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

Částice

Dráha částice

Proudnice Zdroj barviva …

Vlákno barviva …

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

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 2m

8m

Vzduchovod

6m

Mlha

3,5 m

Vzduchovod

Testovací prostor 8 x 5 x 3,5 m

Okno 4x3m

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, P1, P2 průzory

Obtékání profilu (polystyrén v H2O) Zdroj: Řezníček Obtékání válce (bublinky H2 generované průběžně v H2O) 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 P1 a P2) 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 …

Generátor héliových bublinek

LA laser, C válcová čočka (světelný nůž), K kamera, P1, P2 průzory 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

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

8

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

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 14

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

ZAVÁDĚNÍ LÁTEK TVOŘÍCÍCH SOUVISLÁ VLÁKNA - 9 Příklad vyhodnocování hranic proudu v místech s malou intenzitou kouře - pomocí funkce skládání dvou obrazů a funkce interferogram.

+ TRANSFORMACE =

OBRAZOVÉ INTENZITY 1

VÝSTUP

2.5 m

0 0

VSTUP

1

19

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 20

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 NH3 + HCl  NH4Cl 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

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

27

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

Olejový nátěr na boční stěně kanálu

Vizualizace hranic proudu 28

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 29

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

Vyústka Měřená plocha

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 30

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 Δx Δy wx  , wy  ze vztahů:

Δτ

Δτ

Pro vyhodnocení Dx a Dy je vhodná např. Fourierova transformace. Vyhodnocování se provádí obvykle dodaným komerčním software.

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 x w 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

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 Proudění bublinek  Mlha ve vzduchu pod rotujícím diskem  Částice prachu ve vzduchu ve vodě aj. dvoufázové systémy

34

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

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 36

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. Ultrafialové

Ultrafialové

Rentgenové

Elektronové

 = 147 nm

 = 253,7 nm

  1 nm

4  60 keV

Zkoumaný PLYN

O2

O3

jakýkoliv

jakýkoliv

Hmotový souč. zeslabení μ = β/ [m2.kg-1]

2,5.104

1,7.104

79

104  105

Hustota plynu  [kg.m-3]

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

ZÁŘENÍ

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