Metodo della sfera di turbolenza: valutazione della qualità del flusso nella galleria del vento

Fonte: Jose Roberto Moreto e Xiaofeng Liu, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, San Diego State University, San Diego, CA

I test in galleria del vento sono utili nella progettazione di veicoli e strutture che sono sottoposti a flusso d'aria durante il loro utilizzo. I dati della galleria del vento vengono generati applicando un flusso d'aria controllato a un modello dell'oggetto studiato. Il modello di test di solito ha una geometria simile ma è una scala più piccola rispetto all'oggetto a grandezza naturale. Per garantire che vengano raccolti dati accurati e utili durante i test in galleria del vento a bassa velocità, deve esserci una somiglianza dinamica del numero di Reynolds tra il campo di flusso del tunnel sul modello di prova e il campo di flusso effettivo sull'oggetto a grandezza naturale.

In questa dimostrazione verrà analizzato il flusso della galleria del vento su una sfera liscia con caratteristiche di flusso ben definite. Poiché la sfera ha caratteristiche di flusso ben definite, è possibile determinare il fattore di turbolenza per la galleria del vento, che correla il numero di Reynolds effettivo al numero di Reynolds di prova, così come l'intensità di turbolenza a flusso libero della galleria del vento.

Per mantenere la somiglianza dinamica nei flussi a bassa velocità, il numero di Reynolds di un esperimento deve essere lo stesso del numero di Reynolds del fenomeno di flusso studiato. Tuttavia, esperimenti eseguiti in diverse gallerie del vento e in aria libera, anche allo stesso numero di Reynolds, potrebbero fornire risultati diversi. Queste differenze possono essere attribuite all'effetto della turbolenza a flusso libero all'interno della sezione di prova della galleria del vento, che potrebbe essere percepita come un "numero di Reynolds efficace" più elevato per il test in galleria del vento [1].

Un metodo semplice che viene utilizzato per ottenere il numero di Reynolds effettivo per una galleria del vento e stimare la sua intensità di turbolenza è l'uso della sfera di turbolenza. Questo metodo ottiene una misura indiretta dell'intensità di turbolenza determinando il fattore di turbolenza della galleria del vento. Il fattore di turbolenza, TF, correla il numero di Reynolds effettivo, R_eff, con il numero di Reynolds del tunnel, Re_test, come

L'intensità della turbolenza può essere misurata direttamente mediante un'anemometria hotwire, una velocimetria laser Doppler o un'indagine sul campo di flusso di particle Image Velocimetry. Prima dell'introduzione di questi metodi di misurazione diretta, una sfera di turbolenza era il modo principale per misurare la turbolenza relativa di una galleria del vento. Poiché i metodi diretti sono solitamente dispendiosi in termini di tempo e costosi, il metodo convenzionale della sfera di turbolenza rimane ancora un'alternativa rapida ed economica per misurare la qualità del flusso d'aria.

Il metodo della sfera di turbolenza si basa su due risultati empirici: la crisi di trascinamento della sfera e la forte correlazione tra il numero critico di Reynolds, Re_c, e l'intensità della turbolenza del flusso. La crisi di trascinamento si riferisce al fenomeno che il coefficiente di trascinamento della sfera, C_d, improvvisamente cade a causa dello spostamento all'indietro del punto di separazione del flusso. Quando il flusso raggiunge il numero critico di Reynolds, la transizione dello strato limite dal flusso laminare al flusso turbolento avviene molto vicino al bordo anteriore della sfera. Questa transizione precoce provoca una separazione ritardata del flusso perché lo strato limite turbolento è meglio in grado di negoziare un gradiente di pressione avverso per una distanza più lunga ed è quindi meno incline alla separazione rispetto allo strato limite laminare. La separazione ritardata favorisce un migliore recupero della pressione, che riduce le dimensioni della scia e la resistenza alla pressione e diminuisce significativamente la resistenza complessiva.

