FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 16. Vizualizace proudění OSNOVA 16. KAPITOLY Úvod do vizualizačních metod Rozdělení metod vizualizace proudění Zavádění částic do tekutiny Zavádění látek tvořících souvislá vlákna Indikátory směru proudu PIV metoda Pavelek a kol.: Internetová skripta
ÚVOD DO VIZUALIZAČNÍCH METOD Mezi vizualizační metody řadíme takové metody, které umožní zviditelnit neviditelné fyzikální úkazy, jako je proudění tekutin, teplotní pole v tekutinách či na povrchu objektů apod. Výhody vizualizačních metod Jsou názorné - poskytují kvalitativní informace (obrazy a videozáznamy) Jsou progresivní - informují o stavu objektu najednou Umožní hlubší poznání stavů a dějů (prostorové a časové souvislosti) Mívají zanedbatelné časové konstanty Vizualizační měřicí metody poskytnou Laboratoř větrání na FSI VUT i kvantitativní informace v Brně s PIV systémem Nevýhody vizualizačních metod Vyžadují často hluboké teoretické znalosti a praktické dovednosti Zpracování a vyhodnocení obrazů je náročné - vyžaduje počítač Kontaktní vizualizační metody mohou ovlivňovat výsledky měření Následný text uvádí zejména kontaktní metody vizualizace proudění. 2
METODY VIZUALIZACE PROUDĚNÍ SLEDOVÁNÍM OBTÉKANÝCH POVRCHŮ DĚLÍME NA: ROZDĚLENÍ METOD VIZUALIZACE PROUDĚNÍ METODY VIZUALIZACE PROUDĚNÍ ZAVÁDĚNÍM LÁTEK DO TEKUTINY DĚLÍME NA: METODY ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC Pro kapaliny Pro plyny METODY ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA ČI SOUVISLÉ OBLASTI Pro kapaliny Pro plyny Metody pro kapaliny Metody pro plyny Nejsou součástí přednášky Proudění v okolí leteckých profilů Zdroj: Řezníček 3
ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 1 Slouží pro vizualizaci proudění kapalin, plynů a dvoufázového proudění. Výsledkem vizualizace může být vyhodnocení tvarů trajektorií a rozložení vektorů rychlostí v tekutině. Metody zavádění částic do KAPALINY Je vhodné pro 2D proudění na skutečném zařízení (s průzory P 1 a P 2 ) nebo častěji na modelech. Metoda sledování částic na hladině KAPALINY (pro 2D modely) * Nádrž s vodou - hladina posypaná lycopodiem, nad nádrži je elektrický vozík s modelem, fotoaparátem či kamerou a osvětlením. * Vozík s vodou - hladina posypaná lycopodiem, ukotvený model M, fotoaparát F a osvětlení. 4
ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 2 Metody zavádění částic do PLYNŮ Je vhodné pro 2D proudění na skutečném zařízení (s průzory P 1 a P 2 ) nebo častěji na modelech. Vhodné objekty: Vzduchotechnická zařízení, prostory mikroklimatu aj. Vhodné částice: Bílé vločky teplem vysublimovaného metylaldehydu, balzové piliny, jiskry, lokální ohřevy plynů, niťové sondy Pro větší rychlosti proudění hliníkový prach LA laser, C válcová čočka (světelný nůž), K kamera, P 1, P 2 průzory Generátor héliových bublinek Pro malé rychlosti proudění vzduchu se v poslední době používají saponátové bublinky různých velikostí, které jsou plněné héliem. 5
ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 1 Slouží pro vizualizaci proudění kapalin a plynů. Výsledkem vizualizace může být vyhodnocení tvarů trajektorií a oblastí s laminárním či turbulentním prouděním (turbulence rozrušuje vlákna). Zviditelnění proudění kapalin Zviditelnění pomocí barviva - malachitová zeleň, methylenová a Bismarkova modř, fuchsin, indigo, inkoust, roztok manganistanu draselného, anilinové barvy (v alkoholu a ředěné vodou), tuš, petrolej obarvený na černo. Barviva se zavádějí trubičkami. Zviditelnění pomocí elektrolýzy Na elektrodě či elektrodách vznikají bublinky vytvářející vlákna, která někdy i chemicky reagují a zabarví se. Zviditelnění pomocí chemické reakce účinkem světla - projeví se změnou barvy roztoku (např. ve žlutozeleném roztoku se vytvoří modré pruhy, aniž se naruší proud trubičkami apod.). Zdroj: Badcock Glasgow 6
ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 2 Vizualizace směšováním různobarevných kapalin - sleduje se šíření barevných skvrn, nebo i změna barevných odstínů při promíchávání. EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ pro zavádění látek do kapalin - kanál, tunel či průhledné potrubí s osvětlením a záznamovým zařízením. Zviditelnění proudění plynů Vizualizace plamenem - Hořák ve tvaru trubky (i s řadou otvorů) musí mít dlouhá, tenká plamenná vlákna. Vizualizace kouřem či mlhou Kouř či mlha se přivádí * hřebenovou tryskou, * otvory na povrchu modelu, * nebo vzniká reakcí v prostoru. Kouřové tunely mají zařízení pro snížení turbulence a poměr zúžení konfuzoru je až 1:48. Jsou otevřené a pro malé rychlosti jsou svislé. 7
ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 3 Ukázky vizualizace proudění vzduchu pomocí kouře či mlhy Generátor mlhy Kouřový tunel na LÚ FSI pro Zavádění kouřových vláken do proudícího vzduchu Zavádění mlhy do celého proudu vzduchu z konvektoru 8
ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 4 Běžné odsávání kouře Zesílené odsávání kouře Částečný hydraulický zkrat Úplný hydraulický zkrat 9
ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 5 Vizualizace proudění pomocí kouře u sklářské linky na výrobu pivních lahví Cílem je navrhnout větrání pro snížení tepelné zátěže pracovníků, aniž dojde k narušení výroby Přirozené proudění Dolní vzduchová sprcha Horní vzduchová sprcha 10
VÝSTUP 11 ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 5 Příklad vyhodnocování hranic proudu v místech s malou intenzitou kouře - pomocí funkce skládání dvou obrazů a funkce interferogram. 2.5 m + TRANSFORMACE = OBRAZOVÉ INTENZITY 1 0 0 VSTUP 1
INDIKÁTORY SMĚRU PROUDU Slouží pro vizualizaci proudění vzduchu v provozu i v laboratoři. Výsledkem vizualizace je zjištění existence proudění, směru proudění, nebo oblastí s laminárním či turbulentním prouděním. Niťová sonda - tyčinka nebo drátěná mříž se soustavou nití (či jednou nití) s roztřepenými konci (nebo nití s připevněnými pírky, balsou apod.). Nitě se upevňují někdy i přímo na obtékané povrchy. Niťová sonda Sonda s plamenem - svíčka či hořák s delším plamenem. Sonda s párou nebo kouřem - uvolňují se z různých vyvíječů. 12
PIV METODA - 1 PIV metoda je pracuje na principu zavádění částic do tekutiny. Posloupnost obrazů proudící tekutiny s částicemi se zpracovává počítačem a vyhodnocují se vektory lokálních rychlostí tekutiny (částic) ve zvolené síti obrazových elementů. 2D PIV METODA - LA laser, C válcová čočka, Z zrcadlo, K kamera, M měřicí prostor, P,D procesor PIV a datový Generátory částic pro vzduch generátor heliových bublinek generátor mlhy pro zorné pole do 0,2 x 0,2 m 13
PIV METODA - 2 Vyhodnocování záznamů získaných PIV metodou Jedno měření představuje obvykle dva obrazové záznamy, získané krátkým osvětlením měřeného prostoru laserovým nožem. Počítač určí polohy částic ve všech obrazových elementech, a to v záběru I v čase t a v záběru II v čase t +Dt a vyhodnotí Dx a Dy v těchto elementech. Rychlosti se určí ze vztahů: w x Δx Δτ, w y Δy Δτ Pro vyhodnocení Dx a Dy je vhodná např. Fourierova transformace. Vyhodnocování se provádí obvykle dodaným komerčním software. 14
15 PIV METODA - 3 3D PIV stereoskopická metoda 2 kamery a laser (na vozíku) Aerodynamický tunel Volkswagen Ingolstadt Německo Vektorová mapa proudění v rovině za automobilem w = 0 až 40 m.s -1
PIV METODA - 4 2D PIV metoda VÝZKUM MÍCHÁNÍ - Zdroj: Dantec Kamera 30 Hz Částice 50 mm polyamid Vířič 1,5 Hz Mapa vektorů rychlosti Mapa vířivosti víru rychlosti (Vorticity) w w x y ω x y 16