Zastosowanie konwekcji cieplnej do określania kierunku przepływu dwuwymiarowego

Transkrypt

1 Prace Instytutu Mechaniki Górtwru PAN Tm 19, nr 1, marzec 217, s Instytut Mechaniki Górtwru PAN Zastswanie knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływu dwuwymiarweg PAWEŁ JAMRÓZ Instytut Mechaniki Górtwru PAN, ul. Reymnta 27; 3-59 Kraków Streszczenie W artykule przedstawin badania nad mżliwścią wykrzystania zjawiska knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływów. Rzwiązanie takie mgłby znaleźć zastswanie w warunkach pmiarów przepływów cechujących się niskimi wartściami prędkści i fluktuacjami kierunku. W parciu przedstawiną ideę pmiaru pracwan prttypwy czujnik wypsażny w cienkie włókna termrezystancyjne pzwalające na kreślanie chwilwych wartści temperatury i wyknan badania labratryjne na stanwisku d pmiarów charakterystyk kątwych czujników termanemmetrycznych. Słwa kluczwe: kierunek przepływu, knwekcja cieplna, pmiar temperatury 1. Wstęp Detekcja kierunku przepływu w najszerszym zakresie wykrzystywana jest w mnitrwaniu zjawisk meterlgicznych. W pmiarach takich wykrzystuje się wiatrmierze ultradźwiękwe raz wiatrwskazy. Pmiar kierunku przepływu realizwany przez wiatrmierze ultradźwiękwe, związany jest z wykrzystaniem układu nadajników i dbirników impulsów akustycznych. Autmatyczne wiatrwskazy wykrzystują d teg suwak ptencjmetryczny, któreg płżenie zależne jest d wychylenia elementu ruchmeg wiatrwskazu zgdnie z kierunkiem wiatru. Działanie takich przyrządów graniczne jest d kreślania kierunku przemieszczających się mas pwietrza względem ziemi. Z uwagi na graniczną czułść raz bezwładnść ruchmych elementów wiatrmierzy, stswane urządzenia wykrzystywane są w granicznym zakresie, nie pzwalając na analizwanie kierunków przepływów cechujących się małymi prędkściami. Pewne graniczenia aplikacyjne w pmiarze kierunku przepływu takimi metdami związane są również z dużymi wymiarami takich sensrów. Dlateg też prwadzne są prace mające na celu miniaturyzację detektrów kierunku przepływu pracwywanych w technlgii MEMS wykrzystującą zjawiska unszenia ciepła wraz z przepływem w kierunku d nadajnika d detektrów w pstaci termmetrów termelektrycznych umieszcznych w jednej płaszczyźnie wraz z nadajnikiem [1]. Wyknując pmiary wentylacyjne w różneg typu biektach [2], częst stykamy się z prblemami wyznaczenia kierunków migracji medium w warunkach przepływów cechujących się niskimi prędkściami (pniżej,1 m/s), dla których występują fluktuacje zarówn prędkści jak i kierunku przepływu. Analizując takie ptrzeby pmiarwe związane z kreślaniem kierunków migracji gazów, zdecydwan się na pdjęcie próby pracwania nweg czujnika kierunku przepływu wykrzystująceg zjawisk knwekcji cieplnej i szerkpasmwe czujniki termrezystancyjne w pstaci cienkich włókien. Aby taki pmiar był mżliwy knieczne był przeprwadzenie badań związanych z wykrzystaniem zjawiska knwekcji cieplnej w kreślaniu kierunku przepływu.

