составляет 3-5 минут.

Вначале датчик термоанемометра помещается в более или менее произвольную точку потока (не очень близко от стенки) и производится

47

запись сигнала. Это измерение (рис.4.6.) позволяет убедиться в том, что при стационарном ламинарном течении скорость в любой точке потока постоянна.

Рис.4.6. Зависимость скорости от времени при ламинарном режиме течения.

Измерение ламинарного профиля скорости производится в автоматическом режиме. При этом программа установит зонд в крайнее нижнее положение, и затем будет перемещать датчик термоанемометра вверх, сканируя при этом мгновенные значения скорости и изображая их на экране компьютера (рис.4.7.).

Рис. 4.7. Профиль скорости при ламинарном режиме течения

Достигнув верхнего края канала, программа вернет датчик в исходное положение. Пользователь может сохранить профиль скорости как текстовый файл (таблица значений) или изображение (снимок экрана). Результат эксперимента следует распечатать на принтере.

48

б) Определение коэффициента перемежаемости и критического значения числа Рейнольдса.

Постепенно увеличивая расход воздуха, необходимо добиться на графике «Осциллограмма сигнала» (панель «Осциллограф») появления сигнала, на котором участки постоянной скорости перемежаются с участками, на которых скорость пульсирует (рис. 4.8.). Необходимо записать этот сигнал 3-4 раза и по полученным графикам рассчитать коэффициент перемежаемости γ. Запись сигнала в файл осуществляется нажатием кнопки «Сохранить в файл» на панели «Осциллограф».

Рис. 4.8. Изменение скорости в некоторой точке потока при переходном режиме течения.

Плавно изменяя расход, произвести аналогичные измерения при других числах Рейнольдса и построить график зависимости Re(γ) . Экстраполируя полученную зависимость на значение γ=0, получаем значение критического числа Рейнольдса Reкр.

в) измерение профиля скорости и интенсивности турбулентных пульсаций при турбулентном режиме течения.

Установить расход воздуха, соответствующий числу Рейнольдса Re=5000-6000. Поместив датчик в произвольную точку потока, снять кривую изменения скорости от времени (рис. 4.9.). Полученный график позволяет убедиться в том, что величина скорости в стационарном турбулентном потоке хаотически изменяется со временем относительно некоторого среднего значения.

49

Рис. 4.9. Изменение скорости в некоторой точке потока при турбулентном режиме течения.

Снятие турбулентного профиля скорости происходит в автоматическом режиме. Нажатием на панель «Мгновенный профиль» пункта меню «Работа» осуществляется измерение кривых мгновенных значений скорости по высоте канала (рис. 4.10.).

Рис. 4.10. Профили мгновенных значений скорости при турбулентном режиме течения.

Эти кривые иллюстрируют сложный характер изменения скорости в турбулентном потоке. Затем программа автоматически рассчитает профиль осредненной скорости по высоте канала (рис. 4.11.).Этот график также необходимо сохранить и распечатать.

50