Anemometria i jej zastosowanie w badaniach modelowych procesów odpylania i wentylacji

POLSKA A K A D E M I A N A U K ■ O D D Z I A Ł W K A T O W I C A C H

--- 4--- --- ^ _ ~ —

K O M I S J A O C H R O N Y Ś R O D O W I S K A C Z Ł O W I E K A R E G I O N Ó W P R Z E M Y S Ł O W Y C H

STANISŁAW MIERZWIŃSKI, ZBIGNIEW POPIOŁEK

ANEMOMETRIA I JEJ ZASTOSOWANIE PROCESÓW ODPYLANIA

I WENTYLACJI

W R O C Ł A W • W A R S Z A W A • K R A K Ó W - G D A Ń S K Z A K Ł A D N A R O D O W Y I M I E N I A O S S O L I Ń S K I C H W Y D A W N I C T W O P O L S K I E J A K A D E M I I N A U K

K O M I S J A O C H R O N Y Ś R O D O W I S K A C Z Ł O W I E K A R E G I O N Ó W P R Z E M Y S Ł O W Y C H

STANISŁAW MIERZW IŃSKI, ZBIGNIEW POPIOŁEK

ANEMOMETRIA I JEJ ZASTOSOWANIE

W BADANIACH MODELOWYCH PROCESÓW ODPYLANIA

I WENTYLACJI

W R O C Ł A W W A R S Z A W A ■ K R A K Ó W G D A Ń S K Z A K Ł A D N A R O D O W Y I M I E N I A O S S O L I Ń S K I C H W Y D A W N I C T W O P O L S K I E J A K A D E M I I N A U K

19 80

R e d a k t o r W y d aw n ictw a K in g a K o c im s k a R e d ak to r techniczny B oż ena Pojasek

Copyright by Zakład Narodow y im. Ossolińskich — W ydawnictwo. W rocław 1980 Printcd in Poland

ISBN 83-04-0054-5-X

Zakład Narodow y im. Ossolińskich — W ydawnictwo. W rocław 1980.

N akład: 800 egz. O bjętość: a rk . wyd. 9.00, ark . druk. 9.50.

Papier offset, kl. III, 70 g, 7 0 x 1 0 0 . O d dano d o drukarni w grudniu 1979. D ruk ukończono w styczniu 1980. Wrocławska D rukarnia

Naukow a. Zam. 297/79 - T - 3 Cena zł 2 7 .—

1. W STĘP ... 5

2. PROBLEMATYKA POMIAROWO-BADAWCZA W DZIEDZINIE ODPYLANIA GAZÓW I WENTYLACJI... 9

2 .1 . Tematyka b a d a ń ... 9

2 .2 . Metody b a d a w c z e ... 15

2 .3 . C h a ra k te r badanych przep ły w ó w ... 16

3. CHARAKTERYSTYKA PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH STO­ SOWANYCH DO POMIARU PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU I ANA­ LIZY SYGNAŁU P R Ę D K O Ś C I... •... 22

3 .1 . Wymagania staw iane anemometrom w badaniach procesów odpylania i w e n ty la c ji... 22

3 .2 . W łaściw ości kierunkow e anem om etrów ... 23

3 .3 . P rze g lą d przetw orników stosow anych do pom iaru p rę d k o ści przepływ u odpylania i w e n ty la c j i... 28

3.4-. P rze tw o rn ik i pom iarowe stosow ane do analizy sygnału p r ę d k o ś c i ... 3 1 4 . METODY WZORCOWANIA ANEMOMETRÓW... 38

4 .1 . W zorcowanie anemometrów w przepływ ie p o w i e t r z a ... 39

4 .2 . W zorcowanie anemometrów w przepływ ie w o d y ... 50

5 . ANEMOMETR Z GORĄCYM D R U T E M ... 57

5 .1 . Zasada d ziała n ia anemometru z gorącym d r u t e m ... 57

5 .2 . Przygotow anie anemometru z gorącym drutem do pom iarów .. 60

5 .3 . C zułość anemometru z gorącym drutem na fluktuacje o ra z n a zmiany w łaściw ości fizycznych p o w i e t r z a ... 68

5 .4 . C zułość kierunkow a anemometru z gorącym d ru te m ... 77

5 .5 . In te rp re ta c ja sygnału anemometru z gorącym d ru te m ... 82

5 .6 . Sposób pom iaru składowych w ektora p rę d k o ści śred n iej

w silnie burzliw ych p r z e p ły w a c h ... 95

6. ANEMOMETR L A SE R O W Y ... 101

6 .1 . W łaściw ości pomiarowe anemometru l a s e r o w e g o ...101

6 .2 . Metody generow ania cz ąstek ro z p ra sz a ją c y c h w anemom etrii lasero w ej ...102

6 .3 . Przygotow anie anemometru laserow ego do p o m ia ró w ...109

7. ZASTOSOWANIE ANEMOMETRII DO BADAŃ MODELOWYCH PROCESÓW ODPYLANIA I WENTYLACJI...112

7 .1 . Pom iary rozpływu pow ietrza wentylacyjnego ... 112

7 .2 . Pom iary p rę d k o ści ruchu p ow ietrza w s tre fie roboczej pom ieszczeń w entylow anych... 115

7 .3 . B adania stru k tu ry przepływ u pow ietrza w strum ieniach w entylacyjnych ■...117

7.4-. Pom iary ruchu gazu w c y k lo n ie ... 122

7 .5 . B adania przepływ u w modelu płuczki k o n ta k to w e j... 127

7 .6 . Pom iary opływu sond p y ło w y c h ...131

7 .7 . Pom iary pola p ręd k o ści aerozolu w modelu p ieca szybo­ wego 134

8 . DODATEK. DEFINICJE 1 PODSTAWOWE Z A L E Ż N O Ś C I...138

9 . LITERATU RA... 144

10. V!3J!0?;EłMR... 140 11. SUM M ARY... X51

W p ra c a c h nad udoskonaleniem procesów odpylania gazów i w enty­

la c ji pom ieszczeń duże znaczenie mają badania aerodynam iczne, gdyż w ciąż je sz c z e w iele problemów projektow ych i konstrukcyjnych z zakresu aerodynam iki można rozw iązać tylko eksperym entalnie.

Jedną z metod badawczych w tym z a k re sie je s t modelowanie fizykalne, które pozw ala znacznie ograniczyć uciążliw e i kosztow ne eksperym enty w n aturalnych obiektach, a p rz ed e wszystkim umożliwia prow adzenie ek spe­

rymentu na potrzeby projektow ania nowych obiektów.

W badaniach modelowych konieczne j e s t jednak stosow anie w łaściw ych metod i a p a ra tu ry pom iarow ej. Spośród m ierzonych w ielko ści fizycznych szczególnie ważne są pom iary pól p rę d k o ści przepływ u, d o sta rc z a ją c w ie­

lu inform acji o badanym p ro c e s ie . Skomplikowany c h a ra k te r przepływów zmusza do stosow ania złożonych metod pom iarowych. M etody te wchodzą w za k res anem om etrii.

Zarówno modelowanie fizykalne, jak i potrzebne do jego re a liz a c ji metody anemom etryczne wymagały w przypadku badań procesów odpylania i w entylacji daleko idącego przystosow ania i w ielostronnego rozw in ięcia.

P ra c e badaw cze prow adzone od kilku la t w Zakładzie O grzew nictw a, Wen­

ty la c ji i Ochrony Atm osfery P olitechniki ś lą s k ie j zapoczątkow ały i rozw i­

nęły ten eksperym entalny kierunek badań w P o lsc e . W iąże się to m .in . z badaniam i w ram ach problem u węzłowego 10 . 1 . 1 (la ta 1972- 1975) , a obecnie problem u węzłowego 1 0 .1 . "Metody, in sta la c je i u rz ąd ze n ia o ch ro ­ ny pow ietrza atm osferycznego, w entylacji i klim atyzacji", koordynowanego p rz e z OBR BAROWENT w Katow icach.

S zczególnie dużo uwagi poświęcono nowoczesnym metodom pomiaru p rę d k o ści, do których można zaliczyć term oanem om etrię i anemometrię

6

la se ro w ą . N iniejsza m onografia pośw ięcona je s t głównie tym dwom meto­

dom.

W L aboratorium Zakładu OWiOA przeanalizow ano i eksperym entalnie zweryfikowano w łaściw ości m etrologiczne tych metod. Zastosow ana do b a ­ dań a p a ra tu ra wymagała wykonania specjalnych u rz ąd ze ń u zupełniających, jak stanow isk do w zorcow ania anemometrów, układów przesuw u do zmia­

ny w spółrzędnych położenia punktu pomiarowego, generato ró w cz ąstek ro z p ra sz a ją c y c h dla anemometru laserow ego i innych.