2 36 Paweł Jamróz 2. Prttypwy czujnik d pmiaru kierunku przepływu wraz z systemem pzycjnwania Weryfikacja pstawinej hiptezy dtyczącej wykrzystania knwekcji cieplnej jak czynnika pzwalająceg ustalić kierunek przepływu wymagała sknstruwania prttypwej sndy pmiarwej zgdnie z przedstawinym schematem na rysunku 1. Z uwagi, że snda wypsażna miała być w czujniki włóknwe termrezystancyjne, wykrzystan dstępne w Pracwni Metrlgii Przepływów gtwe czujniki, które dpsażne zstały w bsadki łączące je z systemem pmiarwym. Aby mżliwe był wykrzystanie istniejących elementów pmiarwych knieczne był pracwanie dpwiedniej knstrukcji sndy kierunku przepływu stabilizującej płżenie pszczególnych czujników termmetrycznych. W parciu przedstawiny schemat wyknana zstała prttypwa snda pmiarwa. Z uwagi, że snda wypsażna miała być w czujniki włóknwe termrezystancyjne, wykrzystan dstępne w Pracwni Metrlgii Przepływów gtwe czujniki, które dpsażne zstały w bsadki łączące je z systemem pmiarwym. Cała knstrukcja sndy przedstawina zstała na rysunku 2. Jej pdstawy wyknane zstały z Tarflenu, cechująceg się dprnścią na temperatury d 26 i stsunkw niskim współczynnikiem przewdnści cieplnej. W dlnej pdstawie umieszczne zstał źródł ciepła, w pstaci grzałki sterwanej za pmcą auttransfrmatra. Rys. 1. Knstrukcja sndy schemat Rys. 2. Knstrukcja sndy prttyp 3. Stanwisk pmiarwe Przedstawina snda pzwliła na przeprwadzenie badań związanych z wykrzystaniem knwekcji cieplnej w kreślaniu kierunku przepływu. Badania te wymagały ddatkw mdernizacji istniejąceg stanwiska pmiarweg d badania charakterystyk czujników termanemmetrycznych [3]. W skład stanwiska wchdzi twarty tunel aerdynamiczny z wentylatrem, napędzany silnikiem trójfazwym zasilanym prądem zmiennym częsttliwści w zakresie,5 d 5 Hz z rzdzielczścią,1 Hz za pśrednictwem falwnika HITACHI SJ2. Na wylcie wentylatra, w celu wyrównania przepływu, sknstruwan ulwnicę wyknaną z cienkich rurek. Rys. 3. Tunel aerdynamiczny z termanememetrycznym układem zasilania snd

3 Zastswanie knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływu dwuwymiarweg 37 W przedstawinym stanwisku pmiarwym zstały wykrzystane dwa czterkanałwe, sterwane cyfrw układy zasilania czujników termanemmetrycznych CCC 22. Umżliwiają ne pracę zarówn w układzie stałtemperaturwym (pmiar prędkści), jak i stałprądwym (pmiar temperatury) [4]. Układy te współpracują z kartą pmiarwą Natinal Instruments NI USB-69 umżliwiającą śmikanałwy pmiar napięcia z rzdzielczścią 13 bitów i częsttliwścią maksymalną 6 khz na kanał (dla pmiaru z wykrzystaniem śmiu kanałów w trybie single-ended). Opisane stanwisk pmiarwe wymagał mdernizacji pzwalającej na przeprwadzenie zaplanwanych badań eksperymentalnych związanych z badaniem charakterystyki pracwaneg czujnika kierunku przepływu. Mdernizacja ta plegała na napisaniu prgramwania pzwalająceg na jednczesną akwizycję danych pmiarwych z śmiu kanałów termmetrycznych raz ich wizualizację w trybie n-line. Oprgramwanie współpracuje z kartami pmiarwymi firmy Natinal Instruments. Prgram zstał wyknany w śrdwisku prgramistycznym C++ Builder pakietu RAD Studi XE3. Okn śrdwiska prgramistyczneg raz główny panel prgramu przedstawin na rysunku 4. Rys. 4. Prgram d akwizycji danych Ddatkw system pmiarwy wypsażny zstał w układ pzycjnwania czujnika, pzwalający na brót sndy względem własnej si z rzdzielczścią 5. Snda pmiarwa wraz z układem pzycjnwania przedstawina zstała na rysunku 5. Rys. 5. Snda Część pmiarwa Dane pmiarwe rejestrwan z częsttliwścią próbkwania wynszącą 1 khz w każdym z śmiu kanałów pmiarwych. Z uwagi na t, że nie wyknywan wcześniejszeg wzrcwania termmetrycznych snd pmiarwych, na pczątku każdeg cyklu eksperymentów dknywan pmiaru w tej samej temperaturze T przez każdą z snd pmiarwych w celu kreślania pzimu napięcia na pszczególnych sndach U(T ).

