EXPERIMENTÁLNÍ METODY II 7. Vizualizace proudění a PIV

FSI VUT v Brně, Energetický ústav Odbor termomechaniky a techniky prostředí prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. EXPERIMENTÁLNÍ METODY II 7. Vizualizace proudění a PIV OSNOVA 7. KAPITOLY Rozdělení metod vizualizace proudění Zavádění částic do tekutiny Zavádění látek tvořících souvislá vlákna Indikátory směru proudu Sledování upravených povrchů PIV metoda Přirozené látky v proudech Absorpce záření Výzkum sacích nástavců na EÚ FSI VUT v Brně

ROZDĚLENÍ METOD VIZUALIZACE PROUDĚNÍ - 1 VIZUALIZACE ZAVÁDĚNÍM LÁTEK - kontaktní metody Metody pro kapaliny Metody zavádění částic do kapaliny Metody zavádění látek tvořících souvislá vlákna nebo větší souvislé oblasti v kapalině Proudnice Zdroj barviva Částice Vlákno barviva Dráha částice PŘEKÁŽKA Metody pro plyny Metody zavádění částic do plynů Metody zavádění látek tvořících souvislá vlákna či větší souvislé oblasti v plynech Indikátory směru proudů pracující na různých principech 2

3,5 m ROZDĚLENÍ METOD VIZUALIZACE PROUDĚNÍ - 2 VIZUALIZACE SLEDOVÁNÍM UPRAVENÝCH POVRCHŮ - kontaktní Metody pro kapaliny, pro plyny - chemické, fyzikální, mechanické PIV METODA - efektivní metoda využívající zavádění částic a PC 2 m 8 m Vzduchovod 6 m Mlha Vzduchovod Testovací prostor 8 x 5 x 3,5 m Okno 4 x 3 m Vzduchovod Héliové bublinky Ventilátory Ventilátor Laboratoř větrání s průzorem 4 x 3 m pro aplikaci vizualizačních metod a PIV na OTTP EÚ FSI VUT v Brně VIZUALIZACE POMOCÍ PŘIROZENÝCH LÁTEK - bezkontaktní VIZUALIZACE PROUDĚNÍ POMOCÍ ABSORPCE ZÁŘENÍ - bezkontaktní 3

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 1 Tyto metody umožní vizualizaci proudění kapalin, plynů a dvoufázového proudění. Výsledkem vizualizace je vyhodnocení tvarů trajektorií a rozložení vektorů rychlostí v tekutině. Metody zavádění částic do KAPALINY Jsou vhodné pro 2D (3D) proudění ve skutečném zařízení s průzory nebo častěji pro proudění na modelech. LA laser, C válcová čočka, K kamera, P 1, P 2 průzory Obtékání profilu (polystyrén v H 2 O) Zdroj: Řezníček Obtékání válce (bublinky H 2 generované průběžně v H 2 O) Zdroj: Paisley University 4

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 2 Metoda sledování částic na hladině KAPALINY pro 2D modely * Vozík s vodou - hladina posypaná lycopodiem, ukotvený model M, fotoaparát F a osvětlení. * Nádrž s vodou - hladina posypaná lycopodiem, nad nádrži je elektrický vozík s modelem, fotoaparátem či kamerou a osvětlením. F fotoaparát, V vozík, M ukotvený model Proudění v komůrkách labyrintové ucpávky (lycopodium na hladině) Zdroj: Řezníček 5

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 3 Metody zavádění částic do PLYNŮ Jsou vhodné pro 2D (3D) proudění v prostoru, na skutečném zařízení (s průzory P 1 a P 2 ) či 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. 6

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 4 Příklady vizualizace 2D proudění pomocí sítě nití s vlákny usměrněnými proudem (zobrazují přibližně proudnice) Zviditelnění vírů v úplavu za osobním automobilem pomocí sítě nití Zdroj: Princeton University Vizualizace vírů v úplavu za skloněným delta - křídlem pomocí sítě nití Zdroj: Merzkirch 7