W m onografii omówiono uzyskane w tym za k re sie dośw iadczenie w po­

staci oceny p rz y d atn o ści różnych układów p rz e tw a rz a n ia sygnału anemo­

metrów i in te rp re ta c ji takich sygnałów w ró żn ych w arunkach. O prócz metodologicznych inform acji przedstaw iono rów nież niezbędne podstawy teorety czn e o ra z n iek tó re badania i ich wyniki, stanow iące konkretne przykłady zastosow ania metod anemom etrycznych, doboru i przygotow ania ap a ra tu ry do p ra cy o ra z in te rp re ta c ji wyników pom iarów, z omówieniem ich dokładności.

Wiadomości zaw arte w tej p ra c y mogą być w ykorzystyw ane p rz e z specjalistów rów nież z innych dziedzin, zajm ujących się aerodynam iką eksperym entalną. Jednakże, n ależy zaznaczyć, że zajmowano się głównie zagadnieniam i pom iaru małych p rę d k o śc i, poniżej kilkunastu m /s , w w a­

runkach laborato ry jn y ch badań modelowych u rz ąd ze ń odpylających i u k ła ­ dów wentylacyjnych.

A utorzy m ają n a d z ie ję , że n in iejsza m onografia, p ierw sza w P o lsce w ca ło śc i pośw ięcona anem om etrii, p rzyczyni się do sz e rsz e g o za sto so ­ wania tej now oczesnej techniki pom iarow ej, jak rów nież będzie in sp ira c ją do dalszego jej rozw oju.

O z n a c z e n i a

A, B - w spółczynniki, D - śre d n ic a [ m j , F - p ow ierzchnia,

K - w spółczynnik,

L - skala całkow a,

N - liczb a próbek,

Nu - liczb a N u sselta, P ( S ) - d ystrybuanta,

P r - liczb a P ra n d tla lub prawdopodobieństwo,

R - oporność [Q J,

Re - liczb a R eynoldsa, R - au to k o relacja,

s

RS^S2 " in te rk o re la c ja ,

S - zmienna losow a,

S - w a rto ść śre d n ia ,

S ’ - fluktuacja,

S ’ 2 - w a rian cja,

* '

5 - w a rto ść skuteczna, T - tem p eratu ra ZX7>

U - n apięcie [ V j ,

V - n atężen ie przepływ u [m / s j ,

W - prędkość m /s ,

$(&/) - funkcja g ęsto ści widmowej mocy, 6 - intensyw ność tu rb u len c ji, a - stopień n a g rz a n ia ,

b - tem peraturow y współczynnik zmiany o porności Z%/deg7 d - o dległość, ś re d n ic a , wymiar c h a rak tery sty c zn y £m] , f - często tliw o ść [H zJ ,

g - p rz y sp ie szen ie ziem skie £ m /s J , h - w ysokość [ m j ,

m, n , - wykładnik,

p - ciśn ien ie / N/m J ,2

p ( S ) - funkcja g ę sto śc i praw dopodobieństw a, p ^ (S ) - funkcja rozkładu w a rto śc i chwilowych, p (S ^ , S ^) - łączna g ęsto ść praw dopodobieństw a, r - prom ień, odległość [m] ,

t - tem p eratu ra ¡°C ] , x , y , z - w spółrzędne,

ot - k ąt między kierunkiem ś r . przepływ u a norm alną do włókna czujnika,

fc - w spółczynnik,

3

S - kąt nachylenia,

'f - kąt odchylenia,

Y ( cni - unormowana funkcja g ęsto ści widmowej mocy, A - współczynnik przew odności cieplnej /W /m -deg7, A. _ m ikroskala długości [ m ] ,

<f - g ęsto ść / k g / m j ,

^ - względny prom ień,

y - współczynnik au to k o re lacji, - unormowana in te rk o re la c ja ,

yU - w spółczynnik lepkości dynamicznej / k g / m - s /, T - c z a s [ s j ,

r£ - sympleks tem peratury, O - p u lsacja / r d / s j . indeksy

d - dolna,

ef - efektyw na,

g - g ó rn a , gaz, i, j , k , 1 - liczby n atu ra ln e, L - lin e a ry z a to r,

m - m ikroskala,

o - osiow a, o dniesienia,

p - próbkow anie,

r - prom ieniow a,

s - styczna, włókno czujnika, t - g o rą c e ,

w - wlotowy, w ylew ania,

x , y , z - składowe we w spółrzędnych k a rte z ja ń sk ic h ,

z - zimny, ziarno.

W DZIEDZINIE ODPYLANIA GAZÓW I WENTYLACJI

Anemometria jako n a rz ę d z ie badaw cze w aerodynam ice eksperym en tal­

nej um ożliwia uzyskanie istotnych inform acji o polu p rę d k o ści p rzep ły w a­

jącego płynu. Może być źródłem inform acji ilościow ych o składowych w ektora pręd k o ści śre d n ie j, o w a rto ściach skutecznych fluktuacji podłuż­

nych i poprzecznych tego w ek to ra, o k o re la cjac h drugiego i w yższych rzędów między składowymi fluktuacji p rę d k o śc i, o rozk ład ach prawdopodo­

bieństw a w a rto śc i chwilowych p rę d k o śc i, o szybkości i c h a ra k te rz e zmian p rę d k o ści w c z a sie i p rz e s trz e n i. Anemometria daje zatem szczegółow ą inform ację o stru k tu rz e turbulentnych przepływ ów . Stąd jej duże znacze­

n ie w aerodynam ice eksperym entalnej.

Znaczenie i m ożliw ości anemom etrii w badaniach procesów w entylacji i odpylania mogą być o k reślo n e na podstaw ie analizy tematyki p ra c badaw­

czych prowadzonych w tych dziedzinach.

2 .1 . Tematyka badań

Skuteczność d ziałan ia u rząd zeń odpylających, u rz ąd ze ń chemicznego oczyszczania gazów odlotowych, u rz ąd ze ń wentylacyjnych i klim atyzacyj­

nych o ra z układów w entylacji pom ieszczeń w wysokim stopniu zależy od w łaściw ego ukształtow ania przebiegu zjaw isk aerodynam icznych, zw iąza­

nych z tymi p rocesam i.

Zorganizow anie w odpylaczu ruchu samego gazu jako nośnika pyłu stw arza lep sze w arunki do w ykorzystania sił w arunkujących ru ch i s e ­ p a ra c ję zanieczyszczeń pyłowych. Podobnie ru c h gazu w o b rębie obudo­

wy herm etyzującej źródło pylenia w arunkuje skuteczność jej d ziałan ia

10

i je s t ś c iś le związany m .in . z kształtem takiej obudowy.

W technice odpylania w ykorzystuje się ró ż n e siły i mechanizmy d z ia ­ łania do w y trącan ia pyłu z płynącego gazu. W e le k tro filtra c h są to siły pola elek tro staty czn eg o , w m echanicznych odpylaczach - siły m asowe, w m okrych odpylaczach - siły zd erzeń międzyfazowych, w filtra c h - dy­

fu zja, siły masowe i s z e re g innych. P rz y herm ety zacji isto tn e je s t uno­

szące d ziałan ie ukierunkow anych strum ieni po w ietrza.

W szystkie te zjaw iska odbywają się w płynącym g a z ie . Zatem ruch samego gazu, stru k tu ra b u rz łiw o śc i tego ru ch u , u kształtow anie pola p rę d ­ kości i ciśn ień - m ają isto tn e znaczenie. Znaczenie to w ciąż w z ra s ta , w m iarę jak chcemy uzyskać lep sze skuteczn ości d ziała n ia , gdyż wtedy chodzi o c o ra z d ro b n iejsze z ia rn a , o c o ra z d e lik atn iejsze d ziałan ia. W aż­

ne je s t to , czy ru c h samego gazu je s t odpowiednio uporządkow any w zna­

czeniu ukształtow ania pola p rę d k o śc i, stopnia tu rb u len c ji i t p ., czy li czy ru c h ten sp rz y ja c o ra z to w rażliw szym procesom se p a ra c ji pyłu.

P ro c e s w entylacji polega głównie na zorganizow aniu ruchu pow ietrza w pom ieszczeniu i na stw orzeniu tam pożądanych pól p rę d k o ści i tempe­

r a tu r p o w ietrz a, do czego potrzeb n e są u rz ą d z e n ia w entylacyjne o odpo­

w iednich ch a rak tery sty k a ch aerodynam icznych.

