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恒温测量:研究湍流边界层流的工具

Overview

资料来源:何塞·罗伯托·莫尔托、海梅·多拉多和刘晓峰,圣地亚哥州立大学航空航天工程系,加利福尼亚州圣地亚哥

边界图层是紧邻浸没在流场中的实体表面的细流区域。在此区域,粘性效应(如粘性剪切应力)占主导地位,并且由于流体和固体表面之间的摩擦影响而延迟流动。在边界层之外,流动是无微热的,即没有摩擦、热传导或质量扩散引起的消散效应。

边界层概念由路德维希·普朗特尔于 1904 年引入,它显著简化了 Navier-Stokes (NS) 方程,用于处理固体上的流量。在边界层内,NS方程被简化为边界层方程,而在边界层之外,可以通过Euler方程来描述流,欧拉方程是NS方程的简化版本。

图 1.在平板上的边界层发展。

边界层开发最简单的情况发生在零入射角的平板上。在考虑平板上的边界层开发时,边界层外的速度是恒定的,因此沿墙的压力梯度被认为是零。

边界层在实体表面自然发展,通常经历以下阶段:第一,层边界层状态;第二,过渡状态,第三,湍流边界层状态。每个状态都有自己的定律,描述边界层的流动结构。

边界层的开发和结构研究对理论研究和实践应用都具有重要意义。例如,边界层理论是计算船舶、飞机和涡轮发动机叶片上皮肤摩擦阻力的基础。皮肤摩擦阻力是在边界层内的车身表面产生的,是由于直接接触的流体颗粒对表面施加的粘性剪切应力。皮肤摩擦与表面正常方向的流体粘度和局部速度梯度成正比。皮肤摩擦阻力存在于整个表面上,因此在大面积区域(如飞机机翼)上变得显著。此外,湍流流动会产生更多的皮肤摩擦阻力。宏观湍流流体运动通过将具有高动量的流体颗粒带到表面,增强边界层内的动量传递。

本演示侧重于平板上的湍流边界层,其中流动不规则,如混合或涡流,波动叠加在均流上。因此,湍流边界层中任意点的速度都是时间的函数。在本演示中,将使用恒温热线测量(CTA)进行边界层测量。然后,使用克劳瑟图法计算湍流边界层的皮肤摩擦系数。

Procedure

1. 热线系统动态响应确定

此过程的目的是了解测能仪系统对流量信号变化的响应速度。通过应用方波来测量信号打开和关闭时的频率响应,可以衡量此功能。

  1. 使用支撑轴将 CTA 系统的热线探头固定在风洞内。
  2. 设置直流电源、信号发生器和示波器,并连接它们,如图 2(a)所示。信号发生器为惠斯通桥提供方波输入,输出波形在示波器上可视化。
  3. 打开热线电源、示波器和信号发生器。
  4. 设置信号发生器以输出具有 150 mV 振幅和 10 kHz 频率的方波。
  5. 观察示波器中的输出信号,确保输出波形频率和振幅正确。
  6. 关闭测试部分并插入串行端口。打开风洞,将空速设置为 40 mph。
  7. 一旦气流稳定下来,从示波器测量信号过冲的宽度。"有关*的定义,请参阅图 3。
  8. 使用*的测量值使用公式获得热线系统的截止频率:f= 1/1.5

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Results

通过测量不同空气速度的热线电压,在协议第 2 节中校准了 CTA。然后,这些数据用于确定测量变量、电压和间接变量空气速度之间的数学关系。有许多方法将实验数据拟合到速度的数学关系中,其中几种方法在附录中介绍。确定数学关系后,在CTA的进一步实验中,很容易从电压中计算出速度。

在协议第3节中,在风洞的不同垂...

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Application and Summary

演示演示了如何使用恒温消位测量,这是一种用于研究表面湍流的强大工具,在此特定情况下,该表面是一个平面。此方法比其他方法(如 PIV、PTV 和 LDV)更简单、更便宜,并且提供较高的时间分辨率。热线电位测量在湍流边界层中的应用提供了一种经济有效且实际操作的方法,以演示湍流的行为。

恒温性测量具有多种应用。此技术可用于测量湍流和层流。热线气动仪可用?...

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Tags

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0:01

Concepts

3:05

CTA Dynamic Response Determination

4:44

CTA Calibration

6:07

Boundary Layer Survey

7:23

Results

此集合中的视频:

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