8 ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 5 Héliové bublinky 0,75 5 mm Bublinka ve světle laserového nože se projevuje dvojicí bodů Héliové bublinky 0,75 5 mm okolo modelů automobilů Delší expozice umožní zviditelnit trajektorie bublinek (zobrazují přibližně proudnice). Zdroj: TSI

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 6 Vizualizace izotermního proudu vzduchu ze štěrbinové vyústky do volného prostoru pomocí He-bublinek o průměru 0,75 až 5 mm Zdroj: Košner Vizualizace proudění vzduchu v čistém prostoru pomocí He-bublinek a obloukové lampy Zdroj:Sage Action, Inc. 9

ZAVÁDĚNÍ ČÁSTIC DO TEKUTINY - 7 Stroboskopické osvětlení zviditelnění např. proudění v rotujícím lopatkovém kole. Zmrazí otáčení lopatek, pohybují se jen částice. Zdroje pro stroboskopické osvětlení Lampy (osvětlí prostor) Lampy se štěrbinou (osvětlí rovinný výřez - slabé osvětlení) Pulzní lasery (světelné roviny, laserové nože - intenzivní osvětlení) Proudění v rotujícím lopatkovém kole Proud fluidního ostřikovače čelního skla automobilu osvětlený laserovými pulzy Zdroj: prof. Pochylý FSI VUT v Brně 10

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 1 Tyto metody 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 11

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. 12

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 13

14 ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 4 Ukázky vizualizace proudění vzduchu z vyústek firmy Klimatechnik v Německu pomocí kouře. Vizualizace je provedena v testovací komoře s černými matnými stěnami a nakresleným rastrem, který představuje měřítko. Zdroj: Klimatechnik Vyústka typu VLV 484 Vyústka typu QLA 386

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 5 Výzkum sacích nástavců na OTTP EÚ FSI VUT v Brně Funkční vzorek Odsávání běžným kruhovým nástavcem Odsávání zesíleným kruhovým nástavcem Zkoumají se běžné i zesílené sací nástavce pro odsávání škodlivin. Zesílené nástavce REEXS (Reenforced Exhaust System) mají kromě sacího otvoru, také otvory pro přívod vzduchu, což zvyšuje účinnost zachycení škodlivin. 15

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 6 Běžné odsávání kouře Zesílené odsávání kouře ŠTĚRBINOVÝ SACÍ NÁSTAVEC Částečný hydraulický zkrat Úplný hydraulický zkrat 16

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 7 Výzkum zaplavovacího větrání na OTTP EÚ FSI VUT v Brně Cílem je proměřit závislost vzdálenosti mezi velkoplošnou vyústkou zaplavovacího větrání a místem přilnutí chladného proudu vzduchu k podlaze, a to na teplotě a rychlosti přiváděného vzduchu. Vizualizace izotermního proudu vzduchu z komerčně dodávané velkoplošné vyústky Vizualizace neizotermního proudu vzduchu z velkoplošné vyústky pro zaplavovací větrání 17

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 8 Vizualizace proudění vzduchu 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 18

VÝSTUP 19 ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 9 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

20 ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 10 Příklad zviditelnění proudu vzduchu a vyhodnocování hranic proudu nad elektricky vyhřívaným konvektorem. Zviditelnění proudění vzduchu nad konvektorem pomocí kouře Zobrazení proudu vzduchu po aplikaci funkcí sčítání obrazů a interferogram

INDIKÁTORY SMĚRU PROUDU - 1 Tyto indikátory slouží pro vizualizaci proudění vzduchu v provozu i v laboratoři. Výsledkem je zjištění existence proudění, směru proudění, nebo oblastí s laminárním či turbulentním prouděním. Niťové sondy - 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. Mříž se soustavou nití Lopatkové kolo Niťová sonda 21