4 38 Paweł Jamróz Na pdstawie zmierznych chwilwych wartści napięcia U(T) w trze stałprądwym termanemmetru wyznaczana jest wartść temperatury medium T zgdnie z zależnścią: T U ( T) U ( T ) T U ( T ) gdzie: α temperaturwy współczynnik rezystancji dla materiału elementu czynneg termmetru w temperaturze wzrcwania T (α =,36 [5]). Wraz z wynikami pmiarów związanymi z kreślaniem kątów przepływu pdawana jest prędkść średnia przepływu. Prędkść tą mierzn w bszarze wltwym d czujnika za pmcą termanemmetru Velcicalc 9565 wypsażneg w sndę typ 96 błędzie granicznym,15 m/s. Temperatura dniesienia mierzna była z wykrzystaniem miernika termparweg TENMARS TM-742D wypsażneg w termparę typu K. W trakcie prwadzenia eksperymentów wymuszane były przepływy w kreślnych kierunkach związanych z układem dniesienia sndy pmiarwej. Analizie pdlegały chwilwe i średnie wartści sygnałów dpwiedzi temperaturwych tych czujników. 4. Badania labratryjne Labratryjne badania rzkładu ciepła nad źródłem umieszcznym w przepływach cechujących się małymi prędkściami wyknywane były z wykrzystaniem kamery termwizyjnej raz termanemmetryczneg, wielpunktweg systemu pmiarweg CCC22 pracująceg jak termmetr stałprądwy i rejestrująceg sygnały pmiarwe z śmiu czujników termrezystancyjnych. Badania wyknan dla przypadku knwekcji cieplnej nad źródłem ciepła w warunkach bez przepływu wymuszneg, z przepływem wartści,5 m/s raz w przypadku przepływu,15 i, m/s Brak przepływu Dla prędkści przepływu zbliżnej d m/s nagrzanie górnej pdstawy sndy rzłżne jest równmiernie wraz z dległścią d jej śrdka (Rys. 6). Rys. 6. Termwizja v m/s Temperatura rejestrwana przez wszystkie czujniki jest na pdbnym pzimie i mieści się w przedziale między 22, a 27 C (Rys. 7 trzy klejne przypadki pmiarwe). Różnice te mgą świadczyć wystąpieniu niemierzalneg ruchu pwietrza w kierunku czujników rejestrujących najwyższe wartści temperatury. Rzkłady temperatur średnich z kresu 1 s zstały umieszczne na wykresach w układzie współrzędnych biegunwych (Rys. 8 trzy klejne przypadki pmiarwe). Długść każdeg z prmieni wdzących wskazuje wartść temperatury czujnika. Kąt skierwania prmienia dpwiada płżeniu pszczególneg czujnika tak jak t przedstawin na rysunku 1. W każdym z trzech przypadków pmiarwych najniższa wartść temperatury rejestrwana była przez czujnik. Temperatury najwyższych wartściach rejestrwane są natmiast przez czujniki 135, 18 raz 2.

5 Zastswanie knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływu dwuwymiarweg 39 3 v= m/s v= m/s v= m/s Rys. 7. Zarejestrwane temperatury dla v m/s erunku nap yw czujnika: w kierunku 45 c czujnik czujnik erunku nap yw czujnika: w kierunku c 5 czujnik erunku nap yw czujnika: w kierunku 18 2 c czujnik czujnik 27 erunku nap yw czujnika: w kierunku 315 c czujnik v= m/s v= m/s v= m/s Ry. 8. Zarejestrwane średnie temperatury dla v m/s biegunwy układ współrzędnych 4.2. Prędkść przepływu v =,5 m/s Prędkść,5 m/s jest prędkścią graniczną mżliwą d zrealizwania na prezentwanym stanwisku pmiarwym. Eksperyment realizwany był w taki spsób aby linie prądu przepływu pkrywały się z kierunkiem 18 -, związanym z sndą pmiarwą. Zdjęcie termwizyjne nagrzanej górnej pdstawy sndy (Rys. 9) pkazuje stżek cieplny, utwrzny p długim czasie nagrzewania. Jeg cechą charakterystyczną jest szerki zakres ddziaływania bejmujący w tym przypadku czujniki, 45 i 315. Rys. 9. Termwizja v =,6 m/s Wpływ ddziaływania strugi knwekcyjnej da się również zauważyć na czujniku 9 (Rys. 1 i 11). Efekt ten występuje jedynie dla najniższych prędkści (pniżej,1 m/s) i spwdwany jest wielkścią i kształtem elementu grzejneg. W celu wyeliminwania teg zjawiska knieczne są dalsze badania nad ptymalizacją źródła ciepła raz kształtu budwy czujnika z symulacji w śrdwiskach bliczeniwych wspierających mdelwanie zjawisk przepływwych (CFD).

