Vysoké učení technické v Brně Fakulta strojního inženýrství Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí Experimentální metody I Podklady ke cvičení VIZUALIZACE PROUDĚNÍ S VÝSKYTEM COANDOVA JEVU Cvičení č. 1 úvod do problematiky Brno 2011
OBSAH Experimentální metody I i Obsah 2 Úvod 3 Cvičení č. 1 úvod do problematiky 4 Cíle práce... 4 Postup práce... 4 Zadání práce... 5 Použitá literatura... 5 Přílohy 6 Laboratoř větrání... 6 Experimentální trať... 6 Měřící metody... 7 Vizualizace niťovou metodu... 7 Vizualizace kouřovou metodu... 8 Měření fyzikálních parametrů proudu... 9 2
Úvod Tyto podklady byly připraveny pro předmět Experimentální metody I (2. ročník, II. Stupeň) a Technika prostředí (1. ročník, II. stupeň) v akreditovaném magisterském studijním programu Strojní inženýrství, v magisterských studijních oborech Technika prostředí (M2308), Fluidní inženýrství (M2366) a Energetické inženýrství (M2365). Přesně dle experimentální úlohy jsou pro studenty Počítačové modelování I připraveny CFD modely, na kterých si vyzkouší simulaci chování přístěnného proudu pomocí CFD (numerický nástroj pro řešení proudění). Studenti tak mají příležitost porovnat a analyzovat výsledky experimentálního měření s výsledky numerického výpočtu na totožném modelu, tak, jak je to v dnešní praxi běžné. Zde získané poznatky studenti využijí v předmětech Technika prostředí a Větrání a klimatizace I, II a pomohou jim lépe pochopit zákonitosti platící pro proudění tekutin a lépe si tak budou moci uvědomit charakter proudění v místnosti, což je důležité např. při návrhu větracího nebo klimatizačního zařízení, ale i v jiných technických aplikacích. Téma je rozděleno do dvou navazujících cvičení: v 1. cvičení se studenti seznamují s teorií, vážící se ke vzniku Coandova jevu, seznámí se s laboratoří větrání, a s měřícími přístroji a vizualizačními technikami. Dále jim je podrobně vysvětlena práce s experimentální tratí. ve 2. cvičení studenti samostatně provedou vizualizaci proudění, vyhodnotí obrazový záznam experimentu a provedou analýzu vlivu několika parametrů na odklon proudu. Své výsledky využijí jako okrajové podmínky pro CFD simulaci. Výsledkem by tak mělo být ověřeni chování přístěnného proudu a podmínky vzniku Coandova jevu. Další informace a podklady související s Coandovým jevem jsou umístěny na internetových stránkách http://ottp.fme.vutbr.cz/vyzkum/coanda/. 3
Cvičení č. 1 úvod do problematiky Cíle práce Seznámit se se zásadami experimentální práce v laboratoři větrání Osvojit si práci s přístroji používanými v laboratoři větrání pro měření základních veličin proudění a naučit se vyhodnocovat naměřená data pomocí počítače Prohloubit si poznatky o proudění tekutin a experimentálně ověřit specifický případ přístěnného proudění vzduchu s výskytem Coandova jevu Prakticky se seznámit s různými vizualizačními technikami Postup práce Bezpečnost práce o Vyučující seznámí studenty se zásadami bezpečnosti práce v laboratoři (práce s elektrickými přístroji, požární bezpečnost, bezpečnost při manipulaci s vybavením laboratoře: sondami, apod.). Bude proveden zápis s podpisy všech zúčastněných. Po ukončení vizualizace kouřovou metodou je nutnost laboratoř řádně odvětrat. Seznámení se s laboratoří a s jejím vybavením o Viz Příloha a lit. [1, 2], popis větracího systému laboratoře a jeho ovládání, parametry laboratoře a možnosti jejího využití. Shrnutí poznatků o chování přístěnného proudu o Studenti by sami měli shrnout své poznatky ze samostudia doporučených podkladů ke cvičení [6]. Popis experimentální trati o Viz Příloha a lit. [5]. Provede vyučující v interakci se studenty. Zaměřte se na výklad funkcí jednotlivých částí a možnosti variability tratě. o Proveďte diskusi k uspořádání tratě a ujistěte se, že vyhovují plánovanému experimentu Vyvarujte se parazitním vlivům: ovlivnění proudění okolními předměty, teplotou vzduchu, špatně nastavenými okrajovými podmínkami (rychlost přiváděného vzduchu, apod.). Popis použitých vizualizačních metod a měřící techniky o Viz Příloha a lit. [3, 4]. Seznamte se s kouřovou a niťovou metodou vizualizace proudění. Seznamte se s generátorem kouře JEM ZR-12AL, naučte se používat další potřebné vybavení (program v LabView, přístroj Testo 435 s kombinovanou sondou). Vysvětlete funkci snímačů s ohledem na úroveň vašich vědomostí. Provedení ukázkového experimentu o Proveďte experimenty podle zadání. Ukončení cvičení o Shrnutí úspešnosti provedených experimentů, diskuse získaných poznatků o Úklid laboratoře, uvedení techniky do vypnutého stavu 4