INDIKÁTORY SMĚRU PROUDU - 2 Sonda s plamenem Svíčka nebo hořák s delším laminárním plamenem. Vizualizace proudění pomocí svíčky v okolí lopatkového kola se zakrytými lopatkami Sonda s mlhou nebo kouřem Mlhu či kouř lze vyvíjet z různých typů vyvíječů. Vizualizace proudění nad větracím roštem pomocí mlhy 22

SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 1 Tyto metody slouží pro vizualizaci proudění kapalin i plynů. Výsledkem vizualizace je zjištění směrů proudění - trajektorií v blízkosti povrchů, nebo oblastí s laminárním či turbulentním prouděním. Zviditelnění proudění kapalin Vhodné jsou zejména nátěry povrchů měnící se mechanickým nebo fyzikálním působením proudící kapaliny (ne chemicky). Fyzikální metody používají světlé nátěry na tmavém povrchu, které se v proudícím rozpouštědle postupně rozpouštějí. Mechanické metody používají * Vrstvu nezaschlé olejové barvy, která se v proudu brázdí a strhává * Kapky nezaschlé olejové barvy, které se v proudu rozmazávají * Niťové sondy zabudované do povrchu Zviditelnění proudění plynů Vhodné jsou metody chemické, fyzikální a mechanické. 23

SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 2 Chemické metody pro zviditelnění proudění plynů Např. pórovité trubky namočené do chlorovodíku a ofukované vzduchem s parami čpavku způsobí vznik salmiaku - bílé mlhy chloridu amonného NH 3 + HCl NH 4 Cl Proudění v trubkovém výměníku tepla s trubkami v zákrytu a s trubkami přesazenými Zdroj: Eckert 24

SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 3 Fyzikální metody pro zviditelnění proudění plynů dělíme na sublimační a odpařovací Ukázkou sublimační metody je např. vizualizace proudění v okolí rotujícího disku pokrytého naftalenem. Spirálovité brázdy v naftalenu, které jsou způsobené sublimací, jsou znakem přechodného režimu proudění. Dalším příkladem je obtékání křídla. Náběžná hrana Laminární proudění Přechodné proudění Naftalen s trichloretanem University of Washington Aeronautical Laboratory 25

SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 4 Ukázkou odpařovací metody je vizualizace proudění v okolí rotujícího disku pokrytého kaolinem, který se po oschnutí postříká těkavou kapalinou. Spirálovité obrazy jsou znakem přechodného režimu proudění. Laminární proudění Přechodné proudění Vizualizace proudění v okolí rotujícího disku pomocí odpařovací metody Zdroj: Schlichting Turbulentní proudění 26

27 SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 5 Mechanické metody pro zviditelnění proudění plynů používají niťové sondy, prášek nebo kapalinový film Niťové sondy (soustava hedvábných nití délky 2 až 5 cm) se uchycují na povrchy a informují o směrech proudění či výskytu turbulence. Zdroj: Purdue University Indiana USA Zdroj: University of Washington, Aeronautical Laboratory

SLEDOVÁNÍ UPRAVENÝCH POVRCHŮ - 6 Prášková metoda používá např. odfoukávání lycopodia (výtrusy plavuně - světle žlutý prášek s rozměrem zrn okolo 0,04 mm) nebo kaolinového prášku s fosforeskujícím pigmentem a kerosenem (odpaří se), což zviditelní proudění na povrchu Kabina letadla University of Washington, Aeronautical Laboratory Kapalinový film umožní např. zviditelnění hranic proudu vzduchu. Olejový nátěr na boční stěně kanálu Vizualizace hranic proudu 28

29 PIV METODA - 1 PIV metoda pracuje na principu zavádění částic do tekutiny. Posloupnost obrazů proudící tekutiny s částicemi (dvojice sousedních snímků) se zpracovává počítačem a vyhodnocují se vektorové mapy 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 procesor PIV, D datový procesor

