Stanowisko pomiarowe, metodyka i zakres badań

Badania termoanemometryczne prowadzono na stanowisku do badań bilansowych opisanym w rozdziale 5.1. Stanowisko to zostało dostosowane (wycięcie otworu do manipu-lacji czujnikiem) i doposażone w elementy niezbędne do prowadzenia badań sondą termoa-nemometryczną. Na rysunku 6.6 przedstawiono schemat ideowy rozbudowanego stanowiska.

Rys.6.6. Schemat stanowiska pomiarowego do badań termoanemometrycznych

Podstawowym elementem nadbudowanego sytemu pomiarowego jest trójwłóknowa sonda termoanemometryczna TURBULENCE METER typ ATM 94 [49]. Czujnik termoa-nemometryczny (1) zainstalowany jest na ramieniu układu pozycjonującego. Układ ten składa się z dwóch śrub mikrometrycznych, umożliwiających przemieszczanie sondy w układzie prostokątnym (płaszczyzna XY). Śruba (2) odpowiada za przemieszczanie po współrzędnych Y, śruba (3) przemieszczanie po współrzędnych X. Każde z włókien trójkanałowej sondy zasi-lane jest analogowo z mostka termoanemometrycznego zabudowanego na karcie pomiarowo-sterującej (4) A/C PC LabCard PLC 814. Karta ta zintegrowana jest poprzez slot ISA z komputerem klasy PC, na którym zainstalowano oprogramowanie sterujące, opracowane przez Pracownię Metrologii Przepływów Instytutu Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk w Krakowie. Na rysunku 6.7 przedstawiono interfejs graficzny programu sterującego.

Badani a t er moa ne mo m et ryc zne

S t r o n a | 82

Rys.6.7. Interfejs programu sterującego sondą termoanemometryczną

– widok panelu pomiarowego [49]

Trójwłóknowy termoanemometr umożliwia pomiar wektorów prędkości w prostokątnym układzie współrzędnych, celem jednoznacznego ujednolicenia interpretacji wyników, powiązano kartezjański układ współrzędnych z geometrią wirnika jak na rysunku 6.8a Dodatkowo na rysunku 6.8b pokazano przykładowe położenie czujnika za wirnikiem.

a) b)

Rys.6.8. Ustawienie czujnika za wirnikiem a) przyjęcie układu współrzędnych,

b) przykładowe położenie

Punkt (0,0,0) układu współrzędnych odpowiada punktowi przecięcia osi włókien termoane-mometru. Włókna przypisane do danych osi układu, odpowiadają z kolei kierunkom wekto-rów składowych prędkości w tradycyjnym opisie przepływu przez wirnik, to jest:

oś „x” – składowa osiowa cx, włókno niebieskie, oś „y” – składowa promieniowa cr, włókno czerwone, oś „z” – składowa obwodowa cu, włókno zielone.

S t r o n a | 83

Każde z włókien termoanemometru próbkuje sygnał z częstotliwością 4,7 kHz. W wyniku pomiarów dostajemy przebieg czasowy modułów prędkości bezwzględnej i jej składowych w jednym punkcie przyłożenia sondy. Przykładowy przebieg (fluktuacje prędkości) dla po-wietrza wypływającego z wirnika (położenie sondy: b2=50%, r = r2+5 mm) zaprezentowano na rysunku 6.9.

Rys.6.9. Przykładowy przebieg czasowy prędkości wypadkowej i jej składowych

(cx-niebieski, cr-czerwony, cu-zielony, c-czarny)

Przytoczone wyniki, wskazują, że pomimo, chaotycznego, pulsacyjnego charakteru przepływu, średnie prędkości są stałe w czasie. Przy założeniu średnio-ustalonego ruchu tur-bulentnego płynu, każdy z parametrów przepływowych w danej chwili czasu, możemy zapi-sać jako sumę wartości uśrednionej i jej fluktuacji. Odpowiednio prędkość bezwzględną i jej składowe przedstawimy w postaci (6.5):

𝑐 = 𝑐 + 𝑐′

𝑐_𝑥 = 𝑐_𝑥+ 𝑐_𝑥′

𝑐_𝑟 = 𝑐_𝑟+ 𝑐_𝑟′

𝑐_𝑢 = 𝑐_𝑢+ 𝑐_𝑢′

(6.5)

Przy założeniu stałej gęstości, wybraną składową uśredniamy w następujący sposób: 𝑐_𝑖 = ¹

𝑡₂− 𝑡₁ ^{∫ 𝑐𝑖𝑑𝑡}

𝑡₂

𝑡1

(6.6) gdzie przedział czasu przyjęty do uśrednia (t2 – t1) musi być dużo większy od średniego okre-su pulsacji turbulentnych. Dla analizowanych przypadków (prędkość wirnika 2880 obr./min), okres pulsacji turbulentnych wynosił około 2 ms, przy okresie uśredniania wynoszącym 990 ms.

