1
Ahmed test PIV mérése - Kutatási jelentés -
2
Bevezetı A BME Áramlástan Tanszéken már egy jó ideje foglalkoznak kerék körüli áramlások vizsgálatával. A jármővek aerodinamikai „minıségét” az ellenállástényezıvel szokták jellemezni. Ennek a tényezınek az értéke a mai jármőveknél különbözı geometria kialakítások mellett jól meghatározott, amilyen például az elsı, hátsó szélvédı, motorháztetı dılés szöge, a jármővek különbözı éleinek a lekerekítése, a jármővek csomagterének a kialakítása stb. Szinte az egyetlen jelentıs terület, a kerék, és a kerékház körüli áramlás, melynek vizsgálata eredményezhet jelentıs mértékő javulást az ellenállástényezı értékében. A jármővek ellenállástényezıjének a vizsgálatára az úgynevezett Ahmed testet rendszeresítették. Ez egy egyszerő hasáb alakú test lekerekítésekkel, letörésekkel, amelynek a geometria kialakításai könnyedén paraméterezhetıek, így alkalmas az ellenállástényezı részletes vizsgálatára. Amikor az Ahmed test kialakítását definiálták, akkor még nem fektettek hangsúlyt a kerék körüli áramlásra. A jelen kutatás célja viszont ennek az áramlástani esetnek a vizsgálata. Mivel az Ahmed test vizsgálatával a szakirodalom már átfogó mértékben foglalkozott méréstechnikailag és numerikus úton is, ezért alkalmazzuk mi is a mérés során. A jelen esetben vizsgált test, annyival tér el a kutatásokban rendszeresített Ahmed testtıl, hogy kerekekkel szereltük fel. Így a késıbbiekben bemutatott test reményeink szerint alkalmas lesz a kerék, és a kerékház körüli áramlás vizsgálatára. A kerék, és kerékház körüli áramlás vizsgálatával a BME Áramlástan Tanszéken Dr. Régert Tamás foglalkozik. Az eddigi kutatások fıleg numerikus úton történtek, bár voltak méréstechnikai vizsgálatok is. Az ELTE Természettudományi Kar, Fizikai Intézet közremőködésének köszönhetıen a kutatás idıtartamára, az állományukban álló PIV berendezést rendelkezésünkre bocsátották. Ennek a megvalósulása Dr. Jánosi Imre egyetemi docensnek köszönhetı. Ezzel a mőszerrel lehetıség nyílik a kerék és a kerékház körüli áramlás komplex vizsgálatára. A jelen áramlástani vizsgálatok, az ezt követı numerikus számítások validációját szolgálja. A numerikus számításokat SchwarczkopfAttila áramlástechnikus fogja elvégezni. A projekt komolyságát mi sem bizonyítja jobban, hogy az numerikus számítást az Attila, Sinisa Krajnovic svéd professzor segítségével fogja elvégezni. Tehát a projekt nemzetközi kutatás is egyben. Éppen ennek a tudatában a felelısség óriási, ezért igyekszem a munkámat a lehetı legnagyobb odaadással végezni. A modell teljes elkészítése fél évet vett igénybe, melynek megvalósításában nem vettem részt. A modellhajtás, és szerkezeti kialakítás Régert Tamás és Jezsó István tanszéki szakmunkás
3 munkája révén valósult meg. A modell felületének és a rögzítı vázszerkezetet borító szárny profiljainak az elkészítését Szávay Tivadar vállalkozó, és egyetemi hallgatónak köszönhetjük. A modellkészítés 2010 szept. – dec. idıintervallumban zajlott. Ezt követıen történt a modell szélcsatornába építése, amely közel egy hónapot vett igénybe. (2010 dec. 15. – 2011. január 21.). Ennek a megvalósításában R. Tamás, Sz. Tivadar, J István mellett már én is részt vettem. A január hátralévı részében elkezdıdtek az elıvizsgálatok. Mint a belépı profil, a modell beállításainak, szélterhelésének az ellenırzése. R. Tamás február 1. –tıl külföldre utazott, és távolléte miatt én vettem át a projektet. A feladatom a PIV mérések koordinálása és elvégzése volt. A méréseket Bodor Ágnes Livia MSc hallgatóval végeztem el, akinek kitartó munkája nélkül nem valósulhatott volna meg a mérés. A mérések során nagy segítségemre volt továbbá Sz. Tivadar, illetve Varga Árpád (MSc hallgató). A vizsgálatok olykor sok technika kihívás elé állítottak minket, melyek megoldásában kiemelkedı szerepe volt J. István szakmunkásnak. Aki a munkán igazoltan közel 100 órán át dolgozott. Közben két hétig a kutató csapatban tudhattuk a numerikusszámításokért felelıs