EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 6. Měření rychlostí proudění

Transkript

1 FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 6. Měření rychlostí proudění OSNOVA 6. KAPITOLY Úvod do měření rychlosti proudění Mechanické anemometry Termoanemometry Ultrazvukové anemometry Dynamické rychlostní sondy Katateploměry Laserové anemometry Měření turbulencí TESTO Anemometry

2 ÚVOD DO MĚŘENÍ RYCHLOSTI PROUDĚNÍ Rychlost proudění se měří Mechanickými anemometry Termoanemometry Ultrazvukovými anemometry Dynamickými rychlostními sondami Katateploměry Laserovými anemometry apod. Měření rychlostních polí se provádí PIV systémy (Particle Image Velocimetry), viz později Vizualizačními metodami, viz později Turbulence lze vyhodnotit z měření rychlostí pomocí anemometrů s malými časovými konstantami Aerodynamický tunel pro kalibraci anemometrů Laboratoř proudění na LÚ FSI VUT v Brně

3 MECHANICKÉ ANEMOMETRY Lopatkové anemometry (pro = 0,1 až 0 m.s -1, = 80 až 00 mm, odklon úhlu proudu až ± 0, nejistota ± 1%, do proudu se vkládá ve směru šipky vyznačené na anemometru). Rychlost je úměrná otáčkám n měřeným elektricky (mechanicky) a b n a, b se určí kalibrací Mechanické anemometry Lopatkový Vrtulkový Miskový Vrtulkové anemometry (pro = 0,4 až 40 m.s -1, = 10 až 0 mm, odklon úhlu proudu až ± 0, vhodné pro měření lokálních rychlostí, nejistota ± 1%, do proudu se vkládá ve směru šipky vyznačené na anemometru). Miskové anemometry (pro = 1 až 50 m.s -1, pro meteorologická měření, nezávislé na směru větru, možné přidat kormidlo, snímání otáček načítáním pulzů po určitou dobu nebo pomocí tachodynama, nejistota měření ± 1%). 3

4 TERMOANEMOMETRY - 1 Termoanemometry - žárové anemometry Měří se intenzita ochlazování různých žhavených tělísek Rozsah rychlostí proudění = 0,01 až 100 m.s -1 (vhodné pro malé rychlosti) Senzory s malými tělísky umožní také měření intenzity turbulence Žhavený drátek (z Pt, Ni, W, o průměru 0,01 až 0,1 mm extrémně až,5 m, délky 1 až 10 mm, s časovou konstantou až 0,1 s, se vkládá kolmo na směr proudu) Dva různoběžné drátky (pro rozlišení směru proudění) Žhavené drátky Tělísko z termistoru firmy Dantec Žhavená fólie (pro vyšší rychlosti) Žhavená kulička ( až 6 mm, pro potlačení fluktuací, je mechanicky odolná a směrově nezávislá) Drátek Tělísko Kulička 4

5 TERMOANEMOMETRY - Princip měření termoanemometry - tepelný tok konvekcí z tělíska o teplotě t do okolí o teplotě t se rovná elektrickému příkonu a platí t t R I α S a [Wm - K -1 ] součinitel přestupu tepla S [m ] plocha povrchu tělíska R [Ω] elektrický odpor tělíska I [A] proud procházející tělískem Nevýhoda: Závislost na teplotě (tlaku) Způsoby měření termoanemometry a) Měření odporu jako funkce rychlosti R = f () při I = konst Udržuje se odporem R N Označuje se jako CCA b) Měření proudu jako funkce rychlosti I = f () při R = konst (též T = konst) Udržuje se odporem R N Označuje se jako CTA α f,t,t Nu Nu C Re α D λ,, λ,ν, Pr m Pr n Re D ν 5

6 ULTRAZVUKOVÉ ANEMOMETRY - 1 Ultrazvukové anemometry jsou založeny na měření rychlosti šíření ultrazvuku v proudu tekutiny Jsou běžně používány pro kapaliny, ale existují i čidla pro vzduch Rozsah rychlostí proudění vzduchu = 0,01 až 100 m.s -1 Jsou vhodné i pro měření intenzity turbulence (ve větších objektech) Senzory jsou větší a odolnější než senzory termoanemometrů ve formě drátků či tělísek Ultrazvukový anemometr pro vzduch firmy AIRFLOW 6

7 ULTRAZVUKOVÉ ANEMOMETRY - PRINCIP ultrazvukových anemometrů 1 L a L a L a [s] doba průchodu ultrazvuku Index 1 pro signál ve směru proudu Index pro signál proti směru proudu a [m.s -1 ] rychlost zvuku [m.s -1 ] rychlost tekutiny L Anemometr WindSonic Zdroj L 1 Přijímač Řídicí systém Anemometr Meteo-Sýkora 7

8 DYNAMICKÉ RYCHLOSTNÍ SONDY - 1 Základní typy dynamických rychlostních sond Pitotova trubice Prandtlova trubice Válcové sondy Kulové sondy Drápkové sondy a jiné Pitotova trubice Prandtlova trubice Prandtlova či Pitotova trubice slouží k odběru celkového tlaku p c, statického tlaku p s. Rychlost se pak počítá ze vztahu p d = p c - p s [Pa] r [kg.m -3 ] k [-] Dynamický tlak Hustota tekutiny Kalibrační konstanta Vztah platí asi do 1/3 rychlosti zvuku, při větších rychlostech je třeba uvažovat stlačitelnost. Vzduch lze měřit od 1 m.s -1. 8