P rz e w ie trz a ln o ść obszarów zabudowy przem ysłow ej czy m iejskiej wy­

maga poznania zjaw isk opływu teren u p rz e z w ia tr i natu raln y ch ruchów pow ietrza atm osferycznego, a n astęp n ie w ykorzystan ia s ił tow arzyszących tym zj aw iskom .

Z podanego krótkiego przeglądu problem atyki aerodynam icznej w d z ie ­ d zinie odpylania i w entylacji można zorientow ać s ię , jak isto tn e je s t jej

znaczenie d la rozw oju wymienionych d ziedzin. B ard ziej szczegółow ą te ­ matykę p ra c badawczych w tym z a k re s ie ilu s tr u ją przyk łady badań już zrealizow anych, względnie aktualnie prow adzonych w Zakładzie OWiOA, u jęte w grupy problemowe.

1. P opraw a k sz ta łtu elementów konstrukcyjnych u rz ąd ze ń odpylają­

cych ze względu n a uzyskanie wysokiej sk uteczno ści p ro c e su odpylania gazów w e le k tro filtra c h , płuczkach pianowych i uderzeniow ych i w cyklo­

nach ( r y s . 2 . 1 i 2 . 2).

2. P opraw a k ształtu c z ę ś c i szybowej p ie c a do wytopu kam ienia m ie-

R ys. 2 .1 . W izualizacja przepływ u w modelu e le k tro filtra

R ys. 2 .2 . S p iraln y to r zia re n pyłu R ys. 2 .3 . Stanowisko badań modelo- w cyklonie wych p ie c a szybowego w skali 1:5

12

Rys. 2 .4 . M odelowanie p ra c y okapu elektrycznego pieca lukowego typu 21-m, skala modelu 1 :7 ,2

dziowego w celu zm niejszenia ilo śc i pyłu unoszonego p rz e z gazy odloto­

we ( r y s . 2 .3 ) .

3. B adania nad uspraw nieniem procesów chemicznego o cz y szczan ia gazów odlotowych p rz e z popraw ę hydrom echanicznych warunków p rz ep ły ­ wu w re a k to rz e .

L. M odernizacja konstru k cji sondy zerow ej dla izokinetycznego po­

boru próbki zapylonego gazu.

5. W yznaczanie k sz ta łtu obudowy herm etyzującej i dobór warunków odciągu gazów d la elektrycznych pieców lukowych, k r a t w strząsow ych i węzłów przesypow ych w tra n s p o rc ie m ateriałów sypkich ( r y s . 2 .4 ) .

6. W yznaczanie ilo ś c i zasysanego pow ietrza p rz e z spadający m ateria!

sypki do w nętrza obudowy herm etyzującej w ęzły przesypow e.

7. O pracow anie metod ro z d ziału p ow ietrza w wentylowanych pom iesz-

R ys. 2 .6 . Model ogrzew ania pow ietrznego pawilonu szklarniow ego

14

R ys. 2 .7 . Stanowisko do badań modelowych a e ra c ji walcowni r u r z da­

chem gąsienicowym model wycinkowy w skali 1:50

czeniach dla u zyskania zam ierzonego p rz e strz e n n e g o rozkładu tem peratu ­ r y i p ręd k o ści pow ietrza względnie stężeń zan ieczy szczeń gazowych, z re a ­ lizow ane do w entylacji sa l am fiteatralnych i domów tow arow ych, do o g rz e ­ w ania pow ietrznego hal przem ysłow ych i pawilonów szklarniow ych, do wen­

ty la c ji hal przem ysłow ych o różnych technologiach i obciążeniach ciepłem , w ilgocią i zanieczyszczeniam i o ra z do w entylacji pom ieszczeń o wymaganym wysokim stopniu c z y sto śc i pow ietrza ( r y s . 2 .5 i 2 . 6).

8 . Opracowanie układów wywietrzników i dachów hal o dużych zyskach c iep ła , zapew niających skuteczną wymianę p o w ietrz a, a jednocześnie korzystnych z punktu w idzenia konstru k cji budowlanej.

9 . W ypracowanie metod badania param etrów ruchu p o w ietrza w s tr u ­ m ieniach swobodnych i we w tórnych przepływ ach do doboru u zb ro jen ia w entylacyjnych otworów nawiewnych.

10. Aerodynamiczna optym alizacja k ształtu elementów u rz ąd ze ń w enty­

lacyjnych, np. aparatów ogrzew czo-w entylacyjnych, nawiewników elemen­

tów regulacyjnych.

2 .2 . M etody badaw cze

C h ara k te ry sty czn ą cechą wymienionych powyżej procesów je s t duża różnorodność i zindywidualizowanie warunków geom etrycznych o ra z z ja ­ w isk aerodynam icznych i cieplnych, w ystępujących w rozw ażanych obiek­

tach , a zatem tak że różnorodność możliwych rozw iązań . Istotne je s t ró w ­ n ie ż , że p ro c e sy te powinny być zdeterm inowane już w p ro jek tach u k ła­

dów i konstru k cjach u rz ąd ze ń odpylających lub w entylacyjnych.

P rz y rozw iązyw aniu zagadnień naukowych i technicznych w omawia­

nych dziedzinach problem y aerodynam iczne stw a rz a ją z re g u ły duże tru d ­ n o śc i, gdyż ich rozw iązan ie przew ażnie wymaga eksperym entu. S zczegól­

nie potrzebn y j e s t rozw ój m ożliw ości eksperym entalnego analizow ania ró ż ­ nych koncepcji rozw iązań układów w entylacji czy odpylania, a także ekspe­

rym entalnego u s ta le n ia korzystnego k ształtu o ra z za k resu param etrów konstrukcyjnych i eksploatacyjnych u rz ą d z e ń . U jęcie badań o ra z stosow a­

ne metody badaw cze i pom iarowe m uszą być ró żno ro dn e i cz ęsto specy­

ficzne z r a c ji ró żnorodności praktycznych zagadnień, jak ie trz e b a r o z ­ w iązywać.

N ależy tu nadm ienić, że w omawianych dziedzih ach problem atyka aerodynam iczna w przem yśle i budownictwie je s t zarówno o b sze rn a o ra z w ielo stro n n a, jak i często n ie rozw iązyw ana prawidłow o w łaśnie z powo­

du b raku danych eksperym entalnych. W arto też zaznaczyć, że problem y te w iążą się w przem yśle z angażowaniem dużych mocy energetycznych potrzebnych do kierow ania dużymi masami p o w ietrz a, a tak że p rz y obec­

nej produkcji krajow ej w ynikają znaczne k oszty i s tra ty w wyniku niskich spraw ności u rz ą d z e ń odpylających lub w entylacyjnych.

Do rozw iązyw ania tego typu zagadnień, któ ry ch stopień poznania je s t w k ra ju n iew y starcza ją cy , rozw inięto w Z akładzie OWiOA sp ecjalne meto­

dy badaw cze, a m ianowicie:

- w yspecjalizow ano się w z a k re sie fizycznego modelowania złożonych zjaw isk aerodynam icznych i cieplnych o ra z procesów w układach 2-fazo- wych, co pozw ala na eksperym entalne analizow anie różny ch w ariantów rozw iązań konstrukcyjnych w dowolnym c z a s ie , i to p rz ed wybudowaniem rzeczy w istego obiektu, w tym zw łaszcza analizow anie k sz ta łtu u rz ąd ze ń /1 / ;

16

- wypracowano szczegółow ą metodyką aerodynam icznych badań e le ­ mentów u rz ąd ze ń odpylających;

- rozw inięto metody badania stru k tu ry przepływów swobodnych i o g ra ­ niczonych, zw łaszcza indukowanych przepływów w tórnych o słabo zazna­

czającym się k ierunku, małych pręd k o ściach śred n ich i dużych składowych poprzecznych;

- wypracowano i wypróbowano metody w izualizacji przepływ ów , w tym także w układach 2-fazowych g a z -c ie c z (odpylacze m okre);

- rozw inięto metody o ra z skompletowano a p a ra tu rę do pom iaru, r e ­ je s tr a c ji i p rz e tw a rz a n ia danych związanych z badaniam i pól tem p eratu ry , c iśn ień , pręd k o ści i stru k tu ry burzliw o ści w przepływ ach c h a ra k te ry s ty c z ­ nych dla omawianej tematyki;

- wypróbowano metody łączen ia eksperym entu i an aliz matematycznych do rozw iązyw ania zagadnień aparaturow ych p rz y przepływ ach układu 2-fa -

zowego.

R ealizow anie tego kierunku badań eksperym entalnych je st możliwe dzięki stw orzeniu specjalistycznego laboratorium Zakładu, dysponującego niezbędnym zestawem a p a ra tu ry , wypracowanymi metodami badawczymi

i wyszkoloną k ad rą badaczy, obejm ującą specjalistów z zak resu badanych procesó w , elek tro n ik i, fizyki i matematyki.

