Quelle: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, Kalifornien

Eine Begrenzungsebene ist ein dünner Strömungsbereich, der unmittelbar an die Oberfläche eines Volumenkörpers angrenzt, der in das Strömungsfeld eingetaucht ist. In diesem Bereich dominieren zähflüssige Effekte, wie die zähflüssige Scherspannung, und der Fluss wird durch den Einfluss der Reibung zwischen der Flüssigkeit und der festen Oberfläche verzögert. Außerhalb der Grenzschicht ist der Fluss invisziden, d.h. es gibt keine ableitenden Effekte durch Reibung, Wärmeleitung oder Massendiffusion.

Das Grenzschichtkonzept wurde 1904 von Ludwig Prandtl eingeführt, das eine deutliche Vereinfachung der Navier-Stokes (NS)-Gleichung zur Behandlung von Strömungen über einen festen Körper ermöglicht. Innerhalb der Begrenzungsebene wird die NS-Gleichung auf die Grenzschichtgleichung reduziert, während außerhalb der Grenzebene der Fluss durch die Euler-Gleichung beschrieben werden kann, die eine vereinfachte Version der NS-Gleichung ist.

Abbildung 1. Grenzschichtentwicklung über eine flache Platte.

Der einfachste Fall für die Grenzschichtentwicklung tritt auf einer flachen Platte bei Null-Einfallswinkel auf. Bei der Betrachtung der Grenzschichtentwicklung auf einer flachen Platte ist die Geschwindigkeit außerhalb der Grenzschicht konstant, sodass der Druckgradient entlang der Wand als Null betrachtet wird.

Die Grenzschicht, die sich natürlich auf einer Festen Körperoberfläche entwickelt, durchläuft in der Regel die folgenden Stufen: erstens den laminaren Grenzschichtzustand; zweitens der Übergangszustand und drittens den turbulenten Grenzschichtzustand. Jeder Staat hat seine eigenen Gesetze, die die Strömungsstruktur der Begrenzungsschicht beschreiben.

Die Erforschung der Entwicklung und Struktur der Grenzschicht ist sowohl für das theoretische Studium als auch für die praktische Anwendung von großer Bedeutung. Die Grenzschichttheorie ist beispielsweise die Grundlage für die Berechnung des Reibungswiderstands der Haut auf Schiffen, Flugzeugen und den Schaufeln von Turbomaschinen. Der Reibungswiderstand der Haut entsteht auf der Körperoberfläche innerhalb der Grenzschicht und ist auf die zähflüssige Scherbelastung zurückzuführen, die durch flüssige Partikel in direktem Kontakt mit ihr auf die Oberfläche ausgeübt wird. Die Hautreibung ist proportional zur Flüssigkeitsviskosität und dem lokalen Geschwindigkeitsgradienten auf der Oberfläche in der Oberflächennormalrichtung. Der Reibungswiderstand der Haut ist auf der gesamten Oberfläche vorhanden, so dass er über große Flächen, wie z. B. einen Flugzeugflügel, signifikant wird. Darüber hinaus sorgt ein turbulenter Flüssigkeitsfluss für mehr Reibungswiderstand der Haut. Die makroturbulente Flüssigkeitsbewegung verstärkt die Impulsübertragung innerhalb der Grenzschicht, indem flüssige Partikel mit hohem Impuls an die Oberfläche gebracht werden.

Diese Demonstration konzentriert sich auf die turbulente Grenzschicht über einer flachen Platte, bei der der Fluss unregelmäßig ist, z. B. beim Mischen oder Eddying, und die Schwankungen werden auf den mittleren Fluss überlagert. Somit ist die Geschwindigkeit an jedem Punkt in einer turbulenten Grenzschicht eine Funktion der Zeit. In dieser Demo wird die konstante Temperatur-Heißdraht-Anemometrie (CTA) verwendet, um eine Grenzschichtvermessung durchzuführen. Anschließend wird die Clauser-Diagrammmethode verwendet, um den Reibungskoeffizienten der Haut in einer turbulenten Grenzschicht zu berechnen.

1. Dynamische Reaktionsbestimmung des Heißdrahtsystems

Der Zweck dieses Verfahrens ist es zu verstehen, wie schnell das Anemometersystem auf Flusssignaländerungen reagieren kann. Diese Fähigkeit wird durch Messung des Frequenzgangs gemessen, wenn sich das Signal durch Anwenden einer quadratischen Welle ein- und ausschaltet.

1. Sichern Sie die Heißdrahtsonde des CTA-Systems innerhalb eines Windkanals mit einem Stützschacht.
2. Richten Sie ein GLEICHstromnetzteil,

Der CTA wurde in Abschnitt 2 des Protokolls kalibriert, indem die Spannung des Heißdrahtes bei unterschiedlichen Luftgeschwindigkeiten gemessen wurde. Diese Daten wurden dann verwendet, um die mathematische Beziehung zwischen der gemessenen Variablen, Spannung, und der indirekten Variablen, der Luftgeschwindigkeit, zu bestimmen. Es gibt viele Ansätze, die experimentellen Daten an mathematische Beziehungen für die Geschwindigkeit anzurichten, von denen einige im Anhang behandelt werden....

Die Demonstration zeigt, wie die Konstante-Temperatur-Anemometrie verwendet wird, ein leistungsfähiges Werkzeug, das verwendet wird, um turbulente Strömungen über eine Oberfläche zu untersuchen, die in diesem speziellen Fall eine flache Platte war. Diese Methode ist einfacher und kostengünstiger als andere Methoden, z. B. PIV, PTV und LDV, und bietet eine hohe zeitliche Auflösung. Die Anwendung der Hot-Wiremommetrie auf eine turbulente Grenzschicht bietet einen kostengünstigen und praktischen Ansatz, um das Verhal...