W przypadku analizowania przepływu jako średnio-ustalonego, łatwo zauważyć, że średnia wartość pulsacji jest równa zero.

𝑐_𝑖′ = ¹

𝑡₂− 𝑡₁ ^{∫ 𝑐}𝑖^′𝑑𝑡 = 0

𝑡₂

Badani a t er moa ne mo m et ryc zne

S t r o n a | 84

Wartość średnia nie jest zatem użyteczna do opisu ilościowego turbulencji, a jako jej miarę przyjmuje się względną intensywność, którą definiowano dla poszczególnych składowych równaniem (6.7) [107]: 𝜀_𝑖 = √∑𝑁 ^(𝑐𝑖𝑛− 𝑐_𝑖)2 𝑛=1 𝑁 𝑐_𝑖 ^{∙ 100%} (6.7) gdzie:

N - liczba zarejestrowanych próbek, n - numer próbki,

i - oznacza składową (i = x,r,u) lub prędkość bezwzględną (brak indeksu).

W oparciu o przytoczone zasady, opisany został przepływ przez wentylatory na pod-stawie badań termoanemometrycznych prowadzonych na potrzeby niemniejszej pracy. Na rysunku 6.10 przytoczono przykładowe wyniki analizy rozkładu prędkości na wylocie z wirnika, przy założeniu analizy quasi-stacjonarnej. Wyniki prezentują serię pomiarową wy-konaną w odległości 5mm od wylotu z wirnika sondą przesuwaną równolegle do krawędzi spływu z łopatki.

a) b)

Rys.6.10. Wyniki badań termoanemometrycznych dla przepływu średnio-ustalonego, a) prędkości

średnie, b) intensywność turbulencji (TT-tarcza tylna, TP-tarcza przednia wirnika)

Wyniki badań termoanemometrycznych przedstawione i przeanalizowane będą w trzech grupach tematycznych. Pierwszy rozwiązywany problem dotyczy analizy kinematy-ki przepływu w przekroju wylotowym wirnika – określenie rzeczywistego poślizgu prędkości względem szerokości kanału wylotowego w relacji z punktem i układem pracy wirnika. Drugi porusza problematykę przestrzennego kształtowania przepływu w obudowie w zależności od układu pracy wirnika. Ostatnim zagadnieniem analizowanym na podstawie badań termoane-mometrycznych, jest wyznaczenie rzeczywistych linii prądu cząstek w dyfuzorze kanałowy. W oparciu o rzeczywiste tory opracowano przybliżony model teoretyczny toru w układzie przestrzennym za wirnikiem pracującym w obudowie kanałowej.

S t r o n a | 85

Dane przedstawione we wprowadzeniu teoretycznym do niniejszej pracy (rozdział 4), wskazują, że istniejące modele przepływu przez wirnik (rozkład prędkości na wylocie z kanału międzyłopatkowego) nie uwzględniają kształtu zabudowy, a właściwie brak jest ana-lizy przepływu dla wentylatorów promieniowych w zabudowach kanałowych. W celu oceny wpływu zabudowy na kształtowanie kinematyki przepływu przez wirnik, w szczególności zbadania rzeczywistego poślizgu w przekroju wylotowym, przeprowadzono badania jako-ściowe przepływu za wirnikiem w trzech różnych układach pracy. Układy pracy i przyjęte pola sądownia przedstawiono na rysunku 6.11.

Rys.6.11. Układy pracy i przyjęte pola sondowania dla badań termoanemometrycznych

Oznaczenie pól sondowania bezpośrednio wskazuje na układ pracy i ich lokalizację w danym układzie, tj. πK – zabudowa kanałowa, πS180 – zabudowa spiralna na kącie rozwinię-cia 180º, πS180 – zabudowa spiralna na kącie rozwinięcia 270º i πW – wolny wylot. Pola zloka-lizowane są zawsze w taki sposób, że leżą na płaszczyźnie przechodzącej przez środek obrotu wirnika. Na podstawie zabudowy kanałowej, gdzie wprowadzono punkty ABCD oznaczające wierzchołki pola sondowania, można wskazać następujące cechy charakterystyczne, obowią-zujące w każdym układzie:

 pola sondowania są prostokątami,

 odcinki AB i DC są równoległe do kierunku osiowego (x),

 odcinki AD i BC są równoległe do kierunku promieniowego (r),

 kierunek obwodowy (u) jest normalny do pola sondowania.

Z racji ograniczeń związanych z przestrzenią wewnątrz obudowy, a tym samym możliwo-ścią manipulowania czujnikiem, każde z pól ma inne wymiary i pozycję względem wirnika (przesunięcie po kierunku osiowym).

Badani a t er moa ne mo m et ryc zne

S t r o n a | 86

6.4. Badanie kinematyki przepływu w przestrzeni za wirnikiem promieniowym