6 4 Paweł Jamróz 35 3 v=,5 m/s v=,5 m/s v=,5 m/s runku nap yw czujnika: w kierunku c45 czujnik czujnik runku nap yw czujnika: w kierunku c czujnik runku nap yw czujnika: w kierunku c18 2 czujnik czujnik 27 runku nap yw czujnika: w kierunku c315 czujnik Rys. 1. Zarejestrwane temperatury dla v =,5 m/s v=,5 m/s v=,5 m/s v=,5 m/s Rys. 11. Zarejestrwane średnie temperatury dla v =,5 m/s biegunwy układ współrzędnych 4.2. Prędkść przepływu v >,1 m/s W zakresie prędkści pwyżej,1 m/s następuje zawężenie śladu cieplneg (Rys. 12). Struga knwekcyjna kierwana jest w kierunku czujnika, w kierunku któreg następuje napływ pwietrza. Rys. 12. Termwizja v =,15 m/s Ptwierdzają t wyniki pmiarów temperatury pszczególnych termmetrów. Na rysunku 13 przedstawin chwilwe wartści temperatur rejestrwane przez klejne czujniki dla przepływów prędkści,15 i, m/s. W bu przypadkach najwyższe wartści temperatur wskazywane są przez termmetr, w kierunku któreg następuje przepływ (czujnik ).

7 Zastswanie knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływu dwuwymiarweg 41 5 v=,15m/s v=,m/s erunku nap yw czujnika: w kierunku 45 c czujnik czujnik erunku nap yw czujnika: w kierunku c 5 czujnik erunku nap yw czujnika: w kierunku 18 2 c czujnik czujnik 27 erunku nap yw czujnika: w kierunku 315 c czujnik Rys. 13. Zarejestrwane temperatury dla v =,15 i, m/s Analizując wartści temperatur w klejnych chwilach czaswych widać duże zmiany temperatury czujnika, w kierunku któreg następuje napływ. Związane jest t z niejednrdnym rzkładem pla temperatury strugi knwekcyjnej unsznej przez przepływ. W każdym punkcie rejestrwanych temperatur, wartść temperatury wskazywanej przez czujnik, na który struga knwekcyjna ddziałuje wskazuje wyraźnie większe wartści. Wskazywane różnice temperatur między czujnikiem, a resztą mieszczą się w granicy między 8 a 2 C. W tabeli 1 i na rysunku 14 przedstawin średnie wartści temperatury zebrane z 1 próbek zarejestrwanych z częsttliwścią 1 khz przez każdy z czujników. Tab. 1. Średnie wartści temperatur v =,15 m/s i v =, m/s v =,15 m/s 36,6,2 23,6 23,4 22,1 22,1 22,2 22,7 v =, m/s 36,9 23,8 23,6 23,6 22,9 22,8 22,8 23, 12 v=,15 m/s v=, m/s Rys. 14. Zarejestrwane średnie temperatury dla v =,15 i, m/s biegunwy układ współrzędnych Analizując pszczególne wartści mżna zauważyć, że wszystkie czujniki prócz czujnika wskazują temperaturę zbliżną d temperatury przepływająceg medium (22,3 C). Nieznacznie pdwyższną wartść temperatury wskazuje czujnik 45 (różnica między 1, a 2 C) w stsunku d czujników pzstających pza strefą ddziaływania główneg nurtu strugi knwekcyjnej związaneg z unszeniem jej przez przepływ. W celu zbrazwania isttnści wskazań pszczególnych czujników w prcesie wyznaczania kierunku przepływu, d wszystkich wyznacznych wartści średnich temperatur djęt wartść minimalnej średniej