W d ziałaln o ści tego laboratorium duży w ysiłek włożono w rozwój me­

tod anemom etrycznych i ich praktyczn e zastosow anie.

2 .3 . C h a ra k te r badanych przepływów

Aby scharakteryzow ać przepływ y objęte badaniam i, n ależy uw zględnić:

- rodzaj i liczbę faz przepływ ającego czynnika, - tem p eratu rę i p rędko ść czynnika,

- c h a ra k te r zmian tych param etrów w cz a sie i p rz e s trz e n i.

W u rz ąd ze n ia ch odpylających i układach w entylacji przepływającym czynnikiem je s t pow ietrze lub inne gazy często u noszące ró żn e za n ieczy sz­

czen ia, k tó re w ystępują w stanie stałym , ciekłym i gazowym. Z an ieczysz­

czenia pyłowe mają różne stężenia i różny skład frakcyjny. W tra k c ie zachodzących procesów stężenie zanieczyszczeń może ulegać zm ianie.

W yszczególnienie T em peratura /X7

C iśnienie /N /m 2/

P ręd k o ść Zm/s7

N atężenie przepływ u

/m 3/ s j

S tężenie za­

nieczy szczeń f g /m 3]

Uwagi

U rządzenia odpylające M echaniczne u rz ą d z e n ia

odpylające 290-575 600-1500 0 , 5-20 do 2,0 do 200

e le k tro filtry 290-780 100-300 0 ,1 - 1 ,5 do 150 do 150 dla jednej

filtry tkaninowe m okre u rz ą d z e n ia

290-525 500-1500 0 , 1 - 1 ,0 do 20 do 50 sekcji

odpylające 290-800 300-15000 0 , 5 -12 0 do 3 (0 do 200

H erm etyzacja źródeł pylenia

w ęzły przesypow e 250-550 1 , 0-100 0 ,0 - 5 ,0 nd O CO O do 30

k ra ty w strząso w e 280-550 1 , 0-200 0 ,0 -1 5 do 25 do 5 ,0

piece hutnicze W entylacja

280-1500 0 ,5 -3 0 0 0 .0 -1 5 do 15 do 10

rozpływ p ow ietrza w ha­

lach 283-330 5 , 0-100 0 , 0 -10 do 15 Kdop

w arunki w entylacji n atu ­ ra ln e j

ro z p rz e strz e n ia n ie się zanieczyszczeń i p rz e -

250-330 1 , 0-200 0 , 0-20 do 30 Kdop

w ietrz aln o ść terenów 240-330 1 , 0-500 0 ,0 -2 5 do 25-10 do 2,0

18

P rzy k ład y stężen ia pyłu w różnych p ro c e s a c h odpylania i w entylacji po­

dano w tabeli 2 .1 . Z anieczyszczen ia zaw arte w gazach p rz y w y s ta rc z a ­ jąco dużym stężeniu mogą spowodować zmiany w stru k tu rz e przepływ u i stać się źródłem jej sta b iliz a c ji lub d e sta b iliz a c ji /2/ .

Przedm iot badań może być:

- ru c h nośnika (p o w ie trza, g az u ),

- ru ch cz ąstek zanieczyszczeń (pyłów, cz ąstek ciek ły c h ).

W wielu przypadkach celow e je s t badanie eksperym entalne ruchu g a­

zu, będącego nośnikiem zan ieczy szczeń , natom iast z uwagi n a tru d n o ści pomiarowe mich samych zan ieczyszczeń może być analizow any dodatkowo te o re ty c z n ie . Taka metoda je s t szczególnie przydatna w rozw ażaniach ruchu pojedynczych ziaren w polu przepływ u. W przypadku b ard zo m ałe­

go stężen ia zan ieczy szczeń , co ma przew ażn ie m iejsce w p ro c e sa c h wen­

ty la c ji, w badaniach modelowych można ogran iczy ć się do pom iaru ruchu czystego p o w ietrza. P rz y dużym stężeniu zan ieczy szczeń pyłowych, jakie w ystępują w u rz ąd ze n ia ch odpylających, obecności tej fazy n ie można pominąć w badaniach. Ponieważ pełne odtw orzenie warunków takiego przepływ u w modelu fizycznym je s t tru d n e , badania n a jc z ę śc ie j prow a­

dzone są w rzeczy w isty ch obiektach lub m odelach w sk ali n atu ra ln e j.

Niekiedy w takich przypadkach naw et zbudowanie modelu w m niejszej sk a­

li i p rz y ję c ie jako czynnika roboczego jednorodnego płynu daje p o żytecz­

ne wyniki i um ożliwia optym alizację u rz ą d z e n ia .

Można by więc p rz y ją ć , że w badaniach modelowych procesów odpy­

lania i w entylacji czynnikami roboczym i są jednorodne płyny: pow ietrze względnie woda.

Obecnie m ożliw ości eksperym entalnego badania ruchu cz ąstek zan ie­

c z y szcz eń , a zw łaszcza k ro p e l ciec zy , o g ra n ic zają się p rak ty czn ie do różnych metod, polegających na filmowaniu i fotografow aniu przepływ u.

M etody te mogą być rów nież do pewnego stopnia źródłem inform acji o ich p rę d k o ściach . Są to jednak inform acje trudne do in te rp re ta c ji i s ta ty s ty c z ­ nej analizy . Niew ykluczone, że d alszy rozw ój metod pom iarowych d o pro ­ wadzi do tego, że będzie możliwy pom iar p rę d k o ści cz ąstek p o ru s z a ją ­ cych się w płynie z równoczesnym pomiarem ich w ielkości i stęże n ia, a więc będzie możliwe dokładne badanie przepływów wielofazowych. Takie

nadzieje budzi zw łaszcza rozwój anem om etrii lasero w ej i cyfrowych me­

tod pomiaru cz ęsto tliw o śc i D opplera.

Z m etrologicznego punktu w idzenia w modelowaniu fizycznym p ro c e ­ sów aerodynam icznych isto tn a je s t n ie tyle bezw zględna tem p eratu ra b a ­ danych czynników, co jej zmienność w c z a s ie i w p rz e s trz e n i. Jeżeli przepływ je s t izoterm iczny lub k w azi-izoterm iczny , to w badaniach mode­

lowych można p rz y ją ć czynnik roboczy o tem p eratu rze zbliżonej do oto­

czen ia, co je s t bardzo wygodne. C zęsto jednak w ystępuje wymiana ciep ła i przepływ y są n ieizo term iczn e, jak np. w ogrzew aniu powietrznym czy w w entylacji gorących h a l. W badaniach modelowych przepływ y m uszą być wtedy rów nież nieizo term iczn e. Taki przepływ n ieizoterm iczny c h a ra k ­ tery z u je się określonym rozkładem przestrzennym śred n ich (w c z a s ie ) tem p eratu r, w ystępują ró ż n e g rad ien ty tem p eratu ry . Jednocześnie w każdym punkcie takiego pola przepływ u tem p eratu ra zmienia się w c z a s ie , w ystę­

pują fluktuacje tem p eratu ry . Zmienność tem p eratu ry w c z a s ie obrazuje widmo częstotliw ościow e. Znajomość śre d n ic h tem p eratu r, w a rto ś c i fluk­

tuacji tem peratu ry, gradientów tem p eratu ry i g raniczn ej cz ęsto tliw o ści w widmie fluktuacji tem p eratu ry je s t in te re su ją c a i p otrzeb n a nie tylko

z uwagi na badany p ro c e s , ale rów nież ze względu na dobór p rz e tw o rn i­

ka pomiarowego do pom iaru p rę d k o ści przepływ u, ponieważ w szystkie anemometry w mniejszym lub większym stopniu re a g u ją rów nież na zmia­

ny tem p eratu ry . Pom iaru fluktuacji tem p eratu ry o cz ęsto tliw o ściach poni­

żej około 2 kHz dokonać można termometrem oporowym z czujnikiem z bardzo cienkiego dru tu o śre d n ic y 1 jim i długości 0,4- mm /4 , 16/.

