Диссертация (1141493), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Донастоящего времени не существует единой концепции кинематической структурытурбулентного потока и численной оценки вероятности переноса импульса поглубине.ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ОТКРЫТЫХТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ2.1 Экспериментальные стенды, параметрыСобственные измерения реализаций скорости автором проводились внаучно-исследовательской лаборатории «Гидравлики и Гидромеханики», НОЦ«Гидротехника» МГСУ, где установлен гидравлический лоток, геометрическиепараметры которого представлены в Таблице 2.1.Таблица 2.1 - Геометрические характеристики экспериментального лоткаНОЦ «Гидротехника» МГСУ37Наименование характеристикиЗначение характеристикиДлина лотка15,5 мДлина рабочего участка12,5 мШирина лотка0,311 мВысота боковых стенок0,45 мУклон лотка+ 2,5% (1,435°) до – 0,5% (0,287°)Материалы лотка: днище лотка - нержавеющая сталь, боковые стенки –закаленное стекло.
При планировании экспериментов были приняты следующиедопущения:- канал гидравлический гладкий (исходя из материалов лотка) и принятгидравлически гладкий режим сопротивления;- не учитываются деформации, вызванные весом отсека жидкости, с точкизрения их влияния на характеристики потока (при полном наполнении лотка прогиб днища лотка менее 1,0 мм, прогиб боковых стенок менее 0,5 мм).Экспериментальныйканалоборудованцентробежнымнасосом,максимальный расход воды которого составляет 36 л/с.Нарисунке2.1гидравлического лотка:изображенысоставляющиеэкспериментального38Рисунок 2.1 - Экспериментальный гидравлический лоток.1 - рабочий участок; 2 - участок, на котором происходит выравнивание потока, 3 сбросный короб, через который происходит отвод воды, 4 - насос,обеспечивающий циркуляцию воды в лотке; 5 – всасывающий патрубок насоса,напорный патрубок насоса; 7 - резервуары с водой; 8 - электромагнитныйрасходомер; 9 - консоль управления режимом работы лотка; 10 - коммутатордистанционного управления экспериментальным лотком; 11 - пульт управленияуклоном лотка; 12 - рельсы с миллиметровой шкалой для перемещенияэкспериментальных кареток с зондами (электронный шпиценмасштаб,гидрометрическая вертушка, трубка Пито и др.); 13 - опоры39Подача воды в лоток осуществляется из четырех баков, связанных междусобой (позиция 7 на рисунке 2.1), циркуляция воды в экспериментальном лоткеосуществляется с помощью центробежного насоса (позиция 8 на рисунке 2.1).Натурноеизмерениеглубиныпотокавэкспериментальномлоткепроизводилось электронным шпиценмасштабом (рисунок 2.2), которое далееиспользовалось для тарировки полученных данных в ходе измерений с помощьюЛДИС (комплекс лазерного доплеровского измерителя скорости):Рисунок 2.2 - Электронный шпиценмасштаб.
1- щуп; 2 - наконечник - игла;3-цифровой датчик перемещения; 4 - вертикальная штанга; 5 - каретка;6 - рельсы; 7 - продольная шкала на стенке лотка; 8 - дно лоткаПульт управления режимом работы экспериментального канала представленна рисунке 2.3, позволяющий осуществлять: контроль, сбор и обработку данныхэксперимента.40Рисунок 2.3 - Пульт управления режимом работы экспериментального канала. 1тумблер включения и выключения пульта; 2 - тумблер включения и выключениянасоса; 3 – клавиши управления расходом; 4 - табло заданного расхода; 5 - таблодействительного расхода; 6 - кнопка аварийного выключения лабораторноголотка; 7 - кнопка отключения режима переполнения лотка412.2 Измерительная техника, возможности и ограничения.
Лазернодоплеровская методика измерения турбулентностиДля измерения пульсаций скорости в гидравлическом лотке, описанном вп.2.1 в работе был использован бесконтактный метод измерения с помощьюЛазерной доплеровской измерительной системы (ЛДИС) ЛАД-056 [98], состоящейиз двух лазерных анемометров доплеровских (ЛАД-05 и ЛАД-06), проводящихизмерения в режиме обратного светорассеяния (фотоприемник в таких системахрасположен с той же стороны, что и формирователь зондирующего поля,относительно исследуемого объекта). Данный метод получил широкое применениедля исследования турбулентных потоков в трехмерной постановке.
Система ЛАД056 представлена на рисунке 2.4.Рисунок 2.4 - Размещение приборов для 3D измерений вектора скорости42Каждый из двух ЛАД является самостоятельным измерительным прибором,характеристики которого представлены в таблице 2.2Таблица 2.2 - Характеристики измерительного оборудования НОЦ«Гидротехника» МГСУНаименование характеристикиЗначение характеристикиДиапазон измеряемых компонент скоростей:- по осях Х,У±0.01…30 м/с- по оси Z±0.02…100 м/сПогрешности измерения скорости:- для компонент Х,Уне более ±0.5%- для компонент Zне более ±1.5%Статическая погрешность отслеживания спектральногоне хуже ±0.1%пика доплеровского сигналаОшибка при определении временных параметров работыне более 50 нс.препроцессоровМаксимальнаячастотакоммутацииизмерительных300 кГцканаловИзмерение двух компонент скорости происходило следующими этапами:анемометры ЛАД-05 и ЛАД-06 формировали две интерференционные картины свзаимно ортогональными поляризациями (линейно поляризованный свет внаправлениях 0 и 90о), которые сдвинуты относительно друг друга на угол, равныйуглу между оптическими осями анемометров.