Le sfere di turbolenza utilizzate in questa dimostrazione hanno un rubinetto di pressione sul bordo d'ingresso e quattro rubinetti di pressione in punti situati a 22,5 ° dal bordo d'uscita. Saranno studiate tre sfere con diametri rispettivamente di 4,0, 4,987 e 6,0 pollici. Per una sfera liscia, il numero di Reynolds critico è ben definito e si verifica quando C_D = 0,3. Questo corrisponde ad un valore di ΔP/q = 1.220, dove ΔP è la differenza tra la pressione media misurata alle quattro porte di pressione posteriori e la pressione di ristagno sul bordo d'ingresso della sfera, e q è la pressione dinamica del flusso.

Mentre Re_c è ben definito da C_D e ΔP/q, dipende fortemente dalla turbolenza del flusso. Questa dimostrazione con sfere può essere utilizzata per definire il fattore di turbolenza. Le prime misurazioni di volo hanno rilevato che nell'atmosfera libera, Re_c = 3,85 x 10⁵ per una sfera liscia. Il Reynolds critico per l'aria libera è correlato alla turbolenza della galleria del vento dalla seguente equazione:

1. Preparazione della sfera di turbolenza nella galleria del vento

1. Collegare il tubo di Pitot della galleria del vento alla porta #1 sullo scanner a pressione e collegare la porta di pressione statica alla porta #2 sullo scanner a pressione.
2. Blocca l'equilibrio esterno.
3. Fissare il montante della sfera al supporto della bilancia all'interno della galleria del vento.
4. Installare la sfera con 6 di diametro.
5. Collegare il rubinetto di pressione all'avanguardia alla porta #3 sullo scanner a pressione e collegare i quattro rubinetti di pressione di poppa alla porta #4 sullo scanner a pressione.
6. Collegare la linea di alimentazione dell'aria al regolatore di pressione e impostare la pressione su 65 psi.
7. Collegare il collettore dello scanner di pressione alla linea di pressione.
8. Avviare il sistema di acquisizione dati e lo scanner a pressione. Assicurati di accenderli almeno 20 minuti prima del test.
9. Stimare la pressione dinamica massima in base al numero di Reynolds critico dell'aria libera per una sfera liscia: . Vedere le tabelle 1 e 2 per i parametri di prova consigliati.
10. Definire l'intervallo di prova della pressione dinamica da 0 a q_max e definire i punti di prova dividendo l'intervallo in 15 intervalli.

Tabella 1. Parametri per il primo test.

Tabella 2. Parametri per il secondo test.

2. Conduzione della stabilizzazione e della misurazione della scansione della pressione

1. Leggere la pressione barometrica e la temperatura ambiente e registrare i valori.
2. Applicare le correzioni alla pressione barometrica utilizzando le equazioni fornite dal produttore del manometro.
3. Impostare il software di acquisizione dati e collegarlo allo scanner a pressione, impostando l'indirizzo IP corretto.
4. Inserire i seguenti comandi premendo invio dopo ogni comando.
   >calz
   >set chan1 0
   >set chan 1-1..1-4
   > fps 10
5. Controllare che la sezione di prova e la galleria del vento siano prive di detriti.
6. Chiudere le porte della sezione di prova.
7. Impostare la ghiera di velocità della galleria del vento su zero.
8. Accendere la galleria del vento e il sistema di raffreddamento della galleria del vento.
9. Con la velocità del vento a 0 mph, iniziare a registrare i dati, quindi inserire il seguente comando per scansionare la pressione:
   >scan
10. Registrare la temperatura dell'aria della galleria del vento.
11. Aumentare la velocità del vento fino alla pressione dinamica del punto di prova successivo, come definito al punto 1.10.
12. Attendere che la velocità dell'aria si stabilizzi, quindi ripetere i passaggi 2.9 - 2.11 fino all'esecuzione dell'ultimo punto di prova.
13. Ridurre lentamente la velocità dell'aria a zero.
14. Quando tutti i punti sono stati misurati, sostituire il 6 nella sfera con la sfera successiva seguendo i passaggi 1.2 - 1.5.
15. Ripetere i passaggi da 2,3 a 2,14 per ripetere gli esperimenti di stabilizzazione e scansione della pressione.
16. Attendere che la galleria del vento si raffreddi dopo l'esecuzione del test per tutte e tre le sfere.
17. Spegnere la galleria del vento e il software di acquisizione dati.

