Visualización de flujo más allá de un cuerpo no fuselado

Visión general

Fuente: Ricardo Mejía-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar y Mahmoud Abdullatif N., Departamento de ingeniería mecánica, Universidad Estatal de Michigan, East Lansing, MI

Debido a la naturaleza no lineal de sus leyes gobierno, movimiento fluido induce patrones de flujo complicados. Entender la naturaleza de estos patrones ha sido objeto de intenso escrutinio por siglos. Aunque las computadoras personales y supercomputadoras se utilizan extensivamente para deducir patrones de flujo de fluidos, sus capacidades son todavía insuficientes para determinar el comportamiento del flujo exacto para geometrías complejas o flujos altamente inerciales (por ejemplo cuando impulso domina resistencia viscosa). Con esto en mente, una multitud de técnicas experimentales para hacer flujo han desarrollado patrones evidentes que puede llegar a flujo regímenes y geometrías de herramientas inaccesibles a teórica y computacional.

Esta demostración investigará fluido alrededor de un cuerpo del pen # asco. Un cuerpo del pen # asco es un objeto que, debido a su forma, causas separaron flujo sobre la mayor parte de su superficie. Esto está en contraste con un cuerpo aerodinámico, como una superficie de sustentación, que se alinea en la corriente y produce menor separación del flujo. El propósito de este estudio es utilizar burbujas de hidrógeno como un método para visualizar patrones de flujo. Se producen las burbujas de hidrógeno vía electrólisis usando una fuente de alimentación DC sumergiendo sus electrodos en el agua. Se forman burbujas de hidrógeno en el electrodo negativo, que debe ser un alambre muy fino para que las burbujas siguen siendo pequeñas y seguimiento más eficaz un movimiento fluido. Este método es adecuado para flujos laminares estables e inestables y se basa en las líneas de flujo básicos que describen la naturaleza del flujo alrededor de objetos. [1-3]

Este trabajo se centra en describir la aplicación de la técnica, incluyendo los detalles sobre el equipo y su instalación. Entonces, la técnica se utiliza para demostrar el uso de dos de las líneas de flujo de conceptos básicos para caracterizar el flujo alrededor de un cilindro circular. Estas líneas de flujo se utilizan para estimar algunos parámetros importantes del flujo como la velocidad de flujo y el número de Reynolds y para determinar los patrones de flujo.

Procedimiento

1. para producir una hoja continua de burbujas:

Configurar el equipo según el esquema eléctrico que se muestra en la figura 3.
Fijar el electrodo positivo en el agua en el extremo aguas abajo de la sección de prueba (ver figura 4 para la referencia).
Fijar el electrodo negativo aguas arriba y cerca del punto de interés para liberar las burbujas en la corriente antes de que el flujo llegue al objeto de estudio (ver .css-f1q1l5{display:-webkit-box;display:-webkit-flex;display:-ms-flexbox;display:flex;-webkit-align-items:flex-end;-webkit-box-align:flex-end;-ms-flex-align:flex-end;align-items:flex-end;background-image:linear-gradient(180deg, rgba(255, 255, 255, 0) 0%, rgba(255, 255, 255, 0.8) 40%, rgba(255, 255, 255, 1) 100%);width:100%;height:100%;position:absolute;bottom:0px;left:0px;font-size:var(--chakra-fontSizes-lg);color:#676B82;}
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Resultados

La figura 2 muestra dos resultados representativos de la visualización de burbujas de hidrógeno de un vórtice de Von Kármàn calle. Figura 2 (A) muestra un ejemplo de un campo de línea como lo demuestran los disturbios en la hoja de la burbuja de hidrógeno. Esta imagen se utiliza para extraer el diámetro de la varilla en las unidades de la máquina. Figura 2 (B) se muestra un ejemplo de un cam...

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Aplicación y resumen

En este estudio, se demostró el uso de burbujas de hidrógeno para extraer información cualitativa y cuantitativa de las imágenes del flujo alrededor de un cilindro circular. La información cuantitativa extraída de estos experimentos incluye la velocidad de flujo libre (), frecuencia de vertimiento de vórtice (), número de Reynolds (Re) y el número de Strouhal (St). En particular, los resultados de St vs Re exhibie...