Dla sch arak tery zo w an ia przepływów nieodzowne są dane odnośnie do śre d n ie j p rę d k o ści ruchu o ra z zm ienności p rę d k o ści w c z a sie i p r z e s tr z e ­ n i. P rz e c ię tn e w a rto śc i śre d n ie j pręd k o ści przepływ u w różnych p ro c e ­

sach odpylania i w entylacji zaw arte zostały w tab eli 2 .1 . P rz y fizycznym modelowaniu procesów zm ieniają się te w a rto śc i ze względu na w prow a­

dzenie skal modelowania i w ynoszą od kilku cm /s do kilkunastu m /s /1 / . Intensyw ność tu rb u len cji zależy od rodzaju i ro z m ieszczen ia czynników zakłócających w tym przepływ ie. W p ro c e sa c h odpylania i w entylacji spot­

kać można się z przepływam i o bardzo małej intensyw ności tu rb u len c ji, poniżej 1% np. w tzw . w entylacji lam in am ej, z przepływam i o intensyw ­

20

ności tu rb u len cji od kilku do kilkunastu p ro c e n t, jak np. w przepływ ach w kanałach i przew odach, a tak że z przepływ am i o intensyw ności turb u ­ lencji, bard zo d u żej, od około 20% do kilkuset p ro c en t, jak np. w indu­

kowanych przepływ ach w tórnych. Znając intensyw ność tu rb u len c ji można oszacow ać, jakie będą zmiany chwilowych p rę d k o ści przepływ u. Jeżeli p rz y ją ć gaussow ski rozkład praw dopodobieństw a w a rto śc i chwilowych fluk­

tu a c ji, to wiadomo, że w a rto śc i fluktuacji p rę d k o ści z praw dopodobieńst-

+ *

wem 95% m ieszczą się w p rzed ziale - 2 W ^,a więc w a rto ści chwilowe w ekto ra p rę d k o śc i zm ieniają się mniej w ięcej (nie uw zględniając rozkła-- dów fluktuacji poprzecznych) w z a k re sie

W =. W (1 ± 2 e ) , (2 .1 )

gdzie £ oznacza intensyw ność tu rb u len c ji.

P rz y dużej intensyw ności tu rb u len cji chwilowe w a rto śc i p ręd k o ści zm ieniają się w ięc w szerokim z a k re s ie . Z tego typu przepływ am i mamy do czynienia np. w stre fa c h roboczych w ięk szo ści pom ieszczeń w entylo­

wanych, gdy nie d o c ie ra ją do n ich główne strum ienie nawiewne.

W ażna je s t rów nież szybkość zmian fluktuacji p rę d k o śc i w c z a s ie , charaktery zow ana p rz e z funkcję au toko rekacji i funkcję g ę s to ś c i widmo­

wej mocy. Widmo fluktuacji p rę d k o ści zaw iera zwykle tym w yższe c z ę sto ­ tliw o śc i, im w iększa je s t prędkość przepływ u. W fizycznych modelach procesów odpylania i w entylacji górn a często tliw ość widma fluktuacji p rę d k o śc i nie p rz e k ra c z a zwykle kilku kH z, natom iast dolna je s t rzędu 0 ,1 - 0,001 Hz. S zczególnie w n iektóry ch typach w entylacji strum ienio­

wej dochodzi do powolnych wahań przepływ u o o k re sie k ilkun astu , a n a ­ w et k ilk u d ziesięciu minut.

Niezbędna je s t rów nież inform acja o w ym iarze najm niejszych stru k tu r (w irów ) turbulentnych w p rzepły w ie. S tru k tu ry te c h a ra k te ry z u je m ikro­

skala tu rb u len c ji. W ynosi ona w przepływ ach o m ałych i śre d n ic h p rę d ­ kościach p a r ę m ilim etrów .

P rzepływ y turbulentne są z samej swojej n a tu ry trójw ym iarow e, fluktuacje p rę d k o ści w ystępują we w szystkich trz e c h kieru n k ach układu w spółrzędnych. N atom iast pola u średnionych funkcji statycznych, o p isu ją­

cych przepływ , nie zaw sze są trójw ym iarow e. Można w tym przypadku ro ż ró ź n ić : jedno, dwu i trójw ym iarow e pole uśredn ion ych funkcji sta-

lystycznych przepływ u. W łaściw ości p rz e strz e n n e pól przepływ u mają związek z metodami pom iaru p rę d k o śc i. Mogą m .in . informować n as o k ie ­ runku przepływ u, a przynajm niej o p łaszc zy źn ie , w której leży w ektor p rę d k o ści śre d n ie j. P rz y badaniu przepływów ob ierany je s t zwykle k a r- tezja ń sk i lub walcowy układ w spółrzędnych, a w ektor p rę d k o ści śre d n ie j może być rozłożony na trz y składowe do siebie p ro sto p ad łe. W wielu przypadkach możemy założyć z gó ry , że jedna lub dwie składowe wekto­

r a p rę d k o ści śi'edniej są rów ne ze ru . Jeżeli nieznany je s t kierunek wek­

to ra p rę d k o ści ś re d n ie j, konieczne je s t zastosow anie odmiennej metodyki pom iarow ej. N ależy najpierw znaleźć kieru nek tego w ektora albo dokony­

wać oddzielnych pomiarów składowych tego w ek tora.

3. CHARAKTERYSTYKA PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH STOSOWANYCH DO POMIARU PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWU

I ANALIZY SYGNAŁU PRĘDKOŚCI

Istnieje w iele światowych firm sp ecjalizu jący ch się w budowie anemo- m etrów , jak n p . D1SA, THERM O-SYSTEM S INC, LAMBRECHT

ANEMOSTAT, AIRFLOW DEVELOPMENT, PROMETRON i inne.

W P o lsc e se ry jn ą produkcję anemometrów elektrycznych uruchomiono w zakładach MERA w S zcz ecin ie, na podstaw ie opracow ań Zakładu M e­

chaniki G órotw oru PAN w K rakow ie.

Każdy z produkowanych typów anemometrów ma specyficzne w łaściw oś­

ci m etrologiczne, z czym w iąże s ię ograniczony z a k res celow ości jego zastosow ania do konkretnych badań.

3 .1 . Wymagania staw iane anemometrom w badaniach aerodynam icznych procesów odpylania i w entylacji

W ykorzystując w ieloletnie dośw iadczenie pomiarowe można n astęp u ją­

co sprecyzow ać wymagania, jakim powinny odpowiadać anemom etry sto so ­ wane w omawianej d ziedzinie badań:

- za k res pomiarowy anemometru powinien być możliwie sz e ro k i, tzn . musi istn ie ć możliwość pom iaru zarówno m ałych p rę d k o ści w z a k re s ie od 0,0 do 0,8 m /s , jak i prędkości w iększych od 0 do 20 m /s ,

- je s t pożądane, aby anemometr reagow ał jedynie na p rędk ość p r z e ­ pływu, a nie był w rażliw y na zmiany innych param etrów fizycznych, jak tem p eratu rę, c iśn ie n ie , w ilgotność, lepkość itp . , niew rażliw ość n a zmia­

ny tem p eratury powinna być wprowadzona przynajm niej w za k re sie 0* 60°C, - wymiary czujnika anemometru powinny być jak najm n iejsze, aby nie zn iek ształcał on pola przepływ u, prak ty czn ie powinny być m niejsze od wy-

raiaru najm niejszych znaczących stru k tu r turbulentnych w przep ły w ie, - układ anemometru powinien reagow ać rów nież na n ajszy b sze fluk­

tuacje p rę d k o śc i, jakie w ystępują w p rzepływ ie, prak ty czn ie powinien po­

siadać takie pasmo przenoszonych fluktuacji p rę d k o śc i, by m ierzył je po­

praw nie od 0 do kilku k łłz,

- czujniki anemometru powinny ch arakteryzo w ać s ię ś c iś le o k re ślo n y ­ mi w łaściw ościam i kierunkowymi (p . ro zd ział 3 . 2) , p rz y czym potrzebna je s t możliwość dobieran ia czujników o w łaściw ościach zgodnych z ich konkretnym zastosow aniem , co je s t szczególnie ważne p rz y określaniu s tru k tu ry pola p rę d k o ści,

- anemometr powinien być stabilny, aby podczas pom iaru nie zmie­

niały się jego w łaściw o ści,

- czujnik anemometru powinien posiadać możliwie dużą w ytrzym ałość m echaniczną, powinien być odporny na s ta rz e n ie i zan ieczy szczen ie się, aby uniknąć konieczności częstego w zorcow ania,

- powinna istn ie ć możliwość bezpośredniego p rz y łą cze n ia do anemo­

m etru u rz ąd ze ń re je s tru ją c y c h i dokonujących statysty cznej analizy sygna­

łu p rę d k o ści.

N iestety n ie ma obecnie anemometrów, k tó re spełniałyby rów no cześ­

nie w szy stk ie wymienione powyżej wymagania. N ajdoskonalszy je s t dwuko- lorow y anemometr lasero w y , jednak jego wysoka cena sp raw ia, że je s t on trudno dostępny.

