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Visualizzazione del flusso oltre un corpo Bluff

Panoramica

Fonte: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar e Mahmoud N. Abdullatif, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Michigan State University, East Lansing, MI

A causa della natura non lineare delle sue leggi di governo, il movimento fluido induce complicati schemi di flusso. Comprendere la natura di questi modelli è stato oggetto di un intenso esame per secoli. Sebbene i personal computer e i supercomputer siano ampiamente utilizzati per dedurre modelli di flusso dei fluidi, le loro capacità sono ancora insufficienti per determinare l'esatto comportamento del flusso per geometrie complesse o flussi altamente inerziali (ad esempio quando la quantità di moto domina sulla resistenza viscosa). Con questo in mente, sono state sviluppate una moltitudine di tecniche sperimentali per rendere evidenti i modelli di flusso che possono raggiungere regimi di flusso e geometrie inaccessibili agli strumenti teorici e computazionali.

Questa dimostrazione studierà il flusso di fluidi intorno a un corpo bluff. Un corpo bluff è un oggetto che, a causa della sua forma, provoca un flusso separato sulla maggior parte della sua superficie. Questo è in contrasto con un corpo aerodinamico, come un profilo alare, che è allineato nel flusso e causa una minore separazione del flusso. Lo scopo di questo studio è quello di utilizzare le bolle di idrogeno come metodo per visualizzare i modelli di flusso. Le bolle di idrogeno sono prodotte tramite elettrolisi utilizzando una fonte di alimentazione CC immergendo i suoi elettrodi nell'acqua. Le bolle di idrogeno si formano nell'elettrodo negativo, che deve essere un filo molto sottile per garantire che le bolle rimangano piccole e tracciano il movimento del fluido in modo più efficace. Questo metodo è adatto per flussi laminari costanti e instabili e si basa sulle linee di flusso di base che descrivono la natura del flusso intorno agli oggetti. [1-3]

Questo documento si concentra sulla descrizione dell'implementazione della tecnica, compresi i dettagli sull'apparecchiatura e la sua installazione. Quindi, la tecnica viene utilizzata per dimostrare l'uso di due delle linee di flusso di base per caratterizzare il flusso attorno a un cilindro circolare. Queste linee di flusso vengono utilizzate per stimare alcuni importanti parametri di flusso come la velocità del flusso e il numero di Reynolds e per determinare i modelli di flusso.

Procedura

1. Per produrre un foglio continuo di bolle:

  1. Impostare l'apparecchiatura in base allo schema elettrico mostrato nella Figura 3.
  2. Fissare l'elettrodo positivo nell'acqua all'estremità a valle della sezione di prova (vedere la Figura 4 per riferimento).
  3. Fissare l'elettrodo negativo a monte e vicino al punto di interesse per rilasciare le bolle nel flusso prima che il flusso raggiunga l'oggetto di studio (vedere la

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Risultati

La Figura 2 mostra due risultati rappresentativi della visualizzazione della bolla di idrogeno di una strada del vortice di Von Kármàn. La Figura 2(A) mostra un esempio di un campo di linee striata, come evidenziato da disturbi nel foglio di bolle di idrogeno. Questa immagine viene utilizzata per estrarre il diametro dell'asta nelle unità della macchina. La Figura 2(B) mostra un esempio di un camp...

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Riferimenti
  1. Zöllner, F. Leonardo da Vinci 1452-1519: sketches and drawings, Taschen, 2004.
  2. White, F. M. Fluid Mechanics, 7th ed., McGraw-Hill, 2009.
  3. Adrian, Ronald J., and Jerry Westerweel. Particle Image Velocimetry. Cambridge University Press, 2011.
  4. 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)
  5. 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)
  6. 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)
  7. 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.
  8. 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.
  9. 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.
  10. Tropea, C., A.L. Yarin, and J.F. Foss. Springer Handbook of Experimental Fluid Mechanics. Vol. 1. Springer Science & Business Media, 2007.
  11. 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.
  12. Becker, H.A. Dimensionless parameters: theory and methodology. Wiley, 1976.
Tags
Flow VisualizationBluff BodyFlow PatternsVortex SheddingSeparationCircular CylinderBoundary LayerWakeVorticesLow PressureVon Karman Vortex StreetReynolds Number

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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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