Schwarczkopf Attilát, aki ötleteivel, és segítségével nagyban segítette a munkánkat. A projekt szempontjából fontos kiemelni Jánosi Imrét, aki megtanította nekünk a PIV mőszer használatát. A méréseket kétnaponta rendszeres konzultáció kísérte az ekkor már külföldön tartózkodó R. Tamással kollégával. A mérés logisztikai dolgaival Kalmár Gábor tanszéki mérnök foglalkozott. A mérés rengeteg idıt vett igénybe, ami nem kímélte a hétvégéket sem. Mivel nem vagyok hivatalos beosztású személy a tanszéken, ezért néhányszor szükség volt, arra hogy hétköznapi napokon késı estig, illetve hétvégén biztosítsák számomra a tanszéki laboratóriumot. Továbbá a szélcsatorna indításban sem volt hivatalos engedélyem. Ezért a két probléma megoldásáért szeretnék köszönetet mondani Dr. Lajos Tamás, Balczó Márton, Czáder Károly, Kalmár Gábor tanszéki munkatársaknak. Balczó Mártonnak külön köszönet, az olajköd generátor beszerzésért, ami késıbb mérés szempontjából kulcs fontosságúnak bizonyult. Továbbá szeretnék köszönetet mondani az egész tanszéknek, hogy türelmükkel megtiszteltek minket. A méréseket január 24. – március 7.-ig végeztük el. A mérés 37 napot vett igénybe. A napok számából is látszik, hogy egy hosszú és komplikált mérésen vagyunk túl, amelynek a kiértékelése is legalább ennyi idıt vesz majd igénybe. Mindenkinek köszönet a kitartó munkájáért.
Budapest, 2011. március 14.
4 1. Ahmed test Ahogy a bevezetıben említettem a cél a kerék körüli áramlás vizsgálata PIV áramlás mérési módszer segítségével. Ennek a vizsgálatára Ahmed testet használtuk, amelyet kerekekkel szereltünk fel. A konstrukció tervezıje Régert Tamás volt. A konstrukció vázszerkezete Bosh profilokból épül fel, a kerekek hajtását varrógép motor végzi, amelynek nyomatéka fogasszíj hajtásokon keresztül adódik át a kerekekre, így biztosítva azok forgását. A kerék forgása egy fontos szempont a mérésben. Ugyanis a késıbbi numerikus mérnökök a CFD szoftverekben rendelkezésre álló számítási algoritmusok, illetve a hardveres korlátok miatt csak az álló kerék szimulációját fogják tudni elvégezni. Mivel azonban az egyik fı kérdés az álló és a forgó kerék közötti különbség megállapítása lesz, és erre a numerikusok nem lesznek képesek, itt jön a mérésünk fontossága. Tehát a mérés úgy fog zajlani, hogy álló kerékkel hajtjuk végre elıször a mérést, majd ezt követıen forgó kerékkel. A numerikusok számításaikat az álló keréknél kapott mérési eredményeinkkel tudják összehasonlítani. Ha ez egyezıséget mutat, akkor a forgó keréknél kimért eredményeket összehasonlítva állókerekeknél detektált mérési eredményekkel, következtetések vonhatóak le a forgó kerék körüli áramlásról.
1.ábra: A test 3dimenzós cad modellje
2. ábra: A valós test hajtása
5 2. Mérési elrendezés A kerekekkel felszerelt Ahmed testet a szélcsatorna konfúzora elıtt helyeztük el közvetlen 570 mm –el. A modellt a szélcsatorna asztal felett az ábrán látható T alakú vázszerkezettel függesztettük fel. A felfüggesztésre azért volt szükség, hogy az autó alatti, és így közvetlen a kerék körüli áramlást ne befolyásoljuk, és a kerék forgatása miatt a modell nem érhetet a talajhoz. A vázszerkezetet, hogy áramlástani szempontból megfelelı legyen, NACA 0015 típusú szárnyprofillal fedtük be. A modellt az eredeti terv szerint forgatni is szerettük volna a függıleges tengelye körül. De a rendelkezésre álló idı miatt csak az áramlásirányú pozíciót (0° fokos) mértük le. Csak információként ez is közel 300 síkot jelenetet.
3. ábra: A modell elrendezése a csatornában
Annak érdekében, hogy a kerék belapultságát szimulálni tudjuk az autó kerekeit besüllyesztettük a talajba 3 mm-rel. Ezt úgy valósítottuk meg, hogy az asztal lapjába ablakokat vágtunk, és a T alakú keret megfelelı magassági méretének beállításával definiáltuk a 3mm süllyesztést az ablakban.
6
4. ábra: Kerék 3mm-es süllyesztése az asztallapon kivágott ablakban
5. ábra : A modell fıbb paraméteri a csatornában 1.
7
6. ábra : A modell fıbb paraméteri a csatornában 2.
7. ábra: A modell fı geometriai paraméterei, oldalnézet
8
8. ábra: A modell fı geometriai paraméterei, hátul,- és elölnézet
3. Elıkészületek Modell elıkészítése, szélcsatornába építés A modell hajtását, geometriai kialakítását, ahogy azt korábban említettem Régert Tamás tervezte, valamint az összeszerelést is jelentıs mértékben ı végezte. Az alkatrészek legyártását pedig Jezsó István csinálta. A kész modell felületét ezután Szávai Tivadar készítette elı, majd festette matt feketére, hogy az lézeroptikai vizsgálatra alkalmas legyen. A test festését megelızte annak szélcsatornába helyezése, hogy a kezdeti beállítások helyességérıl meggyızıdjünk. Majd mikor ezekben megbizonyosodtunk, a modell kész állapotára lett festve. Mivel a testet a talaj felett felfüggesztettük, az erre a célra tervezett tartószerkezetet áramlástani szempontból alkalmassá kellet tenni. Ezt szárnyprofilokkal tettük meg, amit ugyancsak a Sz. Tivadar készített el. Ennek a legyártása több hónapot vett igénybe, és már a modell legyártásakor, ezzel párhuzamosan zajlott ennek a készítése.
9. ábra: A modell kezdeti beállításai
9
10. ábra: A modell és a tartó szárnyprofiljának a festése
11. ábra: A kész modell a szélcsatornában
10 Belépı profil Annak érdekében, hogy a modell elıtt a sebességprofil egyenletes legyen, az asztal kezdetén belépıprofilt kellet definiálni. Majd ellenıriznünk kellet, hogy a belépı profilon a határréteg nem válik le, erre vizualizációs technikát használtunk. Ezt úgy végeztük, hogy a belépıél felületét bekentük titánium dioxid (TiO2), mőszerolaj, és petróleum keverékébıl álló oldattal. Majd a felvitt egyenletes oldatréteg állapotát megfigyelve, igyekeztünk megállapítani van e határréteg leválás. A vizulizációt elvégezve, és az oldatot a felületen megfigyelve, megállapítottuk, hogy a belépıprofilon határréteg leválás nincs. A belépı sebességprofilt, és annak egyenletességet késıbb PIV- vel kimértük.
12. ábra: A belépı profil
13. ábra: A
belépı profil ellenırzése
11 4. A mérés kezdeti nehézségei Amikor a modellt a szélcsatornába helyeztük, és a szükséges távolságok beállítását és elıvizsgálatokat elvégeztük, történt meg a PIV berendezés összeállítása, és Jánosi Imre közremőködésével a berendezés használatának a megtanulása. A PIV mőködésének alapja az áramlásba jutatott részecskék, melyek mozgását kamera segítségével rögzítjük, és nagy teljesítményő lézerek villogtatásával láthatóvá tesszük. PIV mőszerben két lézeregység van, amelyeket felváltva villogtatunk, és a felvillanások között eltelt idı, és az áramlásba helyezett részecskék által megtett út hosszából, a részecskék sebességei korrelációs módszerrel meghatározhatóak. Mindez egy teljes síkba kiterjeszthetı köszönhetıen a különbözı nyílásszögő sík objektívnek. Így a kerék közelében egy teljes síkban megmondható a sebességeloszlás. A PIV mérés nem az egyszerő méréstechnikák közé tartozik. Ahhoz, hogy szép értékelhetı méréseket tudjunk csinálni rengeteg problémával, kell jól megküzdenünk. Ezek egy részét a mérés elıtt kell meggondolni, de vannak olyan tényezık, amikre mérés közben derül fény, és a rendelkezésre álló lehetıségeknek megfelelıen kell azt tudnunk megoldani. Hardver korlát A hardver korlát esetében alapvetıen két határ van a mérés szempontjából. Az egyik a kamera gyorsaság. Vagyis mekkora az a minimális idı, amit képest kezelni két lézer felvillanás között. Ez jelen esetben 200 mikroszekundum volt. Ha ennél kisebb a két lézer felvillanás között eltelt idı, akkor a kamera nem tudja felvenni a lézersíkokban felvillanó részecskéket. A másik korlát a kamerára szerelt objektív képmérete, ami behatárolja, hogy mekkora nagyságú területet látunk a síkból. Ezt össze kell egyeztetni a seeding (részecskék) méretével, mert ha a kamera olyan mesze van, hogy nem látja a részecskéket, akkor a felvételekrıl a szoftver nem tud korrelációt csinálni. A mérés során kétfajta objektívünk volt. Egy állítható zoom objektív, amellyel a kép méretének a nagysága állítható. A másik a nem állítható zoom objektív, itt képméret a kamera és a sík távolságának a változtatásával állítható be. Mivel a zoom objektívünk, nem volt olyan jó minıségő, mint a fix képmérető objektív, és képméretben nem tudtunk nyerni a zoom objektívvel, ezért a fix képmérető objektív mellet döntöttem. A fix objektív hátránya azonban, hogy sokszor olyan közel kell rakni a vizsgálni kívánt síkhoz képest, a képméret csökkentése érdekében, hogy annak visszahatását sem szabad figyelmen kívül hagyni. Ennek a vizsgálatával is foglalkoztunk a mérés során. Az elıbb említett korlátok szorosan összefüggnek az áramlási sebességgel. Ehhez kell állítani a kép méretet, a kép felbontását, a felvillanás idejét, a lézer teljesítményt. Továbbá fontos kérdés volt, hogy mekkora a fókuszbeállítás korlátja. Magyarul, mikor kell utána állítani a
12 fókusznak, mert a kamera már nem tudja a részecskéket megkülönböztetni. Ezeknek a paramétereknek a kitapasztalása hosszas és kitartó munkát igényelt.
Seeding (áramlásba helyezet részecskék) A PIV legkritikusabb paramétere a seeding kérdése volt. A kutatás során az eltöltött idı közel fele, ennek a problémának a megoldásával telt. A mérés kezdetén közönséges hintıport alkalmaztunk, ám ezzel nem sikerült jól kiértékelhetı méréseket készíteni a kerékház környékén. A hintıpor kezdetben jó megoldásnak tőnt, mert a részecskék megfelelıen nagyok voltak, ahhoz hogy a kamera „messzirıl” is láthassa ezeket a részecskéket, amelyek mérete becslésem szerint 100 mikron körül volt. A szoftver nagyon jól dolgozott, a korreláció mőködött, de két probléma mégis akadt, aminek megoldásával közel két hetet töltöttünk el. Az egyik probléma, a bejutatott részecskék inhomogén eloszlása volt, a másik pedig, hogy nem tudtuk a modell oldalán kialakult leválási zónát részecskékkel feltölteni. Ami azért bizonyult kritikus problémának, mert a kerék, és a kerékház éppen a leválási zónában volt. A probléma ugyanis abban állt, hogy a modell eleje eltereli az áramlást oldal irányban. A részecskék egy része azonnal a feltapadt a modell oldalának a felületén, a nagy részét pedig az autót kikerülı áramvonalak elhordták. A részecskék tehetetlenségüknél fogva azonban nem tudják követni a kikerülı áramvonalak irányát, hanem „leesnek”. A következı felvételeken jól látható, hogy a leszóródó részecskék, hogyan festik fel a leválási zónát:
14. ábra: A modell leválási zónája
13
15. ábra: A hintıpor inhomogén eloszlása
16. ábra: A 11. ábra alapján a szoftverben készített korreláció
14 Igyekeztünk a leválási zónát többféle módszer alapján feltölteni. Például furaton keresztül a modell közelében, illetve a belépı él alól jutatunk be részecskéket, de egyik sem mutatkozott nyerı technikának.
Ahogy említettem a leválási zóna mellet jelentıs probléma volt a részecskék inhomogenitása is. Ennek javításán sokat kísérleteztünk. Alapvetıen a porlasztás technikájában, és a bejutatás helyének a helyes beállításában láttuk a lehetséges megoldást. A porlasztás technikájára a végén a következı szórópisztolyt építettük meg a Schwarczkopf Attila kollegával:
17. ábra: Hintıpor szórópisztoly
A szórópisztoly tartályának oldalán lévı körvezetékben áramló szekunder levegı a por fellazítását szolgálta, így igyekeztünk a részecskéket fluidizált állapotba hozni. A szórófej végén van a primer levegı bejutása, amely a szórási sebességet, és a függıleges csı két végén a por felragadásához szükséges nyomáskülönbséget állította be. A szórópisztoly mőködöséhez szükséges primer illetve szekunder levegıt kompresszor segítségével hoztuk létre. A levegıt bevezetı ágakon csapokat helyeztünk el, amellyel a táplevegı mennyisége szabályozható volt. A szóró egységet a szélcsatorna konfúzorában helyeztük el.
A mérés során nagy problémát jelentet, a labor tisztaságának a megırzése. Ezt úgy igyekeztük elısegíteni, hogy a nagy szélcsatorna mérıterét, takaró fóliával zártuk el a labor többi részétıl.
15
18. ábra: A nagy szélcsatorna elszigetelése A másik probléma a mérések során, hogy a hintıpor szilárd kristályos részecske, ami a tüdı léghólyagjaiba lerakodik. Ezért a mérés során folyamatosan maszkot kellet hordani. Mivel a részecske eloszlás továbbra is probléma volt, és az egészségügyi veszély is egyre jelentısebbé vált, ezért február 8.-án leállítottuk a hintıporos méréseket. Ez követıen 5 napi szélcsatorna és labortakarítás következett. A szélcsatorna tisztítást jómagam, B. Ágnes, K. Gábor, V. Árpád végezték, a labor takarításban Sz. Tivadar, B. Márton, és K. Gábor vettek részt. Közben megérkezett az USA-ból az új olajköd generátor, ami képes sok fajta folyadékot egyenletes cseppé porlasztani. Mivel az irodalom a PIV esetében az olivaolajat javasolja, ezzel próbálkoztunk. Annak érdekében, hogy ne veszítsünk idıt, a szélcsatorna takarítás miatt, ezért felépítettünk egy vizsgáló berendezést a függıleges szélcsatornában.
19. ábra: Vizsgáló berendezés a függıleges szélcsatornában, illetve az olivaolaj Az olivaolajjal kapcsolatban az egyetlen elıítélet abban volt, hogy a részecskék sokkal kisebbek, mint a hintıpor részecskéi. Tehát a fı kérdés, mi az ablakméret ameddig le kell menjük, annak érdekében, hogy a szoftver a kamera által elkészült kép alapján számítást
16 tudjon végezni. Ezt a képméretet az elıkísérletek során 13 x 9 cm-re becsültük meg. Ez fontos volt a kamera elhelyezésének a szempontjából a késıbbi fı mérések szempontjából. Az elı kísérletekbıl már látszott, hogy az olivaolajjal lényegesen homogénebb részecskeeloszlást lehet produkálni, mint azt hintıporral tettük, köszönhetıen az olajköd generátornak. De abban, hogy ezekkel a kisebb mérető szemcsékkel feltudjuk-e tölteni a leválási zónát, még nem lehetünk biztosak. Közel egy heti munkával kitapasztaltuk ennek a seeding-nek a viselkedését és a méréseket azután a maradék két hétben ezzel végeztük el ismét, az ekkor már hintıportól mentes nagy szélcsatornában. Késıbb a nagy csatornában végzett mérésekbıl egy seedinges, és egy kiértékelt kép látható a 20. ábrán.
20. ábra: Mért és kiértékelt felvétel a késıbbi mérésekbıl
17 A nagy szélcsatornában nagy kérdés volt, hogy a beporlasztott olivaolaj ködböl mekkora mennyiségre van szükség a kiértékelhetı minıségü méréshez. Az alapelgondolás az volt, hogy a teljes csatornát beporlasztjuk köddel, és azt keringtetjük. Ez szerencsénkre müködött is ,de mivel a csatorna nyitott mérıterü részében dolgoztunk, ezért egy óra után, pótolni kellet a laborba távozó olajködöt. A mérés sorén összesen 1,5 liter olivaolajt használtunk el. A hintıporos mérés leállásáig közel 2,5 kg mennt el.
21. ábra: Az olivaolaj köd bejutattása a szélcsatorna diffúzorában
18 5. A tényleges mérések Kerékház körüli áramlás mérése A szélcsatorna kitakarítást követıen aztán, visszaköltöztünk a mérıberendezéssel a vízszentes szélcsatornába. Az ekkor felépített mérési elrendezést mutatja a következı kép:
Mérési elrendezés 1. Ahmed test 2. Tartó szerkezet szárnyprofil borítással 3. Kamera tartó állvány + PCO kamera 4. Lézer sík 5. Mozgató traverz 6. Lézer egység 7. PIV kiértékelı számító gép 8. Mozgató traverz számítógép
22. ábra: A talajjal párhuzamos sík mérési elrendezése (felülnézet)
Az alábbi képen a két sík típusból az egyiket láthatjuk. Ez a talajjal párhuzamos sík. Ekkor a mérés úgy zajlott, hogy a talajjal párhuzamosan szkeneltünk, az autó magasságának a felét választva kezdıpontnak, lefelé 10 mm-enként. A talajjal párhuzamos mozgást az 5. számú traverz segítségével valósítottuk meg. Ezt a síkot nevezetem el felülnézetnek, mivel a kamera az autó felett helyezkedet el kameratartó állványon. Mivel a kamerát szárny profil közelében helyeztük el, ezért a kamera állvány visszahatásáról is meg kellett gyızıdnünk. (errıl késıbb). A felülnézeti képeket mindkét kerék esetében két részletben vettük fel. Egy
19 kerék esetében ez úgy nézett ki, hogy mindkét kép esetében rajta van a kerék, csak az egyik képen az egyik fele, és ami elıtte van, a másik képen pedig a kerék másik fele, és az ami mögötte van. Ezeket a képeket, a kiértékelésnél, majd össze kell illeszteni. A méréseket elvégeztük álló, és forgó kerékkel egyaránt minden egyes koordináta esetén.
23. ábra: Felülnézet esetén definiált néhány sík
A mérések számát tekintve 4x14 síkot mértünk le. A felvételek készítése során jelentıs gondot okozott modell oldalán a reflexió. Ezt úgy tudtuk csökkenteni, hogy a felületet bekentük olivaolajjal, így az elıállított tükörréteg visszaverte a lézersíkot, így csökkentve a kamera képen jelentkezı keresztirányú reflexiót. A reflexiót akkor volt nehéz kezelni, amikor a kerék letörését elértük. Ekkor ugyanis a lézersík nem merılegesen verıdik vissza, hanem szög alatt. A reflexió alapvetıen azért probléma, mivel ennek a környékén a kamera nem lát részecskét. Ha a környéken viszont elegendı a részecskeeloszlás, akkor majd a program interpolációval megoldja azt. Ezért itt néhol nem tudtuk a reflexiót csökkenteni, de igyekeztünk a nagyságát minimalizálni.
20 Mind a 4 esetben 14.-ik sík után, azért nem tudtunk többet mérni, (ami a 4 képbıl a jobb alsó sarokban lévı pozíció), mert a talaj annak ellenére, hogy fekete matt festékkel volt lekenve nagyon átütött a képeken. Ekkor igyekeztünk a lézer teljesítményen csökkenti, illetve fókuszbeállításokkal operálni, de nem hozott jelentıs javulást. Ezért a 14.-ik síknál megálltunk.
Mappák: Serious 1. - 2. Elsı kerék Serious 3.- 4. Hátsó kerék A lézer sík végállása, és így a nullpontja a traverz felsı pontjában volt. Az elnevezésekben így az autó közepe a 464,5 (464p5), én innen mentünk lefelé 10mm-enként.
Képméretek
Elsı kerék 1/2, képméret: 135x90 mm
Elsı kerék 2/2, képméret: 140x90 mm
Hátsó kerék 1/2, képméret: 145x95 mm
Hátsó kerék 2/2, képméret: 145x90 mm
24. ábra: A felülnézetben késztett felvételek, a kerék közép sikjában
21
A másik sík típus, amikor a talajra merıleges síkban, vagyis a modell oldalával párhuzamosan hajtottuk végre a mérést. Ezt a síkot oldalnézetnek neveztem el. Ekkor a lézer egységet betettük, a kamerát pedig kivettük az áramlásból, vagyis éppen az ellenkezıjét tettük az elızı összeállításhoz képest. Most mivel a lézersík volt az áramlásban ennek a testre gyakorolt visszahatásáról szintén meg kellet gyızıdni. Errıl a beállításról láthatunk felvételeket a következı ábrán:
25. ábra: A talajra merıleges sík mérési elrendezése (oldalnézet)
Ebben a mérési összeállításban félı volt, hogy ismét be kell tennünk a kamerát az áramlásba, mert ilyen távolról a kamera nagyjából 200 x 130 mm-es képet lát, és az elımérések alapján úgy nézet ki, hogy ez túl nagynak bizonyul. De szerencsére ezzel a képmérettel is tudunk megfelelıen kiértékelhetı képeket készíteni, így ez nem indokolta, hogy a kereket két részletben kelljen felvenni. Így egy képben volt benne, a teljes kerék, és elıtte utána közzel 50 mm. Annak érdekében, hogy a kerékrıl leszakadó örvényt „elkapjuk” a hátsó kerék mögé
22 is beálltunk egy méréssel. Amiben a 108 mm átmérıjő kerékbıl az utolsó negyed látszik és a a kerék mögött közel 150 mm. A mérés alapvetıen úgy épült fel, hogy a modell oldalát érintıre véve a lézersíkkal, definiáltuk a nulla pozíciójú síkot. Majd innen haladtunk az autó oldallapjához képest kifelé. Az elsı két sík 2,5 mm-es, az azt követı hatot 5mm-es, az utolsó kettı síkot pedig 10mm-es osztással vettük fel. A sík vastagsága 3-4mm-re tehetı, így az elsı két síkban átfedés mutatkozott. A lézersík vastagságát a lézeregység távolsága, illetve a sík objektív pontossága miatt ennél kisebbre nem tudtuk beállítani. A reflexió ebben az esetben is megnehezítette a mérésünket. Ebben az esetben nemcsak a lekerekítéssel, hanem a felület minıségével is volt némi probléma. Bár a Sz. Tivadar szinte tükör sima felületet gyártott a számunkra, az mégis egy döntı tapasztalat volt, hogy a nagyon kis felületi érdesség is problémát okozhat a mérés szempontjából. Ugyanis az egy mikronos szemcsemérető részecskék képesek beleragadni, a méretüknek megfelelı nagyságú felületi hibákba. Vagyis ez egy fontos konklúzió, amivel ismét szembesülni kellet, hogy a szemcseméret, és a felületi érdesség között fontos kapcsolat van. De azt érdemes kihangsúlyozni, hogy ilyen pontos felületi minıséget kialakítani a jelen lévı korlátok (anyagi, és idı) között igen nehéz lett volna. Ezt a reflexiót lehet megfigyelni a következı ábrán:
26. ábra: A modell oldalán a felületi érdességbe ragadt olivaolaj szemcsék
A betapadt részecskéket igyekeztünk letörölni, lemosni (desztilált víz, denaturált szesz, szappanos víz), ami néhány másodpercig a részecskék számának csökkenését eredményezte, de a mivel a felületi érdességet nem tudtuk megszüntetni, az újabb szemcsék rövid idı alatt ismét beletapadta a felületi hibákba. Ezzel a reflexióval az a probléma, hogy a kamera felveszi. A felvett álló pontok reflexiója pedig nagyobb, mint az elıtte haladó részecskéké, mivel egy nagy felületi érdességő pontba sok részecske beletapad, képezve ezzel egy nagy pontot. Ezért a szoftver a korrelációban ezekkel a nulla sebességő, álló pontokkal számol.
23 Ezen reflexió hatását elvileg a szoftver kezelni tudja, de ehhez minden síkhoz háttérképet kell készíteni, ahol nincs részecske az áramlásban. Ezeket az úgynevezett background felvételek mérését minden mérési pozícióban elvégeztünk.
Mappák: serious_5fugg – hátsó kerék A traverz végállása az áramlás irányában, modell jobb oldalán volt. Az elsı sík a modell oldalának érintısíkjában, az 308- as traverz koordinátában volt. Innen indultunk kifelé a korábban leirt osztással. Az f bető a forgó kereket jelenti. Ezeket a méréseket végeztük el elıször. serious5_p1_hatso kerek – hátsó kerék új traverz koordinátával serious6_p1_elso kerek – elsı kerék serioous7_hatso_krek_mogott – hátsó kerék mögött A traverz végállása az áramlás irányában, modell jobb oldalán volt. Az elsı sík a modell oldalának érintısíkjában, az 563- as traverz koordinátában volt. Innen indultunk kifelé a korábban leirt osztással. Az f bető a forgó kereket jelenti.
Képméretek
Első kerék, képméret: 220x160 mm
Hátsó kerék, képméret:225 x170 mm
Hátsó kerék mögött, képméret: 220x160 mm
27. ábra: Az oldalnézetben késztett felvételek
24 Belépı sebességprofil vizsgálata Ahogy azt korábban említettem fontos, hogy az asztal belépıélen a határréteg leválást elkerüljük, és ezzel egyenletes belépı sebességprofilt biztosítsunk a modell elıtt. A határréteg leválást a korábbiakban leírtak alapján már ellenıriztük. Azonban annak, érdekében hogy a pontos belépı sebességprofilt a numerikusoknak megadhassuk a korrekt validáció megvalósíthatásáért, mérést kellet végeznünk. Mivel a vizsgálatokat PIV-vel végeztük, ami teljes síkban definiálja a sebességteret, ennek a kimérését is célszerő volt, ezzel a technikával megvalósítani. A sebesség profil kimérését három síkban határoztuk meg. Az elsı síkot a modell középvonalában, a másodikat a középvonaltól 175 mm-re, a harmadikat a középvonaltól 825 mm-re mértük ki. A második és harmadik sík kimérése a korábban említett oldalnézet mérésénél alkalmazott mérési összeállítással könnyedén megvalósítható volt. Egyedüli probléma a középvonal estében lépett fel. Mivel a lézeregység közvetlenül a modell mögött helyezkedett el, ezért ennél a síknál külön problémát jelentett a lézersík létrehozása a modell elıtt. A lézerpontot szélcsatorna mérlegre felrögzített szögbe állított tükörrel a modell elé irányítottuk, és a tükör elé rögzített, a lézeregységrıl leszerelt síkobjektíven át ilyen módon definiáltuk a lézer síkot a modell elıtt. Ennek a pontos beállítása három teljes napot verr igénybe Az elkövetkezı néhány kép a mért síkok helyét, illetve a modell középvonalában létrehozott síkot mutatja be.
28. ábra: A lézersík a modell elıtt középsíkban
25
29. ábra: középsík a modell elıtt
30. ábra: A modell középvonalától 175mm- re ( bal oldali kép), és 825 mm-re definiált sík
Annak érdekében, hogy meggyızıdjünk, a modell mögé helyezet lézeregységnek nincs visszahatása a belépıélen a sebességprofilra, ezért a lézeregységet az akkori aktuális pozicíójából (a modell mögött 2300 mm) fél méterrel, majd egy méterrel elırébb toltuk, és így is méréseket végeztünk. A mérés során elvégzett nyers kiértékelésbıl, azt a következtetést vontuk, le hogy a sebességprofil egyenletes mindhárom síkban, és a lézeregységnek nincs visszahatása a belépı profilra. Mivel a kamera a távolság függvényében, csak adott mérető képet képes rögzíteni, a profilt több képben vettük fel. Azért is kellet ezt megtennünk, hogy a legalább a modell magasságig ki legyen mérve a profil.