Zadání práce Proveďte vizualizaci přístěnného proudění vzduchu pomocí niťové a kouřové metody. Ověřte správnou funkci všech částí zkušební tratě Proveďte zapojení snímačů a ověření jejich činnosti Pomocí niťové metody, pro dvě zvolené rychlosti proudění vzduchu, nalezněte rozmezí úhlu nastavení desky, při němž lze zřetelně pozorovat změnu v charakteru přisávání proudu k polohovatelné desce úplné přilnutí proudu ke stěně a volný proud neovlivněný stěnou. Pro dvě zvolené rychlosti proudění přiváděného vzduchu proveďte vizualizaci pomocí kouřové metody s fotografickým záznamem. Zaměřte se na kvalitu snímků, věnujte dostatečný čas optimálnímu nastavení fotoaparátu. Domácí úkol Proveďte vyhodnocení záznamu a určete okraje proudu a odklon osy proudu vůči ose vyústky. Diskutujte použité uspořádání snímačů ve zkušební trati. Jaké další poznatky o proudění by bylo možné získat? Navrhněte případné lepší umístění snímačů. Popište na základě vizualizace charakter proudění ve sledovaných případech. Použitá literatura [ 1 ] Bystřická A., Janotková E. Měření teplotních a rychlostních polí za velkoplošnou vyústkou, XXVI. Setkání kateder mechaniky tekutin a termomechaniky, Herbertov 2007. [ 2 ] Košner, J.; Pavelek, M. Zkušební místnost pro výzkum proudění při větrání v průmyslových objektech. In 20. Mezinárodní konference pracovníků kateder a ústavů vyučujících mechaniku tekutin a termomechaniku, Kouty nad Desnou. Ostrava, Vysoká škola báňská - Technická universita Ostrava. 2001. p. 107-110. ISBN 80-7078-910-7. [ 3 ] Košner, J.; Pavelek, M. Výzkum vzduchotechnických vyústek s využitím vizualizace pomocí mlhy. In Aplikácia experimentálnych a numerických metód v mechanike tekutín, Nezařazené články. Žilina, Žilinská univerzita v Žilině. 2002. p. 90-95. ISBN 80-7100-955-5. [ 4 ] Košner, J.; Pavelek, M. Výzkum větrání v průmyslových objektech s využitím vizualizačních metod. In Konference klimatizace a větrání 2002. Praha, Společnost pro techniku prostředí. 2002. p. 103-106. ISBN 80-02-01477-4. [ 5 ] Vach, T., Lízal, F., Jedelský, J., Elcner, J., Klimeš, J., Růžička, P., Jícha, J., Experimentální ověřování Coandova efektu, Žilina 2009.1 [ 6 ] Výukové podklady k problematice Coandova jevu [online]. 2011-01-10 [cit. 2011-01- 11]. Dostupný z WWW: <http://ottp.fme.vutbr.cz/vyzkum/coanda/>. 5
Přílohy Laboratoř větrání Laboratoř větrání byla navržena pro experimentální práce v oboru Technika prostředí, a to jak pro účely výuky tak i pro výzkumné a vývojové práce, které probíhají na Odboru termomechanika a technika prostředí. Její velikost umožňuje provádění rozsáhlých experimentů s využitím různých vizualizačních metod studia proudění i optických metod pro měření proudových polí. [2] Laboratoř je vybavena systémem větrání (obr. 1), který je využit pro nasávání vzduchu do přívodních potrubí. "Přívodní část vzduchotechnického zařízení laboratoře je vybavena výparníkem chladicího zařízení mezistropní klimatizační jednotky, který zajišťuje chlazení vzduchu přiváděného do laboratoře. Pro regulaci teploty vzduchu je navržena směšovací komora s regulační klapkou, umístěná mezi výparníkem chladicího zařízení a ventilátorem. K usnadnění regulace teploty slouží dálkové ovládání regulační klapky ve směšovací komoře" *1+. Důležitou součástí vzduchotechnického zařízení je Wilsonova mříž tj. tlaková sonda určená k měření rychlosti proudění. Údaj o dynamickém tlaku proudícího vzduchu získaný z mříže je po korekcích v modulu MaR (měření a regulace) převáděn na hodnotu objemového toku vzduchu v přívodním potrubí. Data (přetlak, dynamický tlak, teplotu, objemový tok, hmotnostní tok, barometrický tlak) je možné zaznamenávat a použít pro následné vyhodnocení statistik experimentu. Uživatel má možnost regulovat rychlost proudění od 2 do 15 m/s, což v závislosti na okolních podmínkách (teplota vzduchu, barometrický tlak) odpovídá přibližně objemovému průtoku od 20 dm 3 /s až do 150 dm 3 /s. Svislé přívodní potrubí, flexibilní přechod i přívodní plochý kanál byly navrženy s ohledem na optimalizaci tlakových ztrát. Obr. 1: Schéma větrání laboratoře a umístění experimentální trati v laboratoři Experimentální trať Experimentální trať je umístěna v laboratoři větrání a připojena k přívodu vzduchu. Trať se skládá z přívodního potrubí zakončeného výustkou a z polohovatelné desky, obr. 2. Koncová výustka je navržena tak, aby bylo možné měnit volný průřez obdélníkového profilu i tvar přechodu mezi 6
