אנמומטריית טמפרטורה קבועה: כלי לחקר זרימת שכבת גבול סוערת

Overview

מקור: שיאופנג ליו, חוזה רוברטו מורטו, וג'יימי דוראדו, המחלקה להנדסת אוירונוטיקה וחלל, אוניברסיטת סן דייגו, סן דייגו, קליפורניה

שכבת גבול היא אזור זרימה דק הסמוך לפני השטח של גוף מוצק השקוע בשדה זרימה. באזור זה, השפעות צמיגות, כגון מתח הגיזה הצמיג, שולטות, ואת הזרימה היא מפגרת בשל ההשפעה של חיכוך בין הנוזל ואת פני השטח מוצק. מחוץ לשכבת הגבול, הזרימה אינה ברורה, כלומר אין השפעות מפזרות עקב חיכוך, מוליך תרמי או דיפוזיה המונית.

תפיסת שכבת הגבול הוצגה על ידי לודוויג פראנדל בשנת 1904, המאפשרת פישוט משמעותי למשוואת Navier-Stokes (NS) לטיפול בזרימה על פני גוף מוצק. בתוך שכבת הגבול, משוואת NS מצטמצמת למשוואת שכבת הגבול, בעוד שמחוץ לשכבת הגבול, ניתן לתאר את הזרימה על-ידי משוואת אוילר, שהיא גירסה פשוטה יותר של משוואת NS.

איור 1. פיתוח שכבת גבול מעל צלחת שטוחה.

המארז הפשוט ביותר להתפתחות שכבת גבול מתרחש על צלחת שטוחה בזווית אפס של שכיחות. כאשר בוחנים את התפתחות שכבת הגבול על לוח שטוח, המהירות מחוץ לשכבת הגבול היא קבועה כך ששיפוע הלחץ לאורך הקיר נחשב לאפס.

שכבת הגבול, המתפתחת באופן טבעי על משטח גוף מוצק, עוברת בדרך כלל את השלבים הבאים: ראשית, מצב שכבת הגבול למינארי; שנית, מצב המעבר, ושלישית, מצב שכבת הגבול הסוער. לכל מדינה יש חוקים משלה המתארים את מבנה הזרימה של שכבת הגבול.

המחקר על הפיתוח והמבנה של שכבת הגבולות הוא בעל חשיבות רבה הן ללימוד תיאורטי והן ליישומים מעשיים. לדוגמה, תורת שכבת הגבולות היא הבסיס לחישוב גרירת חיכוך העור על ספינות, מטוסים ולהבי טורבו-מכונות. גרירת חיכוך העור נוצרת על פני הגוף בתוך שכבת הגבול והיא נובעת מלחץ הגיזה הצמיג המופעל על פני השטח באמצעות חלקיקי נוזלים במגע ישיר איתו. חיכוך העור פרופורציונלי לצמיגות הנוזלים ולשיפוע המהירות המקומי על פני השטח בכיוון הנורמלי של פני השטח. גרירת חיכוך העור קיימת על פני השטח כולו, ולכן היא הופכת להיות משמעותית על פני שטחים גדולים, כגון כנף מטוס. בנוסף, זרימת נוזלים סוערת יוצרת גרירת חיכוך עור רבה יותר. תנועת הנוזלים המקרו-סוערת משפרת את העברת המומנטום בתוך שכבת הגבול על ידי הבאת חלקיקי נוזלים עם תנופה גבוהה אל פני השטח.

הדגמה זו מתמקדת בשכבת הגבול הסוערת מעל צלחת שטוחה, שבה הזרימה אינה סדירה, כגון ערבוב או מערבולת, והתנודות מוחלפות על הזרימה הממוצעת. לפיכך, המהירות בכל נקודה בשכבת גבול סוערת היא פונקציה של זמן. בהדגמה זו, אנמומטריית חוט חם טמפרטורה קבועה, או CTA, ישמשו לעריכת סקר שכבות גבול. לאחר מכן, שיטת תרשים קלאוסר תשמש לחישוב מקדם חיכוך העור בשכבת גבול סוערת.