9 DYNAMICKÉ RYCHLOSTNÍ SONDY - Válcová sonda je vhodná pro rovinné proudění. Směr proudění se zjistí otáčením sondy až do vyrovnání tlaků p 1 a p v bočních otvorech. Rychlost proudění se určí z dynamického tlaku daného rovnicí Válcová sonda p d p c k p u Kulová sonda Kulová sonda je vhodná pro prostorové proudění, má obvykle pět otvorů, měření vyžaduje zkušenost, vyhodnocování rychlosti a směru proudu se provádí pomocí nomogramů. Drápková sonda je obdobou kulové sondy, ale tlakové odběry jsou vytvořené vhodně tvarovanými trubičkami. 9

10 DYNAMICKÉ RYCHLOSTNÍ SONDY - 3 Měření malých rychlostí dynamickými rychlostními sondami se provádí: Diferenčními mikromanometry kapalinovými Diferenčními mikromanometry elektrickými membránovými Diferenční mikromanometr kapalinový v laboratořích EÚ FSI VUT v Brně Elektrické diferenční mikromanometry firmy Airflo 10

11 KATATEPLOMĚRY - 1 Katateploměry slouží pro měření malých rychlostí proudění vzduchu do 1 m.s -1 (nelze zjistit směr) Katateploměr dle Hilla je naplněn ethylalkoholem. Na kapiláře je dole mezijímka, nahoře je expanzní nádobka. Uprostřed mezi ryskami 35 C a 38 C je střední teplota lidského těla 36,5 C. Postup měření katateploměrem: Ohřát katateploměr vzduchem či vodou (osušit). Zavěsit jej do měřeného místa v prostoru. Změřit čas [s] poklesu teploty z 38 na 35 C. Změřit teplotu vzduchu t [ C] v daném místě. Teplo odvedené konvekcí a zářením z 1 m povrchu baňky při ochlazení z 38 na 35 C je kalibrační hodnota katateploměru Q [J.m - ] uvedena na přístroji. Q q τ α 36,5 t τ a 8, 58 16, 1 Hillův katateploměr 11

12 KATATEPLOMĚRY - Střední rychlost po dobu měření je pak dána vztahem Q 8,58 K 8,58 τ36,5 t 36,5 t 59,9 59,9 K = Q/ [W.m - ] je katahodnota (platí pro < 1 m.s -1 ) Omezení pro Hillův katateploměr: Teplota okolí t má být přibližně stejná, jako střední radiační teplota t R. Katateploměr pokovený vrstvou Al nebo Ag sníží záření asi na 1/3 a je proto vhodný pro mírně odlišné teploty t a t r. Pro rychlost ( < 1 m.s -1 ) pak platí K k 4,3 K 36,5 t k [W.m - ] je katahodnota pokoveného katateploměru 80, Dva katateploměry (skleněný a pokovený) jsou vhodné pro t t R. Rychlost se určí z nomogramů = f (DK, K, t), kde DK = K K k. t a také t R < 35 C Pokovený katateploměr 1

13 LASEROVÉ ANEMOMETRY - 1 Laserové anemometry Obvykle jde o LDA (Laser Doppler Anemometry) se dvěma paprsky Jiné laserové anemometry jsou např. laserové paralelní roviny aj. Rozsahy měření = 0,001 až 300 m.s -1, fluktuace 70 % do 100 khz Nutné částice (kontaktní metody), u kapalin někdy stačí i znečištění U kanálů nutné průzory Nezávislé na teplotě a tlaku, nemusí se kalibrovat Princip LDA Na částici A v klidu dopadá světlo o vlnové délce l o rychlostí c s frekvencí f 0 c λ 0 Laser Detektor Na částici v pohybu dopadá c p c p f f za 1 s počet vln 0 λ c 0 13

14 LASEROVÉ ANEMOMETRY - Částice A vysílá ve směru vektoru p* k detektoru za 1 s f vln, což odpovídá vlnové délce l λ c p * f Detektor pak registruje světlo o frekvenci f c λ Laser c c p * f Detektor c p c p * f 0 Frekvenční posunutí f - f 0 je malé Nutný monochromatický zdroj světla - laser Vyhodnocení z interference - záznějů při záznamu dvou vhodných světelných svazků 14

15 LASEROVÉ ANEMOMETRY - 3 Základní LDA systémy L LDA diferenční (interferenční) L F p 1 * r p A p* r L D LDA s referenčním svazkem r F je filtr A p 1 p 1 * p p * D p A p * D LDA se dvěma směry pozorování p 1*, p * 15

16 LASEROVÉ ANEMOMETRY - 4 Vznik interference v diferenčním systému LDA p 1 Fotografie z měření pomocí LDA 1D až 3D Spray 1D 1:1 A p a) b) 3D 1:5 Zrcátko D 1:1 Zdroj: Dantec Mercedes Benz 16

17 MĚŘENÍ TURBULENCÍ Intenzita turbulence při proudění se měří pomocí anemometrů s malými časovými konstantami, mezi které patří např. Termoanemometry s malými žhavenými tělísky Ultrazvukové anemometry Laserové anemometry PIV systémy, viz později. Definice intenzity turbulence Tu 1 i i n 1 [m.s -1 ] střední rychlost i [m.s -1 ] jednotlivé naměřené rychlosti n počet měření v daném bodě Tu je vlastně relativní nejistota měřené rychlosti (odmocnina je výběrová směrodatná odchylka) Uvedené rychlosti je třeba měřit např. při proudění v místnostech alespoň po dobu 3 min. 17