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Referencias

Zöllner, F. Leonardo da Vinci 1452-1519: sketches and drawings, Taschen, 2004.

White, F. M. Fluid Mechanics, 7^th ed., McGraw-Hill, 2009.

Adrian, Ronald J., and Jerry Westerweel. Particle Image Velocimetry. Cambridge University Press, 2011.

Gerrard, J. H., The wakes of cylindrical bluff bodies at low Reynolds number, Phil. Trans. Roy. Soc. (London) Ser. A, Vol. 288, No. 1354, pp. 351-382 (1978)

Coutanceau, M. and Bouard, R., Experimental determination of the viscous flow in the wake of a circular cylinder in uniform translation. Part 1. Steady flow, J. Fluid Mech., Vol. 79, Part 2, pp. 231-256 (1977)

Kovásznay, L. S. G., Hot-wire investigation of the wake behind cylinders at low Reynolds numbers, Proc. Roy. Soc. (London) Ser. A, Vol. 198, pp. 174-190 (1949)

Fey, U., M. König, and H. Eckelmann. A new Strouhal-Reynolds-number relationship for the circular cylinder in the range . Physics of Fluids, 10(7):1547, 1998.

Maas, H.-G., A. Grün, and D. Papantoniou. Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part I: Photogrammetric determination of particle coordinates. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 133-146, 1993.

Malik, N., T. Dracos, and D. Papantoniou Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part II: Particle tracking. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 279-294, 1993.

Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.

Monaghan, J. J., and J. B. Kajtar. Leonardo da Vinci's turbulent tank in two dimensions. European Journal of Mechanics-B/Fluids. 44:1-9, 2014.

Becker, H.A. Dimensionless parameters: theory and methodology. Wiley, 1976.

Tags

Flow Visualization Bluff Body Flow Patterns Vortex Shedding Separation Circular Cylinder Boundary Layer Wake Vortices Low Pressure Von Karman Vortex Street Reynolds Number

1. para producir una hoja continua de burbujas:

Configurar el equipo según el esquema eléctrico que se muestra en la figura 3.

Fijar el electrodo positivo en el agua en el extremo aguas abajo de la sección de prueba (ver figura 4 para la referencia).

Fijar el electrodo negativo aguas arriba y cerca del punto de interés para liberar las burbujas en la corriente antes de que el flujo llegue al objeto de estudio (ver figura 4 para la referencia). El agua completa el circuito entre los dos electrodos.

Gire en la facilidad de flujo

Ajuste el disco del controlador de frecuencia a posición 2. Esto establecerá un caudal de aproximadamente 9 x 10^-4 m3/s.

Encienda la fuente de alimentación y aumentar el voltaje hasta unos 25 V, la corriente se fijó alrededor 190 mA.

Establecer la forma de onda en el generador de señal a onda cuadrada (símbolo: ). Esto genera un 0 V - señal cuadrada de 5 V que activa el relé de estado sólido (cerrando el circuito) en la posición alta y lo abre en la posición baja

Para este caso en particular, la frecuencia de la onda cuadrada no es importante. Sólo tiene que ser distinto de cero.

Maximizar el DC offset (+ 5 V) en el generador de señal. Con esta configuración, el circuito siempre es cerrado y el sistema genera las burbujas continuamente.

Figura 3. Diagrama de conexiones.

Figura 4. Sección de prueba. Flujo va de izquierda a derecha. El electrodo negativo genera una capa de burbujas de hidrógeno que son arrastrados por la corriente. El electrodo positivo se encuentra en el extremo aguas abajo de la sección de prueba para evitar que sus disturbios. Por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. para producir líneas de tiempo:

Gire en la facilidad de flujo

Ajuste el disco del controlador de frecuencia a posición 2. Esto establecerá un caudal de aproximadamente 9 x 10^-4 m3/s.

