بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي آزمايشگاهي جريان هاي گردابه ١ در اطراف و پايين دست استوانه توسط دستگاه جريان سنج سيم داغ
چکيده
در يک تصوير کلي از جريان سيال اطراف استوانه ، جدايش لايه مرزي از روي سطح به عنـوان مهـم تـرين پديـده ي قابـل بررسي مطرح ميباشد. جدايش لايه مرزي باعث ايجاد جريان گردابي در اطراف و پائين دست آن ميشود. مطالعات نشـان مي دهد که رفتار اين گردابه ها به پارامترهاي هيدروليک يو هندسي در شکل عدد رينولدز جريان و ميزان اغتشاش جريـان بالادست وغيره بستگي دارد. در اين مقاله جريان اطراف يک مفتول سيمي با مقطع دايروي(به مثابه اسـتوانه ) بـا قطرهـاي مختلف بر اساس اندازه گيريهاي آزمايشگاهي در تونل باد مدار باز دمنده واقـع در سـازمان پژوهشـهاي علمـي و صـنعتي ايران وابسته به وزارت علوم تحقيقات و فناوري مورد بررسي قرار گرفتـه اسـت . تمـامي انـدازه گيـريهـا توسـط دسـتگاه جريان سنج سيم داغ صورت گرفته است . آزمايشات در محدوده جريان باعدد رينولدز ٣٠٠٠>Re>٢٠٠ و با مفتول هـايي بـه قطر٢٢>D>٠٦ ميليمتر انجام شده و نتايج مختلفي از قبيل پروفيل سرعت ، شدت اغتشاشات ، محل قرارگيري سنسـور بـراي اندازه گيري جريان معکوس ارائه شده است . نتايج اين آزمايشات نشان ميدهد کـه در محـدوده رينولـدز مطالعـاتي عـدد استروهال (Strouhal) ٠٢١>St>٠١٩ و ضريب نيروي پسـا(Drag) در محـدوده ١٢٦>CD>١٠٢ مـيباشـد. نتـايج ايـن مطالعه در بررسي جريان باد اطراف دودکش ها و ساختمان هايدايروي جهت ارزيابينيروهـاي وارده بـه آنهـا و همچنـين ارزيابي ارتعاشات سازه حائزاهميت مي باشد.
کليد واژه ها: استوانه ، گردابه ، جريان سنج سيم داغ ، عدد استروهال ضريب پسا
١- مقدمه
ارزيابي رفتار جريان اطراف اجسام از اهميت خاصي برخوردار است . براي بررسي آثار جريان سيال ، نحوه تأثيرآن بر محيطهاي واقعي و کنترل رفتار آن ، نياز به اندازه گيري کميتهاي جريان است . مولفه هاي سرعت جريان از جمله کميتهاي مهم تاثيرگذار بر ميدان مي باشند. بر اساس تعريف ، سرعت لحظه ايمطابق رابطه زير شامل مجموع ميانگين ونوسانات آن يا اغتشاشات سرعت قابل بيان مي باشد.
در اين تحقيق جريان اطراف يک مفتول سيمي به مثابه يک استوانه در شرايط هيدروليکي و هندسي متفاوت ، در آزمايشگاه مورد بررسي قرار گرفته است . اندازه گيري پارامترهاي هيدروليکي توسط دستگاه جريان سنج سيم داغ (Hot-Wire Anemometry) صورت گرفته که امکان اندازه گيري سرعت لحظه اي جريان سيال را با فرکانس بسيار بالا دارا مي باشد.با استفاده از سرعت لحظه اي اندازه گيري شده ، سرعت متوسط وميزان اغتشاش آن ، تنشهاي رينولدز، زاويه جريان در صورت استفاده از سيم داغ دوو يا سه بعدي )، دماي جريان ، جهت حرکت جريان و غيره قابل تعيين بوده و ميتوان پارامترهاي مهمي مانند عدد استروهال و نيز ضريب پسا را محاسبه نمود.[١]
٢- شرح آزمايشات و تجهيزات مورد استفاده
آزمايشها در تونل باد مدار باز دمنده مطابق شکل (١) در سازمان پژوهشهاي علميو صنعتي ايران انجام گرفته است .
