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항온 풍속 측정: 난류 경계층 흐름 연구 도구

Overview

출처: 샤오펑 리우, 호세 로베르토 모레토, 제이미 도라도 항공우주공학과, 샌디에이고 주립대학교, 샌디에이고, 캘리포니아

경계층은 유동장에 침지된 고체 바디의 표면에 바로 인접한 얇은 유동 영역입니다. 이 지역에서점성 전단 응력과 같은 점성 효과는 유체와 고체 표면 사이의 마찰의 영향으로 인해 유동이 지연됩니다. 경계 층 의 외부, 흐름은 비스타, 즉, 마찰, 열 전도 또는 질량 확산으로 인한 소멸 효과가 없다.

경계 층 개념은 1904 년 Ludwig Prandtl에 의해 도입되었으며, 이는 견고한 몸위에 흐르는 처리를위한 Navier-Stokes (NS) 방정식에 상당한 단순화를 가능하게합니다. 경계 층 내부의 NS 방정식은 경계 레이어 방정식으로 감소되고 경계 층 외부에서는 NS 방정식의 단순화된 버전인 오일러 방정식에 의해 흐름을 설명할 수 있다.

그림 1. 플랫 플레이트를 통해 경계 층 이 개발됩니다.

경계 층 개발을위한 가장 간단한 경우는 발생률이 0 각도로 플랫 플레이트에서 발생합니다. 플랫 플레이트의 경계 층 개발을 고려할 때 경계 층 외부의 속도는 일정하므로 벽을 따라 압력 그라데이션이 0으로 간주됩니다.

고체 체면에서 자연적으로 발생하는 경계 층은 일반적으로 다음 단계를 거칩니다: 첫째, 라미나르 경계 층 상태; 둘째, 전환 상태 및 세 번째, 난류 경계 층 상태. 각 주에는 경계 레이어의 흐름 구조를 설명하는 자체 법률이 있습니다.

경계 층의 개발 및 구조에 대한 연구는 이론적 연구와 실용적인 응용 분야에서 매우 중요합니다. 예를 들어, 경계 층 이론은 선박, 항공기 및 터보 머신의 블레이드에 피부 마찰 드래그를 계산하기위한 기초입니다. 피부 마찰 드래그는 경계 층 내의 신체 표면에 생성되며 직접 접촉하는 유체 입자를 통해 표면에 가해지는 점성 전단 응력 때문입니다. 피부 마찰은 표면의 유체 점도 및 국소 속도 그라데이션에 비례하여 표면 정상 방향으로 기울어집니다. 피부 마찰 드래그는 전체 표면에 존재하므로 비행기 날개와 같은 넓은 영역에 걸쳐 유의하게됩니다. 또한 난류 유체 흐름은 더 많은 피부 마찰 드래그를 생성합니다. 거시적 난류 유체 모션은 높은 운동량으로 유체 입자를 표면으로 끌어내려 경계 층 내의 운동 전달을 향상시킵니다.

이 데모는 혼합 또는 데딩과 같이 흐름이 불규칙하고 평균 흐름에 변동이 중첩되는 플랫 플레이트 위에 난류 경계 층에 중점을 둡니다. 따라서, 난류 경계 층의 어느 시점에서의 속도는 시간의 함수이다. 이 데모에서는 일정한 온도 핫 와이어 적임제 또는 CTA가 경계 층 조사를 수행하는 데 사용됩니다. 이어서, 절제차트 방법은 난류 경계층에서 피부 마찰 계수를 계산하는 데 사용될 것이다.

Procedure

1. 핫와이어 시스템 동적 응답 결정

이 절차의 목적은 방혈계 시스템이 유동 신호 변화에 얼마나 빨리 대응할 수 있는지 이해하는 것입니다. 이 기능은 사각 파를 적용하여 신호가 켜지고 끌 때 주파수 응답을 측정하여 측정합니다.

  1. 지지축을 사용하여 윈드터널 내부CTA 시스템의 핫 와이어 프로브를 보호합니다.
  2. DC 전원 공급 장치, 신호 발생기 및 진동기를 설정하고 그림 2(a)에 표시된 대로 연결합니다. 신호 발생기는 휘트스톤 브리지에 사각형 파동 입력을 공급하며 출력 파형은 오실로스코프에 시각화됩니다.
  3. 핫와이어 전원 공급 장치, 오실로스코프 및 신호 발생기를 켭니다.
  4. 150mV 진폭과 10kHz 주파수로 사각 파를 출력하기 위해 신호 발생기를 설정합니다.
  5. 오실로스코프의 출력 신호를 관찰하여 출력 파형태 주파수 및 진폭이 올바른지 확인합니다.
  6. 테스

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Results

CTA는 다른 공기 속도로 핫 와이어의 전압을 측정하여 프로토콜의 섹션 2에서 보정되었습니다. 이 데이터는 측정된 변수, 전압 및 간접 변수인 공기 속도 사이의 수학적 관계를 결정하는 데 사용되었습니다. 실험 데이터를 속도에 맞게 수학적 관계에 맞추는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그 중 일부는 부록에서 다룹니다. 수학적 관계가 결정되면 CTA를 추가 실험에서 전압?...

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Application and Summary

데모는 표면 위로 난류 흐름을 연구하는 데 사용되는 강력한 도구인 일정한 온도 무모법을 사용하는 방법을 보여 주며, 이 특정 경우 플랫 플레이트였습니다. 이 방법은 PIV, PTV 및 LDV와 같은 다른 방법보다 간단하고 저렴하며 높은 시간적 해상도를 제공합니다. 난류 경계 층에 핫 와이어 무모트리를 적용하면 난류 흐름의 동작을 입증하는 비용 효과적이고 실습 접근 방식을 제공합니다.

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Tags

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0:01

Concepts

3:05

CTA Dynamic Response Determination

4:44

CTA Calibration

6:07

Boundary Layer Survey

7:23

Results

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