Omówione w następnych ro z d z ia ła c h w łaściw ości m etrologiczne ane­

mometrów z gorącym drutem i anemometrów laserow ych o ra z podane p rz y ­ kłady zastosow ań tych anemometrów do badań modelowych procesów odpy­

lan ia i w entylacji mogą być pomocne p rz y doborze p rz etw o rn ik a pom iaro­

wego w sposób w łaściw y dla danego problemu pom iarowego.

3 .2 . W łaściw ości kierunkow e anemometrów

W ro z d z ia le tym nieco w ięcej m iejsca poświęcono właściw ościom kie­

runkowym różnych przetw orników stosow anych do pom iaru p rę d k o ści p rz e ­ pływu. P ręd k o ść przepływ u je s t, jak wiadomo, w ektorem . W przepływ ach turbulentnych zmienia się w c z a s ie n ie tylko moduł w ek tora p ręd k o ści

24

R ys. 3 .1 . S tochastyczna zmienność kierunku i w a rto śc i w ekto ra p rę d k o ści, a - przepływ w o si r u r y Re *> 5 ’105; b - przepływ w o dległości od o si równej prom ieniowi połówkowemu w o b sz a rz e samomodelowania strum ienia

swobodnego

chw ilowej, ale rów nież jego kierun ek w p rz e s trz e n i. Stąd też zmienia się chwilowa w a rto ść sygnału wyjściowego z anemometru odpowiednio do zmian tych w ielkości i u staw ien ia czujnika anemom etru. Z ak res możliwych zmian w a rto śc i i kierunku w ektora p rę d k o ści chwilowej ilu s tru je r y s . 3 .1 . Na r y s . 3. la przedstaw iona je s t tak a zmienność w ystępująca w o si r u r y p rz y przepływ ie turbulentnym o liczb ie Re = 5 ■ 10 , a na r y s . 3. Ib analogiczna zmienność w punkcie nazywanym promieniem połówkowym, w którym p rędkość ś re d n ia je s t rów na połowie p rę d k o ści osiow ej w s tr u ­ mieniu swobodnym. W arto ści liczbow e p rz y ję to według / 1 9 / . Praw dopodo­

bieństw o, że koniec w ektora p rę d k o ści chwilowej będzie znajdował się w o b sz a rz e ograniczonym lin ią p rzery w an ą wynosi 99%. S ą to dwa jakże ró ż n ią ce się przykłady przepływów. W pierw szym przypadku w ektor p rę d -

R ys. 3 .2 . Ilu stra c ja cz u ło śc i kierunkow ej anemometrów reag ujących n a : a - jedną składową w ektora p rę d k o ści B = 1, b - sumę geom etryczną dwóch składowych w ektora p rę d k o ści B = 2, c - moduł w ektora p rę d ­

kości B = 3

k o ści odchyla się o bardzo mały k ąt od kierunku przepływ u śre d n ie g o , natom iast w drugim jego odchylenia mogą w ynosić 180°.

W przepływ ach o n isk iej intensyw ności tu rb u len c ji, do kilkunastu p r o ­ c e n t, w y sta rc z a znajomość w łaściw ości kierunkow ych w stosunkowo n ie ­ wielkim o b sz a rz e k ątó w 'n ap ływu względem kierunku przepływ u śred n ieg o . N atom iast w przepływ ach silnie burzliw ych p otrzeb na je s t pełna c h a ra k ­ te ry sty k a w łaściw ości kierunkow ych czujnika anemometru.

Rysunek 3 .2 ilu s tru je w łaściw ości kierunkow e różn ych przetw orników pomiarowych stosow anych do pom iaru p ręd k o ści przepływ u. Wprowadzono p rz y tym pojęcie efektywnej p rę d k o ści. Jest to wskazywana p rz e z anemo- m etr chwilowa w a rto ść p rę d k o ści, gdy kierunek w ektora rz ecz y w iste j p rę d k o ści chwilowej ró ż n i się od kierunku obranej głównej o si pom iaro­

wej czujnika anemometru.

Do badania stru k tu ry przepływów turbulentnych są n a jk o rz y stn ie jsz e przetw o rn ik i pom iarowe, k tó re re a g u ją na jedną składową w ektora p rę d ­ ko ści i posiad ają re w e rsy jn e w skazania. Do grupy tej n ależ y np. anemo- m etr lasero w y wyposażony w modulator często tliw o ści w iązek laserow ych o ra z anemometr w ibracyjny (DISA LVA).

Jeżeli o sią główną takiego anemometru je s t oś x , to w ów czas w arto ść chwilowa efektywnej p rę d k o ści wynosi

= ( 3 .1 )

w tym przypadku chwilowe w skazanie anemometru je s t równe chwilowej

26

w a rto śc i składowej w^ w ektora p rę d k o śc i. Jeżeli składowa w^ ma znak ujem ny, to w skazanie anemometru je s t rów nież ujem ne. C zułość k ie ru n ­ kową takiego p rz etw o rn ik a pomiarowego przed staw io n ą w u kładzie biegu­

nowym ilu s tru je r y s . 3 .2 a . O dległość d od punktu n a pow ierzchni b ry ły do śro d k a układu w spółrzędnych je s t cz u ło śc ią kierunkow ą w danym k ie ­ runku.

Wef (3 .2 )

gdzie w je s t chwilową w a rto śc ią modułu w ekto ra pręd k o ści

J 2 2 2

,

V Wx + Wy z

w y

d = 1 , gdy kierunek w ektora prędk ości je s t zgodny z o sią x;

d <= 0, gdy kierunek w ektora prędk ości je s t prostopadły do o si x.

Gdy składowa wy je s t ujem na, odległościom d n ależ y p rz y p isa ć znak ujem ­ ny, np. d = - 1 , gdy zw rot w ektora p ręd kości je s t przeciw ny do o si x.

P rz y rz ą d y o takich w łaściw ościach kierunkow ych n ad a ją się d o brze do badania przepływów trójw ym iarow ych o bardzo dużej b u rzliw o ści i do badania przepływów oscylacyjnych. Jednakże ze względu na wym iary c z u j­

ników, z a k re s pomiarowy i wymiary badanego obiektu nie zaw sze anemo- m etry podanych typów mogą być zastosow ane. Istn ieją rów nież anemomet- r y , np. anemometr lasero w y dwukolorowy /20/ , rów nocześnie dokonujące pom iaru dwóch składowych w ektora p rę d k o śc i. D zięki temu w p ro s ty spo­

sób w yznaczyć można w a rto ść in te rk o re la c ji m iędzy tymi składowymi.

Anemometr lasero w y nie p osiadający m odulatora cz ęsto tliw o ści w iązek la ­ serow ych re a g u je na jedną składową w ektora p rę d k o śc i, le c z je s t n ie ­ czuły na zmianę znaku składowej w ektora p rę d k o śc i, czyli j e s t n ie re - w ersyjny.

Do innego rodzaju anemometrów można zaliczyć anemometry re a g u ją ­ ce na sumę geom etryczną dwóch składowych w ektora p rę d k o śc i. W łaści­

w ości kierunkow e takiego p rz y rzą d u opisuje zależność

w , = l / w ^ + w ^ . (3.4.)

ef r x y

Takie w łaściw ości kierunkow e posiada anemometr z gorącym drutem p rz y pręd k o ściach przepływ u p ow ietrza powyżej około 20 m /s . P rz y m niejszych

p rędkościach anemometr ten może być traktow any jako anemometr re a g u ­ jący n a sumę geom etryczną dwóch składowych tylko z• pewnym p rz y b liż e ­ niem , k tó re je s t słuszne dla niew ielkich kątów odchylenia w ektora p rę d ­ kości od kierunku norm alnej do włókna (p a trz ro z d ział 5 .5 ) .

C zułość kierunkow ą takiego anemometru ilu s tru je r y s . 3 .2 b . W p r z e ­ pływie turbulentnym , p rz y założeniu, że w ektor p rę d k o ści śre d n ie j p o kry ­ wa się z o sią x, w ektor p rę d k o ści chwilowej może być rozłożo ny na składowe

w = w + w : w = w : (3 .5 )

i otrzymamy

/ r_ef ^{- . r y} (w + w ) ⁷⁷² + w^{7 7}

r v x y (3 .6 )

Aby w yznaczyć w a rto ść ś re d n ią w i w a rto ść w arian cji w,2, konieczne je s t ro zw in ięcie zależn o ści (3 .6 ) w sz e re g . B io rąc pod uwagę c z te ry p ie rw sz e w yrazy rozw in ięcia otrzym uje się

w . = w . + w . = w + w +

ef ef ef x

,2 2 w

, ,2 w w

* , y„

o - 2

2 w 8 *

,2 ,2

w wx y 2 w3

(3 .7 )

Jeżeli intensyw ność turbulencji przepływ u je s t m ała, w rów naniu (3 .7 ) można pominąć w szy stk ie w yrazy zaw ierające iloczyny między fluk tu acja­

mi p rę d k o ści rz ęd u drugiego i w yższych. O trzym uje s ię wówczas w . .+ w , ef ef w + w

a więc

eff

,2 'e f

, 2 (3 .8 )

Zatem takim anemometrem p rz y n isk iej intensyw ności tu rb u len c ji p rz e p ły ­ wu można w p ro sty sposób zm ierzyć w a rto ść śre d n ią p rę d k o ści i w a rto ść w a rian cji fluktuacji podłużnych w ektora p rę d k o ści.