شکل (١)نماي شماتيک تونل باد مدار باز دمنده مورد استفاده
براي اندازه گيري توزيع سرعت و يا تغييرات سرعت جريان سيال نسبت به مکان از يک مکانيزم انتقال دهنده استفاده با دقت بالا استفاده گرديده که قادر به قراردادن دستگاه اندازه گير در موقعيت خاص در فضا مي باشد. براي اندازه گيري فشار استاتيکي و فشار سکون جريان سيال از لوله پيتوت ومبدل الکترونيکي فشار بهره گرفته شد. دستگاه جريان سنج سيم داغ مدل دماي ثابت (Constant Temperature) با مدار الکترونيکي تطبيق دهنده سيگنال (Signal Conditioner)و سيستم برد (Data Acquisition) و نرم افزار مربوطه جهت اندازه گيري سرعت مورد استفاده قرار گرفت . حساسه سيم داغ يکي از اجزاي دستگاه جريان سنج سيم داغ است که شامل سنسور، پايه ها (Prongs)، بدنه ، کابل و اتصالات مربوطه ميباشد. در اين دستگاه برايآن که سيگنـال خروجي مـدار الکترونيـکي جريان سنج بدون مشـکل از طريـق سيستم برد DAQ به رايـانه ارسال و سيگنال هاي مجعول آن حذف و کاهش يابد، از تطبيق دهنده سيگنال استفاده گرديد. اطلاعات ارسال شده به رايانه داراي کميت ولتاژ بوده و لذا با استفاده از نرم افزار خاص ، داده هاي فوق به شکل اطلاعات رياضي پردازش و تبديل ميشوند.[٥]
شکل (٢ ) چگونگي نصب مفتول بر روي تونل باد
مفتولهاي بکاررفته در اين آزمايش داراي قطرهاي ٠.٦، ١.٠، ١.٥، ٢.٠ و٢.٢ ميليمترميباشند که در سرعت هاي مختلف ms٥ و ms١٠ و ms١٥ و ms٢٠ مورد آزمايش قرار گرفته اند. اين مفتول ها مطابق شکل (٢) بر روي نازل خروجي تونل باد نصب ميشوند.براي کاليبره نمودن سرعت سنج از لوله پيتوت استفاده شد. حساسه سرعت مطابق شکل در مقابل مفتول و جريان در موقعيت هاي مختلف x (پايين دست جريان ) و y (عمود بر جهت جريان ) با استفاده از مکانيزم انتقال دهنده قرار داده تا اندازه گيري سرعت صورت گيرد.
٣- بررسي و تجزيه تحليل نتايج
ناحيه دنباله در پائين دست استوانه هرچه بزرگتر وداراي شدت اغتشاشهاي کمتر باشد براي اندازه گيري جريان معکوس مناسب تر است . همچنين اگر فرکانس شدت اغتشاشها معلوم باشدميتوان در آن ناحيه کاليبراسيون جريان سنج سيم داغ را با روش گردابه هاي کارمن (Karman Vortex) انجام داد. بنابراين مفتول ها با قطرهاو سرعت هاي مختلف و در نتيجه اعداد رينولدزمختلف طبق جدول زير مورد آزمايش قرار گرفت .
همانطور که ملاحظه ميشود محدوده مورد آزمايش محدوده جريان لزج اسـت . نمودارهـاي آمـده در زيـر سـرعت متوسط اندازه گيري شده و شدت اغتشاش ها را در اطراف استوانه نمايش ميدهد. بررسي سرعت متوسط در بررسـي ميدان جريان اطراف سازه هاي دايروي نظير پايه پل هاو دودکش ها حائز اهميت است . [١] لذا افراد ديگري نيز سرعت متوسط اطراف استوانه را مورد بررسي قرار داده اند که نتايج آزمايشات صورت گرفته تشابه زيادي با آنها دارد.[٢]
شکل (٣) توزيع سرعت متوسط را به صورت بيبعد شده نسبت به سرعت جريان آزاد نشان ميدهد که xدر جهـت جريان و y در جهت عمود بر جريان است که هردو نسبت به d قطر استوانه بيبعد شده اند. شکل (٤) توزيـع کمتـرين سرعت را برحسب فاصله در سرعت هاي مختلف نشان ميدهد که براي بررسي جريان over flow از اهميت خاصي برخوردار است . به همين ترتيب شکل هاي (٥)تا (٩) نيز بررسي ميدان سرعت اطراف استوانه را نشان ميدهند
شدت اغتشاشها %Tu طبق تعريف مقدار انحراف معيار سرعت لحظه اي از سرعت متوسط بوده که با توجه به سرعت جريان آزاد بيبعدميشود و بصورت درصد بيان ميشود.[٣]
در صورتيکه شدت اغتشاشها بيشتر از حد خاصي باشد در اندازه گيري سرعت جريان هوا خطا خواهيم داشت .
همچنين اگر فرکانس اين اغتشاشها نيز بالا باشد نياز است که دستگاه جريان سنج سيم داغ در فرکانسهاي بالا کار کند که خود داراي مشکلاتي ميباشد. به همين علت ضروري است که شدت اغتشاشها در پايين دست مفتول مورد بررسي قرارگيرد. شکل هاي (١٠)تا (١٤) نيز بررسي شدت اغتشاشات را بر حسب فواصل طولي و عرضي پايين دست استوانه نشان ميدهند.