30 PIV METODA - 2 VÝZKUM PROUDĚNÍ VZDUCHU pomocí 2D PIV systému v laboratoři větrání (8 x 5 x 3,5 m s průzorem 4 x 3 m) na OTTP EÚ FSI VUT v Brně Lasery Válcová čočka Měřená plocha Vyústka PIV kamera Zdroje laserů Synchronizátor Generátor He-bublinek pro zorné pole 2 x 2 m Generátor mlhy pro zorné pole 0,2 x 0,2 m

PIV METODA - 3 Vyhodnocování záznamů získaných PIV metodou Jedno měření představuje obvykle dva obrazové záznamy, získané krátkým osvětlením měřeného prostoru laserovým nožem. 2D histogram 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 Pro vyhodnocení Dx a Dy je vhodná např. Fourierova transformace. Vyhodnocování se provádí obvykle dodaným komerčním software. x Δx Δτ, w y Δy Δτ 31

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 32

PIV METODA - 5 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 33

34 PŘIROZENÉ LÁTKY V PROUDECH - 1 Pokud se v tekutině vyskytují přirozeně viditelné částice nebo látky tvořící souvislá vlákna, lze provést vizualizaci proudění bez dalších látek a jedná se pak o bezkontaktní metody. Mezi časté látky patří Vzduchové bublinky ve vodě Plamen či plazma ve vzduchu Mlha ve vzduchu Částice prachu ve vzduchu aj. dvoufázové systémy Proudění bublinek pod rotujícím diskem ve vodě

PŘIROZENÉ LÁTKY V PROUDECH - 2 Příklady vizualizace proudění pomocí plamene či plazmy v proudu vzduchu Zdroj: Princeton University Rázové vlny v proudu z trysky rakety uvolněné z letadla Tvar proudu z trysek raketoplánu 35

36 PŘIROZENÉ LÁTKY V PROUDECH - 3 Vizualizace rázové vlny v okolí letadla pomocí mlhy a vody uvolněné z vodní hladiny v důsledku změny tlaku za rázovou vlnou Zdroj: Princeton University Vizualizace rázové vlny v okolí letadla pomocí mlhy vzniklé ve vlhkém vzduchu v důsledku změny tlaku za rázovou vlnou Zdroj: California Polytechnic State University

ABSORPCE ZÁŘENÍ - 1 Absorpce záření umožní vizualizaci nehomogenit v různých objektech. Tato metoda se používá při výzkumu proudění nehomogenních kapalin (dvoufázového proudění), výjimečně při výzkumu proudění plynů. Pozn.: Širší využití má v defektoskopii a v medicíně (RTG, CT). Vizualizace nehomogenit v plynech metodou absorpce záření Metoda umožňuje vizualizaci proudění při extrémně nízkých tlacích 10 až 20000 Pa a je o dva i více řádů citlivější než interferometrie. ZÁŘENÍ Ultrafialové Ultrafialové Rentgenové Elektronové = 147 nm = 253,7 nm 1 nm 4 60 kev Zkoumaný PLYN O 2 O 3 jakýkoliv jakýkoliv Hmotový souč. zeslabení μ = β/ [m 2.kg -1 ] Hustota plynu [kg.m -3 ] 2,5.10 4 1,7.10 4 79 10 4 10 5 7,7.10-4 1,2.10-3 2,5.10-1 2,10-3 2,10-4 Tlak plynu [Pa] 61 93 20000 160 16 37

ABSORPCE ZÁŘENÍ - 2 Vizualizace nehomogenit v kapalinách metodou absorpce záření Příkladem může být výzkum kavitace vody při působení rázové vlny pomocí RTG záření. Berngard a kol.: IUTAM Symposium on Optical Methods in the Dynamics of Fluids and Solids, Liblice 1984. Vizualizace nehomogenit v pevných látkách metodou absorpce záření RTG snímek odlitku se staženinou RTG snímek zubů 38