Encienda la fuente de alimentación y aumentar el voltaje hasta unos 25 V, la corriente se fijó alrededor 190 mA.

Establecer la forma de onda en el generador de señal a onda cuadrada (símbolo: ). Esto genera un 0 V - señal cuadrada de 5 V que activa el relé de estado sólido (cerrando el circuito) en la posición alta y desactivará (abrir el circuito) en la posición baja

Establecer el desplazamiento DC en el generador de señal a + 1 V.

Ajustar la frecuencia de la onda cuadrada en el generador de señal de 10 Hz.

Establecer la simetría de la onda cuadrada ligeramente negativa (-2) para aumentar el espacio entre líneas de tiempo conservando la frecuencia correcta.

3. para utilizar líneas de flujo para el estudio de calle del vórtice de Von Kármàn:

Medir el diámetro de la varilla,, utilizando un calibrador. Utilice las unidades S.I. para esta medida (m).

Fijar una varilla cilíndrica aguas abajo del electrodo negativo.

Irradiemos la luz de la lámpara de descarga de alta intensidad en la capa de burbujas de hidrógeno. Asegúrese de que la luz no está directamente detrás de la línea de vista para evitar la sobresaturación del sistema de proyección de imagen

Alinear el sistema de visualización con la barra; de manera que sólo la extremidad circular es visible delante de la cámara.

Añadir una marca en la ventana de visualización y aguas abajo de la barra a utilizar como referencia para contar vortex-galpón ciclos por unidad de tiempo.

4. Análisis de datos para el flujo más allá de un cilindro circular:

Determinación del factor de conversión de unidades de la máquina a las unidades de espacio real:

Medir la anchura de la sombra de la varilla en la hoja de la burbuja (ver figura 2 para la referencia). Tomar la derecha de esta medida en la varilla para evitar la distorsión con la distancia. Este es el diámetro de la varilla en las unidades de la máquina, (puntos o píxeles, dependiendo del formato)

Utilice la siguiente ecuación para determinar el factor de conversión de unidades de la máquina a las unidades del mundo real:

Determinación de la velocidad de flujo:

Escoger un grupo de plazos sin distorsión aguas arriba del cuerpo del pen # asco.

Medir la distancia entre la primera y la última línea de tiempo en unidades de la máquina, (puntos o píxeles).

Contar el número de líneas de tiempo en el grupo, .

Tomar nota de la frecuencia de la señal de onda cuadrada como producidos por el generador de señal, .

Determinar la velocidad del flujo que se acerca de la siguiente ecuación:

Determinación del número de Reynolds:

Encontrar la viscosidad cinemática del fluido de trabajo (por ejemplo agua m2/s).

Calcular el número de Reynolds mediante la ecuación (1). Para ello, teniendo en cuenta el diámetro de la varilla () medido en el paso 3.1, la velocidad que se aproxima () determinada con la ecuación (5) y la viscosidad cinemática determinada en el paso 4.3.1

Determinación del número de Strouhal: los vórtices en la estela de la varilla están moviendo a una velocidad diferente como los plazos en la corriente libre. Por lo tanto, la frecuencia del vertimiento del vórtice debe estimarse independientemente.

Definir una referencia fija aguas abajo de la barra. Esta referencia podría ser un hilo fino conectado al exterior del túnel o una línea digital a un video del proceso de flujo.

Contar el número de ciclos, del vertimiento de vórtice , cruzar la referencia durante un período definido de tiempo . Un vórtice vertimiento ciclo se ilustra en la figura 2(A).

Calcular la frecuencia de desprendimiento de la siguiente ecuación:

Utilizar los resultados de las ecuaciones (5) y (6) en la ecuación (2) para calcular el número de Strouhal.

Saltar a...

0:07

Overview

0:55

Principles of Flow Separation

4:21

Producing Bubbles and Timelines in the Flow Facility

5:57

Setting up the Bluff Body

6:41

Studying and Analyzing the Von Karman Vortex Street

8:02

Representative Results

9:07

Applications

10:07

Summary

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