Procedure

1. קביעת תגובה דינמית של מערכת חוט חם

מטרת הליך זה היא להבין כמה מהר מערכת האנומטר יכולה להגיב לשינויים אות זרימה. יכולת זו נמדדת על-ידי מדידת תגובת התדר כאשר האות נדלק ונכבה על-ידי החלת גל מרובע.

  1. אבטח את גשושית החוט החם של מערכת ה-CTA בתוך מנהרת רוח באמצעות פיר תמיכה.
  2. הגדר ספק כוח DC, מחולל אותות ואוסצילוסקופ וחבר אותם כפי שמוצג באיור 2(א). מחולל האותות מספק קלט גל מרובע לגשר וויטסטון, וצורת גל הפלט מוצגת באוססילוסקופ.
  3. הפעל את ספק הכוח של החוט הח

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Results

CTA היה מכויל בסעיף 2 של הפרוטוקול על ידי מדידת המתח של החוט החם במהירויות אוויר שונות. נתונים אלה שימשו לאחר מכן לקביעת הקשר המתמטי בין המשתנה הנמדד, המתח והמשתנה העקיף, מהירות האוויר. ישנן גישות רבות להתאמת הנתונים הניסיוניים ליחסים מתמטיים למהירות, שחלקם מכוסים בנספח. לא...

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Application and Summary

ההדגמה מראה כיצד להשתמש בחום טמפרטורה קבוע, כלי רב עוצמה המשמש לחקר זרימה סוערת על פני שטח, שבמקרה הספציפי הזה היה צלחת שטוחה. שיטה זו פשוטה ופחות יקרה משיטות אחרות, כגון PIV, PTV ו- LDV, והיא מספקת רזולוציה זמנית גבוהה. היישום של אנמומטריית חוט חם לשכבת גבול סוערת מספק גישה חסכונית וידיים כדי להד...

Log in or to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Tags

Skip to...

0:01

Concepts

3:05

CTA Dynamic Response Determination

4:44

CTA Calibration

6:07

Boundary Layer Survey

7:23

Results

Videos from this collection:

article

Now Playing

אנמומטריית טמפרטורה קבועה: כלי לחקר זרימת שכבת גבול סוערת

Aeronautical Engineering

7.1K Views

article

ביצועים אווירודינמיים של דגם מטוס: DC-6B

Aeronautical Engineering

8.0K Views

article

אפיון מדחף: שינויים ב-גובה, בקוטר ובמספר הלהב בביצועים

Aeronautical Engineering

25.9K Views

article

התנהגות חיל האוויר: התפלגות לחץ על כנף קלארק Y-14

Aeronautical Engineering

20.6K Views

article

ביצועי כנף קלארק Y-14: פריסה של התקנים בעלי הרמה גבוהה (מדפים ולוחות)

Aeronautical Engineering

13.0K Views

article

שיטת כדור מערבולת: הערכת איכות זרימת מנהרת הרוח

Aeronautical Engineering

8.6K Views

article

זרימה גלילית צולבת: מדידת התפלגות לחץ והערכת מקדמי גרירה

Aeronautical Engineering

15.9K Views

article

ניתוח זרבובית: וריאציות במספר ה-Mach ובלחץ לאורך התכנסות וזרבובית מתפצלת

Aeronautical Engineering

37.5K Views

article

שלירן הדמיה: טכניקה לדמיין תכונות זרימה על קולית

Aeronautical Engineering

10.6K Views

article

הדמיה של זרימה במנהרת מים: התבוננות במערבולת המובילה מעל כנף דלתא

Aeronautical Engineering

7.6K Views

article

הדמיה של זרימת צבע פני השטח: שיטה איכותית להתבוננות בדפוסי סטריקלין בזרימה על-קולית

Aeronautical Engineering

4.8K Views

article

צינור פיטו-סטטי: מכשיר למדידת מהירות זרימת האוויר

Aeronautical Engineering

48.2K Views

article

מתמר לחץ: כיול באמצעות צינור פיטו-סטטי

Aeronautical Engineering

8.4K Views

article

בקרת טיסה בזמן אמת: כיול חיישנים משובצים ורכישת נתונים

Aeronautical Engineering

10.0K Views

article

אווירודינמיקה רב-תכליתית: אפיון דחף על הקסאקופטר

Aeronautical Engineering

9.0K Views

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved