EXPERIMENTÁLNÍ METODY I 6. Měření rychlostí proudění

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

ÚVOD DO MĚŘENÍ RYCHLOSTI PROUDĚNÍ Rychlost proudění se měří  Mechanickými anemometry  Termoanemometry  Ultrazvukovými anemometry  Dynamickými rychlostními sondami  Katateploměry  Laserovými anemometry apod.

Aerodynamický tunel pro kalibraci anemometrů

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

Laboratoř proudění na LÚ FSI VUT v Brně

2

MECHANICKÉ ANEMOMETRY  Lopatkové anemometry (pro w = 0,1 až 20 m.s-1,  = 80 až 200 mm, odklon úhlu proudu až ± 20 °, nejistota ± 1%, do proudu se vkládá ve směru šipky vyznačené na anemometru). Rychlost je úměrná otáčkám n měřeným elektricky (mechanicky)

w  a  bn

Mechanické anemometry

Lopatkový Vrtulkový Miskový

a, b se určí kalibrací

 Vrtulkové anemometry (pro w = 0,4 až 40 m.s-1,  = 10 až 20 mm, odklon úhlu proudu až ± 20 °, vhodné pro měření lokálních rychlostí, nejistota ± 1%, do proudu se vkládá ve směru šipky vyznačené na anemometru).  Miskové anemometry (pro w = 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

TERMOANEMOMETRY - 1 Termoanemometry - žárové anemometry  Měří se intenzita ochlazování různých žhavených tělísek  Rozsah rychlostí proudění w = 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  2,5 m, Drátek 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 ( 2 až 6 mm, pro potlačení fluktuací, je mechanicky odolná a směrově nezávislá)

Tělísko

Kulička

4

TERMOANEMOMETRY - 2 Princip měření termoanemometry - tepelný tok konvekcí z tělíska o teplotě tw do okolí o teplotě t se rovná elektrickému příkonu a platí

α  S  t w  t    R  I 2

a

součinitel přestupu tepla S [m2] 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 (w) při I = konst Udržuje se odporem RN Označuje se jako CCA b) Měření proudu jako funkce rychlosti I = f (w) při R = konst (též Tw = konst) Udržuje se odporem RN Označuje se jako CTA [Wm-2K-1]

α  f w, tw , t , λ, ν, Pr 

Nu  C  Re m  Pr n αD wD Nu  , Re  ν λ

5

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 w = 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

ULTRAZVUKOVÉ ANEMOMETRY - 2 PRINCIP ultrazvukových anemometrů

1 

L a w

L 1 1 w    2  1  2 

2 

L a w

L 1 1 a    2  1  2 

 [s]

Přijímač

Zdroj

1

L

2 w

Řídicí systém

doba průchodu ultrazvuku Index 1 pro signál ve směru proudu Index 2 pro signál proti směru proudu a [m.s-1] rychlost zvuku w [m.s-1] rychlost tekutiny

Anemometr WindSonic Anemometr Meteo-Sýkora 7

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 pc, statického tlaku ps. Rychlost se pak počítá ze vztahu

pd = pc - ps [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

DYNAMICKÉ RYCHLOSTNÍ SONDY - 2 Válcová sonda je vhodná pro rovinné proudění. Směr proudění se zjistí otáčením sondy až do vyrovnání tlaků p1 a p2 v bočních otvorech. Rychlost proudění se určí z dynamického tlaku daného rovnicí

pd 

pc  pu k

Válcová sonda

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

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 Airflow 10

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 m2 povrchu baňky při ochlazení z 38 na 35°C je kalibrační hodnota katateploměru Q [J.m-2] uvedena na přístroji.

Q  q  τ  α  36,5  t   τ

a  8 ,58  16 ,12 w

Hillův katateploměr 11

KATATEPLOMĚRY - 2 Střední rychlost po dobu měření je pak dána vztahem 2 2   Q K    8,58    8,58   τ 36,5  t     36,5  t  w 259,9 259,9 K = Q/ [W.m-2] je katahodnota (platí pro w < 1 m.s-1)

Omezení pro Hillův katateploměr: Teplota okolí t má být přibližně stejná, jako střední radiační teplota tR. Katateploměr pokovený vrstvou Al nebo Ag sníží záření asi na 1/3 a je proto vhodný pro mírně odlišné teploty t a tr. Pro rychlost (w < 1 m.s-1) pak platí

 Kk   4,23   36,5  t  w 280,2

2

Kk [W.m-2] je katahodnota pokoveného katateploměru

Dva katateploměry (skleněný a pokovený) jsou vhodné pro t  tR. Rychlost se určí z nomogramů w = f (DK, K, t), kde DK = K – Kk. t a také tR < 35°C

Pokovený katateploměr 12

LASEROVÉ ANEMOMETRY - 1 Laserové anemometry  Obvykle jde o LDA (Laser Doppler Anemometry) se dvěma paprsky  Jiné laserové anemometry jsou např. 2 laserové paralelní roviny aj.  Rozsahy měření w = 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 Laser Na částici A v klidu dopadá světlo o vlnové délce lo rychlostí c s frekvencí

f0 

c λ0

Na částici v pohybu dopadá za 1 s počet vln

Detektor

  c  wp c  wp fw   f0 λ0 c

13

LASEROVÉ ANEMOMETRY - 2 Částice A vysílá ve směru vektoru p* k detektoru za 1 s fw vln, což odpovídá vlnové délce lw

Laser

 c  wp * λw  fw Detektor pak registruje světlo o frekvenci

Detektor

 c c c  wp f    fw    f0 λw c  w p * c  wp *

Frekvenční posunutí f - f0 je malé  Nutný monochromatický zdroj světla - laser  Vyhodnocení z interference - záznějů při záznamu dvou vhodných světelných svazků 14

LASEROVÉ ANEMOMETRY - 3 Základní LDA systémy r

LDA s referenčním svazkem r

w

F

F je filtr

L

r

A

D

p p*

w

p1 p1*

LDA diferenční (interferenční)

L

A

D

p2* p2

p1*

w L p

D

A p2*

LDA se dvěma směry pozorování p1*, p2* 15

LASEROVÉ ANEMOMETRY - 4 Vznik interference v diferenčním systému LDA Fotografie z měření pomocí LDA – 1D až 3D Spray – 1D 1:1

w

A

p1

p2 b)

a)

3D 1:5

Zrcátko – 2D 1:1 Zdroj: Dantec Mercedes Benz 16

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

1 Tu  w

2   w  w  i i

n 1

w [m.s-1] střední rychlost wi [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