Per ogni sfera sono state misurate la pressione di ristagno e la pressione alle porte di poppa. La differenza tra questi due valori dà la differenza di pressione, ΔP. Sono state misurate anche la pressione totale, P_t, e la pressione statica, P_s, della sezione di prova, che vengono utilizzate per determinare la pressione dinamica di prova, q = P_t - P_s, e la pressione normalizzata . La pressione dell'aria ambiente, P_ambe la temperatura del flusso d'aria sono state registrate anche per calcolare le proprietà del flusso d'aria, tra cui la densità dell'aria, il _testρe la viscosità, μ_test. La densità è ottenuta usando la legge del gas ideale e la viscosità è ottenuta usando la formula di Sutherland. Una volta determinata la densità e la viscosità dell'aria, è possibile calcolare il numero di Reynolds di prova.

Tracciando il numero di Reynolds di prova rispetto alla differenza di pressione normalizzata, è stato determinato il numero critico di Reynolds per ogni sfera (Figura 1). Il numero critico di Reynolds corrisponde a un valore di pressione normalizzato di = 1,220. Le tre curve per le tre sfere forniscono una stima più accurata del numero critico di Reynolds,_{il tunnel}Re C , perché viene utilizzato un valore medio. Con la stima del tunnel Re_C, il fattore di turbolenza, TFe il numero di Reynolds effettivo possono essere determinati secondo le seguenti equazioni:

e

Figura 1. Numero critico di Reynolds per ogni sfera.

Le sfere di turbolenza vengono utilizzate per determinare il fattore di turbolenza della galleria del vento e stimare l'intensità della turbolenza. Questo è un metodo molto utile per valutare la qualità del flusso di una galleria del vento perché è semplice ed efficiente. Questo metodo non misura direttamente la velocità dell'aria e le fluttuazioni di velocità, come l'anemometria hotwire o la velocimetria dell'immagine delle particelle, e non può fornire un'indagine completa della qualità del flusso della galleria del vento. Tuttavia, un sondaggio completo è estremamente ingombrante e costoso, quindi non è adatto per controlli periodici dell'intensità di turbolenza della galleria del vento.

Il fattore di turbolenza può essere controllato periodicamente, ad esempio dopo aver apportato piccole modifiche alla galleria del vento, per misurare la qualità del flusso. Questi controlli rapidi possono indicare la necessità di un'indagine completa sulla turbolenza del flusso. Altre informazioni importanti ottenute dal fattore di turbolenza sono il numero di Reynolds effettivo della galleria del vento. Questa correzione sul numero di Reynolds è importante per garantire la somiglianza dinamica e l'utilità dei dati ottenuti da modelli in scala e la loro applicazione a oggetti in scala reale.

Il principio della sfera di turbolenza può essere utilizzato anche per stimare il livello di turbolenza in altri ambienti oltre alla sezione di prova della galleria del vento. Ad esempio, questo metodo può essere utilizzato per misurare la turbolenza in volo. Una sonda di turbolenza può essere sviluppata sulla base dei principi della sfera di turbolenza e installata negli aeroplani per misurare i livelli di turbolenza nell'atmosfera in tempo reale [2].

Un'altra applicazione è lo studio delle strutture di flusso durante un uragano. Le misurazioni in situ del flusso all'interno di un uragano possono essere estremamente pericolose e complicate da ottenere. Metodi come l'anemometria hotwire e la velocimetria dell'immagine delle particelle sono irraggiungibili in queste condizioni. Il principio della sfera di turbolenza può essere utilizzato per realizzare un sistema di misurazione sacrificabile che può essere posizionato in una regione soggetta a uragani per misurare la turbolenza del flusso all'interno di un uragano in modo sicuro e a basso costo [3].

1. Barlow, Rae and Pope. Low speed wind tunnel testing, John Wiley & Sons, 1999.
2. Crawford T.L. and Dobosy R.J. Boundary-Layer Meteorol. 1992. 59; 257-78.
3. Eckman R.M., Dobosy R.J., Auble D.L., Strong T.W., and Crawford T.L. J. Atmos. Ocean. Technol. 2007; 24; 994-1007.