výustkou a polohovatelnou deskou. Přechod může být tvořen jak ostrou tak i zaoblenou hranou s různým poloměrem zaoblení, což má podstatný vliv na vznik Coandova jevu. Polohovatelnou desku je možné sklápět pod rozdílnými úhly a také měnit její vzdálenost od výstupního otvoru. Pro usnadnění práce studentů při nastavování sklonu polohovatelné desky jsou na rámu standu vyznačeny hodnoty úhlu. Obr. 2: Popis experimentálního zařízení: 1 polohovatelná vertikální deska, 2 niťová sonda na vizualizaci přilnutí proudu ke stěně, 3 výustka s niťovou sondou, 4 měřící přístroj Testo 435 s kombinovanou sondou, 5 přívodní potrubí, 6 přívodní kanál zakončený výustkou, 7 rám a polohovací zařízení svislé desky. Měřící metody Vizualizace niťovou metodu Niťová metoda je velice názorná a technicky nenáročná metoda pro vizualizaci směru proudu. Niťovou sondu tvoří tři tenké, přiměřeně dlouhé a lehké nitě, jejíž volný konec je unášen proudem a kopíruje tak směr proudění, viz obr. 3. Odklonem osy proudu od normály průřezu výstupní výustky lze charakterizovat míru vlivu přilehlé stěny, která ovlivňuje tlakové pole v oblasti za výustkou. Při vhodných podmínkách (dostatečné rychlosti proudu, a sklonu polohovatelné desky dochází k přilnutí proudu k této desce tj. dochází ke Coandovu jevu. Vizualizace přilnutí proudu ke stěně je provedena pomocí za sebou seřazených 1-niťových sond, přilepených k desce stolu. Velice jednoduše si studenti mohou ověřit přilnutí proudu ke stěně, přiložením vlastní ruky k povrchu polohovatelné desky, neboť rychlosti proudu jsou citelné. 7
Obr. 3: Vizualizace niťovou metodou. Vlevo bez přilnutí proudu. Vpravo s přilnutým v důsledku Coandova jevu. proudem Vizualizace kouřovou metodu Kouřová metoda umožňuje získat informace o tvaru a směru proudění vzduchu za přívodní vyústkou, viz obr. 4. Kouř se vyvíjí v generátoru kouře JEM ZR-12AL s max. množstvím kouře až 3,3 m3/s. Záznam obrazu se provádí digitálním fotoaparátem Canon 300D. K dispozici je externí blesk, objektiv Canon EF 17-40 mm f/4 L USM, makroobjektiv Canon EF 100mm f/2.8 Macro USM. Obr. 4: Vizualizace kouřovou metodou a vyhodnocení polohy osy proudu. Vlevo při menším sklonu desky nedochází ke Coandovu jevu, vpravo je sklon desky větší a Coandův jev lze pozorovat. 8
Měření fyzikálních parametrů proudu Použité vybavení Multifunkční přístroj Testo 435-4 s převodníkem tlakové diference a sondami 0635 1535 (teplota/ vlhkost/ rychlost proudění s teleskopem) a 0635 1025 (teplota/rychlost proudění termická s teleskopem) Univerzální měřicí přístroj Comet D4141, kterým se měří atmosférický tlak a vlhkost vzduchu Odporové snímače teploty RTD-2-F3102-3M-T a RTD-2-1PT100K2515-3M-T Kompaktní měřící systém NI cdaq-9172 s moduly NI 9215 a NI 9217 pro měření elektrických a neelektrických veličin. Základní parametry proudu jsou měřeny pomocí univerzálního přístroje Testo 435 s kombinovanými sondami pro měření rychlosti a intenzity turbulence proudu, relativní vlhkosti, teploty rosného bodu a teploty vzduchu. Je vybavená žhaveným drátkem, termočlánkem a čidlem na měření vlhkosti. Kombinovaná sonda umožňuje komplexní a přesné měření, snadnou manipulaci a malých rozměry čidla minimálně ovlivňují charakter proudění za přívodní vyústkou. Přístroj také umožňuje měření tlakové diference na přívodním potrubí a vyústce. Pro měření provozních podmínek a průtokových charakteristik je použit kompaktní měřící systém NI cdaq-9172 s vloženými moduly. Pro měření, vizualizaci a ukládání dat byla vytvořena ovládací panel v prostředí LabVIEW. K modulům jsou připojeny teplotní a tlakové snímače a průtokoměry. 9