P rz y w iększej intensyw ności zależno ści (3 .8 ) trz e b a uznać za n ie ­ w łaściw e i wówczas po u śre d n ie n iu rów nania ( 3 .7 ) u zyskuje się

ef 1 +■

2 w

~ , 2 .2

w w w

y + y _

8tv^ 2 w^

(3 .9 )

28

o ra z k o rz y sta ją c z (3 . 7 ) i (3 . 9)

, ,2 ,2 ,2 ,4 ,2

w w w w w - w

~ rt w w W w w — w

wef ■ ^ * - *

3

w w 4 w

Do pom iaru p rę d k o ści przepływ u w ykorzystyw ane są rów nież anemometry niekierunkow e, tz n . re ag u jące n a moduł w ektora p rę d k o ści chwilowej.

W łaściw ości kierunkow e takiego anemometru ilu s tru je r y s . 3 .2 c . Takie w łaściw ości p o siad ają między innymi anemometr z gorącym term istorem perełkowym /2 1 / o ra z anemometr ze sferycznym czujnikiem foliowym / 22/ . Stosow ane są one do pom iaru p rę d k o ści przepływ u w obiektach w entylo­

wanych. Anemometry takie d a ją znacznie w ięcej inform acji o c h a ra k te rz e przepływu.. P ręd k o ść traktow ana je s t w tym przypadku jak w ielkość sk a­

la rn a . W artość śre d n ia pręd k o ści otrzym ana ze w skazań takiego anemo­

m etru je s t ś re d n ią w a rto śc ią modułu w ektora p rę d k o śc i, natom iast zmie­

rz o n e fluktuacje odpowiadają fluktuacjom modułu w ek to ra p rę d k o ści.

3 .3 . P rze g lą d przetw orników stosow anych do pom iaru p ręd k o ści przepływ u w badaniach procesów odpylania i w entylacji

Pom iar p rę d k o ści przepływ u można uzależn ić od przeb ieg u w ielu zja­

w isk fizycznych zachodzących w przepływ ach. O p ierając się n a tych z ja ­ w iskach można zbudować różne typy anemometrów. Przykładow o, wyko­

rz y stu je się d ziałanie sił p a rc ia na elementy um ieszczone w płynach do budowy anemometrów m echanicznych, zależność zjaw iska konwekcyjnej wymiany ciep ła od p rę d k o ści przepływ u do budowy anemometrów k alo ry ­ m etrycznych, a zjaw isko zmiany często tliw o ści prom ieniow ania ro z p ro s z o ­ nego na cząstecz k ach poru szający ch się w płynie do budowy anemometrów dopplerow skich. Każde z tych zjaw isk może być w ykorzystane w różny

sposób, stąd też is tn ie je w ielka rozm aitość budowanych obecnie anemo­

m etrów . Prezentow any p rzeg ląd anemometrów ograniczono tylko do r o z ­ w iązań obecnie p ra k ty c zn ie stosow anych. Pominięto w iele in tere su ją cy ch

rozw iązań, które są obecnie albo rzadko stosow ane, albo wykazują n ie ­ wielką p rzydatność do badań w dziedzinie odpylania i w entylacji.

W tabeli 3 .1 zestaw iono w łaściw ości n a jc z ę śc ie j stosow anych p rz e -

W ła ś c iw o ś c i r ó tn y c h p rze tw o rn ik ó w s to so w a n y c h do p o m iaru p r ę d k o ś c i p rz e p ły w u *

+++ z a le c a n y ++ sto so w an y

- n ie sto so w a n y

2 w 1 1

E-&

« 0.

V i -5

>3 & Wymiary czuj­ nika pomiaro­ wego Rodzaj właści­ wości kierun­ kowychczujni­ ka Częstotliwość granicznamie­ rzonychfluktu­ acjiprędkości Pomiaryw za­ nieczyszczonym powietrzu Pomiaryw obiektach rzeczywistych Pomiaryw modelach fizykalnych Stosowanyw laboratorium Zakł.Ogrzewn. Went.i Ochr. Atm. Źródło literaturowe

T Y P PR ZETW O RNIK A POMIAROWEGO W [ m /s ] d [mm] B f [kHz]

g - - - - -

z g o rący m d ru te m od 0 ,1 0 , 5 do 5 ~ 2 2 000 - ++ +++ tak 2 3 ,2 4 ,

16

■ z g o r ą c ą w a rs tw ą od 0 ,1 1 do 2 ~ 2 100 ++ ++ +++ tak 1 6 ,2 3

£ w arstw o w y s fe ry c z n y

0 ,0 5 do

1 ,0 2 ,6 3 0 ,0 0 8 ^- +++ +++ n ie 22

§

| w ib ra c y jn y

- 0 , 3 do

+ 0 ,3 5 ,2 5 1 0 ,1 - -M- ++ tak 25

V

o s c y la c y jn y 0 ,1 do 30 5 do L0 1 - - ++ ++ tak 26

te rm is to ro w y

0 ,0 5 do

50 0 , 5 do 8 ~ 3 0 ,0 0 3 - +++ +++ tak 2 7 ,2 1

K a ta te rm o m e tr

0 ,1 5 do

5 ¿0 ~ 3 ^- +++ +++ - ta k 3

A nem om etr la s e ro w y

n ie o g r a ­

niczo n y 0 ,0 1 :0 ,3 * 1 1 ++ - +++ tak 20

z m ikrom anom etrnm i

cieczow ym i od L 3 d o 20 <v 1 - ++ ++ - tak

o

•21 z m ik ro m an o m etram i 3 pojem nościow ym i

■£ I

£ w z u ch y ln ą p ły tk ą s p ię t r z a ją c ą

od 0 ,1

0 ,0 3 do 30

3 do 20

8

- 1

~ 1

0 ,1 ++

++

++

+++

+++

++

tak 8

29

i , c sk rzy d ełk o w e 0 , 2 do 20 20 do

100 ~ 1 ^- ++ +++ ++ tak 29

o 2 .2 E E c

g >>2 c z a sz o w e

« C o 1 do 5 0 #

50

do 150 ~ 2 - ++ + ♦ - ^{tak 29}

X W ym iary o b ję to ś c i p o m iaro w ej w mm'

30

tworników do pom iaru prędkości przepływni. W zestaw ieniu tym jako d o l­

ną g ra n ic ę zakresu pom iaru prędk ości przy jęto w a rto ść 10% najm niejsze­

go zakresu pomiarowego, je śli wytwórca nie podawał in acz ej.

Anemometr laserow y posiada praktycznie nieograniczony za k res po­

miarowy. Jako częstotliw ość gran iczn ą m ierzonych fluktuacji przepływ u przyjm uje się zwykle cz ęsto tliw o ść , p rz y k tó rej n astęp u je 3 dB spadek wzmocnienia. Z wyjątkiem anemometru laserow ego w szy stk ie wymienione w tabeli 3 .1 ancmometry muszą być w zorcow ane. R urki s p ię trz a ją c e i ancmometry m echaniczne powinny być wzorcowane po wykonaniu. Nie wymagają one częsteg o w zorcow ania, je ś li je s t zachowana ich pełna spraw ­ ność techniczna. Natom iast term oanemometry wymagają częsteg o w zo rco ­ w ania, praktycznie przed i po zakończeniu każdej s e r ii pom iarow ej.

P rzydatność termoanemometrów i anemometrów laserow ych do badań modelowych procesów odpylania i w entylacji omówiona zostanie b ard ziej

szczegółowo w następnych ro zd ziałac h . R urki sp ię trz a ją c e P ra n d tla , P ito ta , F o rth M anna, sondy cy lind ry czn e, grzebieniow e i kulowe są w takich badaniach z uwagi na ich zle w łaściw ości dynam iczne, duże wy­

m iary, tru dności w przekazyw aniu sygnałów - rzadko stosow ane. Mogą być stosowane w dużych m odelach, w przepływ ach o n isk iej intensyw ności tu rb u len cji, p rzy niew ielkich g radientach ciśn ien ia i p rę d k o ści. W tego typu przepływ ach mogą być w ykorzystane do pom iaru śre d n ie j p rędk ości przepływ u.