26 Mappák: (velocity_profil_in) kozepsik- középsíkban végzett mérések. A position1,2,3 a sorrendet mutatja a talajtól felfelé, azaz az 1. számú van legközelebb a talajhoz. Képméret: 350x180 mm 825_minusz_650 - a középsíktól 175 mm-re végzett mérések. A velocity1,2 a sorrendet mutatja a talajtól felfelé, azaz az 1. számú van legközelebb a talajhoz. Képméret: 330x160 mm 825_minusz_650_ref_50 - a középsíktól 175 mm-re végzett mérések, elıretolva 50 mm-rel. A velocity1,2 a sorrendet mutatja a talajtól felfelé, azaz az 1. számú van legközelebb a talajhoz. Ugyanaz a kalibraciós fájl, mint 825_minusz_650-ös esetében! Képméret: 330x160 mm 825_minusz_650_ref_100 - a középsíktól 175 mm-re végzett mérések, elıretolva 100 mm-rel. A velocity1,2 a sorrendet mutatja a talajtól felfelé, azaz az 1. számú van legközelebb a talajhoz. Ugyanaz a kalibraciós fájl, mint 825_minusz_650-ös esetében! Képméret: 330x160 mm 825 - a középsíktól 825 mm-re végzett mérések. A position1,2,3 a sorrendet mutatja a talajtól felfelé, azaz az 1. számú van legközelebb a talajhoz. Képméret: 250x75 mm
Kameratartó állvány visszahatás Ahogy a korábbiakban említettem, a felülnézeti síkok mérésekkor, a képméret csökkentése érdekében a kamerát egészen a szárny közeléig kellet levinni. Ebben az esetben azonban meg kellet gyızıdni, arról, hogy a kamera és a tartóállványának nincs e visszahatása a modellre nézve. Ezt a mérést a következıképpen valósítottuk meg. Elıször is a kameratartó állványt vissza kellet rögzíteni a modell felé, de mivel ennek a hatását szerettük volna kimérni, amihez viszont szükség van készített képekre, ezért a kamerát nem tehettük vissza. Ezért ezt, egy a kamera méretének megfelelı nagyságú fa hasábbal helyettesítettem. A felülnézet esetében mind a négy állás visszahatásáról meg kellet gyızıdni. A méréséket tehát kamaratartó állvánnyal és anélkül is elvégeztük a modell feletti síkban, majd ezeket összehasonlítottuk. Az elızetes kiértékelés alapján nem mutatkozott különbség.
31. ábra: Kamera helyettesítése
32. ábra: A definiált lézersík
27
33. ábra: Felvétel a kameratartó állvány hatásának a kimérésére
34. ábra: A mért képsíkok
A 25. ábrán látható a mért képsík. A bal oldali kép akkor készült, amikor a kamera a szárny mögött volt. A képen jól kivehetı a modell hátsó letörése. A jobb oldali kép pedig akkor
28 készült, amikor a kamera a szárny elıtt volt felfüggesztve. A felvételen a modell teteje, és a függıleges szárnyprofil figyelhetı meg.
Mappák (kameratarto) : 1: a szárny elıtt távolabb 2: közvetlen a szárny elıtt 3: közvetlen a szárny mögött 4: a szárny mögött távolabb ures_1-2: szárny elıtti esetek, kamera tartó állvány nélkül ures_3-4: szárny mögötti esetek, kamera tartó állvány nélkül kalibracio_1-2: szárny elıtti esetek kalibrációja, képméret: 220x320 mm, ugyanaz a kalibráció, mert nem változtattam a kamera pozícióját. kalibracio_3-4: szárny mögötti esetek kalibrációja 250x340 mm, ugyanaz a kalibráció, mert nem változtattam a kamera pozícióját.
Lézeregység visszahatás A függıleges síkok (oldal nézet) esetén ismertettem, hogy a lézeregységet a szélcsatornába helyeztük. Tehát itt is meg kellet gyızıdni, hogy van e visszahatás. Ennek a vizsgálatát a modell mögötti leválási zónában, és a hátsó kerék környékén egyaránt megtettem. A kerék körüli áramlások mérése során a távolság a modelltıl 2300 mm-re volt. (a rámpa pereme). A méréseket 2300 és 800 mm-re végeztük el a mérési eredményeket összehasonítottuk. A kezdeti kiértékelésekbıl, azt a következtetést vontunk le, hogy a lézeregységnek nem volt visszahatása a modell mögötti leválási zóna, és a hátsó kerékház körüli áramlására nézve.
35. ábra: A modell mögött a lézeregység távolságok
29
36. ábra: A modell hátsó éle
A modell hátsó éle esetében két magasságban készítettünk képeket. Ekkor a kamerát tekertük az állványon felfelé.
37. ábra: A hátsó kerék ház környéke Mappák (laser_back) Hatso_el/ velocity_one_2 – 2300 mm-re a lézeregység velocity_one_2_down - 800mm-re a lézeregység velocity_two_2 - 2300 mm-re a lézeregység, kamera lejjebb tekerve velocity_two_2_down - 800mm-re a lézeregység, kamera lejjebb tekerve kerek_haz/ one - 2300 mm-re a lézeregység two - 800mm-re a lézeregység
30 Mérı személyzet