8 42 Paweł Jamróz temperatury. Dla przypadku v =,15 m/s był t 22,1 C natmiast dla przypadku v =, m/s, 22,8 C. Następnie wszystkie nw wyliczne wartści temperatur zstały pdzielne przez wartść największą, tak aby uzyskać wykresy w jednstkach bezwymiarwych w zakresie d 1 rysunek v=,15 m/s v=, m/s Rys. 15. Względne składwe kierunku przepływu dla v =,17 i,27 m/s W przypadku v =,15 m/s prócz dminującej składwej widać nieznaczne ddziaływanie strugi knwekcyjnej na czujnik 45. Dla prędkści, m/s takie ddziaływanie jest niezauważalne. Analgiczne badania wyknane zstały dla napływu wartści prędkści, m/s w kierunku każdeg z czujników tj., 45, 9, 135, 18, 2, 27 i 315. Ich wyniki zaprezentwan na rysunku Rys. 16. Względne składwe kierunku przepływu w przypadku napływu w kierunku klejnych czujników dla v =, m/s Uzyskane w ten spsób wyniki pkrywają się z wynikami pmiarów i analiz przedstawinymi dla przypadku napływu w kierunku czujnika. Wykazują, że mżliwe jest takie ustawienie sndy, w którym struga knwekcyjna ddziałuje jedynie na czujnik, w kierunku któreg następuje przepływ. Pzwala t na sfrmułwanie wnisku mżliwści sknstruwania uprszcznej wersji sndy d detekcji kierunku przepływu, która psiada tylk 1 czujnik termmetryczny. Pmiar kierunku i zwrtu przepływu plegałby wtedy na takim ustawieniu sndy względem przepływu, w którym snda termmetryczna wskazywałaby maksymalne wartści temperatury.

9 Zastswanie knwekcji cieplnej d kreślania kierunku przepływu dwuwymiarweg Pdsumwanie W trakcie prwadzenia badań nad prpnwaną metdą pmiaru kierunku przepływu wykazan, że istnieje mżliwść detekcji kierunku przepływu z zastswaniem knwekcji cieplnej dla prędkści przepływu pwyżej,1 m/s. Dla przepływów prędkściach pniżej,1 m/s weryfikacja metdy wymaga przebudwy stanwiska pmiarweg i ddatkwych badań. Knieczne są też dalsze prace w celu ptymalizacji kształtów czujnika. Uzyskane wyniki psłużą d wyknania dcelweg urządzenia pmiarweg pzwalająceg kreślać chwilwe kierunki dwuwymiarwych przepływów fluktuujących raz kierunki przepływów cechujących się niskimi prędkściami. Literatura [1] Chen B., Zhu Y.-Q., Yi Z., Qin M., Huang Q.-A.: Temperature Effects n the Wind Directin Measurement f 2D Slid Thermal Wind Sensrs. Mariani S., ed. Sensrs (Basel, Switzerland). 215;15(12): di:1.339/ s [2] Alexandrwicz Z. (red.).: Grty Kryształwe w Kpalni Sli Wieliczka. Studia Naturae. 46, 2. ISSN [3] Jamróz P. Ligęza P.: Stanwisk d badań charakterystyk kierunkwych czujników przepływu w zakresie małych prędkści. Materiały IX Knferencji Naukwej i Optelektrniczne i Elektrniczne COE 26 [4] Ligęza P.: Fur-pint nn-bridge cnstant-temperature anemmeter circuit. Exp. Fluids 29, 55 (2) [5] Cierniak W.: Termanemmeters. Instytut Mechaniki Górtwru PAN, Kraków, 29. Applicatin f the cnvective heat transfer fr determinatin f directin f 2D air flw Abstract The article presents studies n the use cnvective heat fr determinatin the air flw directin. This slutin culd be applied in case f tw-dimensinal flws measurements, characterized by lw velcity range and flw directin fluctuatins. Based n described idea f measurement, a prttype sensr was develped. The sensr was equipped with eight temperature prbes made f the very thin (5 μm diameter) wires. The labratry tests were perfrmed using the mdernised measurement stand dedicated t determine f anemmeters sensrs characteristic. Keywrds: flw directin, heat cnvectin, temperature measurement