В каждом из приборов под действиеммодулирующегонапряженияформируетсядва световых пучка, которыенаправляются в исследуемую область потока для измерения компонент вектораскорости.Пересечениедвухкогерентныхоптическихпучковобразуетинтерференционное поле с известной пространственно-временной периодическойструктурой. Интерференционная картина ЛДИС представлена на рисунке 2.5.43Рисунок 2.5 - Интерференционная модель ЛДИС (в области пересеченияобразуется муаровая решетка интенсивности)Восстановление 2D вектора скорости в измерительном комплексе ЛДИС набазе ЛАД-056 осуществляется по следующей схеме:Пусть + - угол между оптическими осями анемометров, V1 и V2 –измеренные скорости приборами ЛАД-05 и ЛАД-06 соответственно (рисунок 2.6).Рисунок 2.6 - Координатный базис для измерения ортогональных компонентвектора скорости44Для получения данных по компонентам скорости V x , V y , V z в декартовыхкоординатах (x, y, z) используются следующие соотношения:V1 Vx cos Vz sin(2.1)V2 Vx cos Vz sin (2.2)Выполняя преобразования уравнений (2.1) и (2.2), получаем:Vx V1 sin V2 sinsin cos sin cos Vz V1 cos V2 cossin cos sin cos (2.3)(2.4)В случае, если углы и равны, то выражения (2.3) и (2.4) можноупростить:Vx V1 V22 cosVz V1 V22 sin (2.5)(2.6)Значение третьей компоненты скорости V y синтезировалось программнымкомплексом ЛДИС автоматически, исходя из полученных данных по продольной ивертикальной компонентам вектора скорости.Лазерный доплеровский измеритель скорости (ЛДИС) широко применяетсяв современных исследованиях и является самым универсальным методом дляизмерения скорости в условиях лабораторий.
ЛДИС не возмущает изучаемыйпоток. При его использовании обеспечивается широкий диапазон измеряемыхскоростей, достигается большое пространственное и временное разрешение, естьвозможность измерять сразу три компоненты вектора скорости. Одновременно сэтим скорость является линейной функцией от измеряемого сигнала - частотыдоплеровского сигнала.452.3 Особенности измерения турбулентности методом лазерной доплеровскойанемометрии (ЛДА). Особенности расчета статистических характеристиктурбулентностиМетод лазерной доплеровской анемометрии является одним и современныхметодов исследования турбулентных потоков.
Точность измерения скоростиводного потока определяется точностью измерения доплеровской частоты.Получив с достаточной точностью данные экспериментов, необходимо оценить ихдостоверность. Полученные реализации пульсации скорости представляют собойслучайные величины, в связи с чем должны подчинятся известному законунормального распределения (или распределения по Гауссу).
Отклонения отнормального распределения учитываются третьим и четвертым центральнымимоментами. При этом интенсивность турбулентности принято характеризоватьвторым центральным моментом или дисперсией турбулентных пульсаций, кореньквадратный из которой стандартное отклонение, показывающее наскольконеопределенным может быть значение случайной пульсации.В связи с вышеизложенным, к экспериментальным данным накладываютсятребования об оптимальной длине реализации и непрерывности сигнала.
Опираясьна аппарат математической статистики для обработки экспериментальных данных(реализацийпульсацийскорости)можнополучитьинформациюопространственно-энергетических характеристиках турбулентного потока, которыеудобно рассмотреть в виде таблицы 2.3:Таблица 2.3 - Пространственно-энергетические характеристикитурбулентности№ Рассчитываемаяхарактеристика1ПлотностьраспределенияРасчетнаяформулаФормула(1.22)ФизическийсмыслхарактеристикиВероятностьпринимаемогоТребованиек длинереализации-Требование кнепрерывностисигнала-46вероятностипульсаций2ВторойцентральныймоментФормулы(1.25, 1.26)3ТретийцентральныймоментФормулы(1.27, 1.28)4ЧетвертыйцентральныймоментФормулы(1.29, 1.30)5ТурбулентныекасательныенапряженияКорреляционнаяфункцияСпектральнаяфункцияФормула(1.7)67Формулы(1.31, 1.32)Формулы(1.34, 1.35)значенияслучайнойвеличиныИнтенсивностьпульсаций, чембольшестандартноеотклонение, темболее неопределенослучайноезначениепульсацииОтклонение отнормальногораспределенияотносительнооси ординатСтепеньсглаженностикривойплотностивероятности в ееобластимаксимальныхзначенийОпределяютпотери энергии впотокеМасштабытурбулентностиЭнергиятурбулентностиесть-----есть-естьестьестьестьНеобходимая длина реализации связана с количеством наблюдений чтобывыборка была репрезентативной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