Nieco w iększą przydatność do badań modelowych w omawianych d z ie ­ dzinach p o siadają m ik ro ru rk i s p ię trz a ją c e , w sp ółpracu jące z czułymi mi- kromanometrami pojemnościowymi. W tym przypadku możliwy je s t pom iar małych prędkości już od ułamków rn /s. Jeśli natom iast m ikromanometr wyposażony je s t dodatkowo w układ p ierw ia stk u ją cy , lin eary zu jący za­

leżność napięcia wyjściowego od p rę d k o śc i, i posiada dość dobre w łaśc i­

wości dynam iczne, to m ik ro ru rk i sp ię trz a ją c e mogą być w ykorzystane do pomiaru w przepływ ach o dość znacznej intensyw ności tu rb u len c ji. Ich

zaletą w porównaniu z termoanemometrami je s t znacznie m niejsza czułość na zmiany tem peratury płynu. Wynosi ona około 0 „2 %/deg, co umożliwia pomiary w nieizoterm icznych przepływ ach. Inne ich zalety to w iększa wytrzym ałość m echaniczna, mała w rażliw ość na zanieczy szczen ia gazu, brak konieczności częsteg o w zorcow ania.

Anemometry m echaniczne skrzydełkow e i czaszow e m ają rów nież małą przydatność ze względu na duże w ym iary, złe w łaściw ości dynamiczne i małą cz u ło ść . Nieco s z e rz e j stosow ane mogą być m ikromanometry s k rz y ­ dełkowe o śred n icy około 20 mm, wyposażone w przetw orniki fotoelek- try c z n e .

3 .4 . P rze tw o rn ik i pomiarowe stosowane do analizy sygnału prędk ości Jeżeli anemometr posiada d o statec zn ie szero kie pasmo przenoszonych fluktuacji p rę d k o śc i, to sygnał wyjściowy z anemometru (zwykle n apię­

ciowy) będzie się zm ieniał w takt zmian w a rto ści w ektora p rę d k o ści, jak rów nież w tak t zmian jego kierunku ze względu na czułość kierunkow ą czujnika. C h a ra k te r tych zmian w przepływ ach tu rbulentnych, jakie za­

zwyczaj w ystępują w rozw ażanych tutaj p ro c e sa c h , je s t stochastyczny.

Sygnał z anemometru je s t więc typowym procesem stochastycznym i d la­

tego analizuje się go metodami opisu statystycznego sygnałów sto ch asty cz­

nych. Zagadnienia pomiaru sygnałów stochastycznych z a lic zają się do m iernictw a dynamicznego /3 0 , 3 1 /.

O pis statystyczny sygnałów stochastycznych można podzielić na dwie grupy. Jedna z nich dotyczy opisu w a rto śc i w ielkości zmiennych w c z a ­ s ie , druga o k re śla prędkość zmian tych w ielkości.

Do funkcji statystycznych opisujących w a rto ści zm ieniającego się sygnału n ależ ą:

- w a rto ść śre d n ia ,

- w a rto ść średnio k w ad rato w a,

- w arian cja (w a rto ść średniokw adratow a flu k tu a c ji), - odchylenie standardow e (w a rto ść skuteczna flu k tu ac ji), - funkcja rozkładu w a rto śc i chwilowych,

- g ęsto ść praw dopodobieństw a w a rto śc i chwilowych, - d y stry b u a n ta .

P ręd k o ść zmian sygnału stochastycznego można scharak tery zo w ać p rz e z : - funkcję g ę sto śc i widmowej mocy,

- funkcję au to k o re lacji.

N iektóre in te re su ją c e v7felkości fizyczne ch a ra k te ry z u ją c e pole przepływ u

32

(n ap rężen ia styczne, skale tu rb u len cji) można o k re ślić p rz e z porównywa­

nie sygnałów stochastycznych, czyli an a liz ę k o re la cy jn ą. Ilościow ą m iarę p rzydatną do porównywania sygnałów d ają w tym wypadku

- funkcja k o re la c ji wzajemnej ( in te r k o r e la c ja ) , - łączna gęsto ść prawdopodobieństwa.

D efinicje wyżej wymienionych funkcji stochastycznych o ra z podstawowe związki między nimi podano w załączniku Dodatku. Pom iar w a rto śc i ś r e d ­ niej ś sprow adza się do d o stateczn ie długiego czasu u ś re d n ia n ia . P o szu ­ kiwana w a rto ść może być uzyskana p rz e z całkow anie i podzielenie o trz y ­ manej w a rto śc i p rz e z c z a s u śre d n ia n ia T , czyli p rz e z odtw orzenie w skończonym cz a sie o p e ra c ji matematycznej o k reślo nej równaniem ( D . l ) . Według tej p ro c ed u ry d ziała np. układ całkujący produkowany p rz e z firm ę DISA typu 52B30 T ru e In teg rato r.

Drugi sposób pom iaru w a rto ści śre d n ie j polega na przep u szczan iu sygnału p rz e z filtr dolnoprzepustów y (zwykle filtr RC) o d ostateczn ie n isk iej cz ęsto tliw o ści g ra n ic z n e j, aby składowa zmienna na wyjściu filtra była nieznaczna w porównaniu ze składową s ta łą . Po upływie o kresu c z a su , równego 3 co 4- stałych czasowych filtru sygnał wyjściowy staje się m iarą szukanej w a rto śc i śre d n ie j. Ten p ro c e s u śre d n ia n ia je s t p ro c e ­ sem ciągłym . W taki układ u śre d n ia ją c y zaopatrzony je s t w w oltom ierz cyfrowy pt'odukowany p rz e z firm ę DISA typ 55D31 D igital V oltm eter.

W artość ś re d n ia może być rów nież wyznaczona na podstaw ie p rz y b li­

żonych wzorów sumacyjnych, będących p ra k ty czn ą re a liz a c ją rów nania

(D .9 ) k

ś =* 2 n. • s ., (3 .1 1 )

i» l gdzie

N -

i- 1 1

W praktyce c z a s u śre d n ia n ia je s t ograniczony, co powoduje w ystępow a­

nie ró żn ic pomiędzy poszczególnym i pomiarami p ro c esu stochastycznego.

W arunki poprawnych pomiarów można w yznaczyć na podstaw ie znajomości dolnej i górnej często tliw o ści gran icznej sygnału, oznaczonych p rz e z i f ^ . C zas u śre d n ia n ia powinien spełniać w arunek > 1 /f j . Jeżeli je s t

to -uśrednianie na zasadzie idealnego całkow ania, c z a s pom iaru powinien być w iększy od l / f , . Gdy u śre d n ia n ie odbywa się w obwodzie R C, to

sta łą czasow ą tego obwodu d o b iera się z w arunku, że > 1 / , a wy­

nik może być odczytany po c z a sie pom iaru V > (3 do 4 ) /f ^ .

Jeśli p rz y wyznaczaniu w a rto śc i śre d n ie j k o rz y sta się z p rz y b liż o ­ nych wzorów sum acyjnych, obowiązuje w arunek T > 1 / f , p rzy czym często tliw ość próbkow ania powinna wynosić ^ 2 f^. Poniew aż liczba pobranych próbek wynosi N = T • f zatem powinno się spełnić n ieró w ­ ność N > 2 f / f , . Spełnienie warunku f > 2 f je s t c z ęsto tru d n e do

g d ^ p g

zrealizow ania. O kazuje się jednak, że je ż e li p ro c e s je s t stacjo n a rn y , to dokładność pomiaru w a rto ś c i śre d n ie j zależy p rz ed e w szystkim od liczby pobranych próbek , a więc cz as pom iaru powinien spełniać w arunek

> 2 -S- • — f f , f •

p d p

Poniżej podano przykłady obliczeń potrzebnego cz asu u śre d n ia n ia p rz y zastosow aniu różnych metod pom iaru w a rto śc i ś re d n ie j. Z akładając, że

f , = 0 ,0 1 H z, f = 100 Hz,

d g

otrzymamy n astęp u jące cz asy u ś re d n ia n ia :

- dla układu u śre d n ia ją ceg o z idealnym całkowaniem

r > o 3 h - 1 0 0 • -

- d la układu z obwodem uśredniającym RC T > 3 . . . 4 • - y — - 3 0 0 ...4 0 0 s,

- dla u śre d n ia n ia p rz e z próbkow anie zak ład ając, że = 2 f => 200 Hz

T > 2 ’ 0 ^ ” 2S0 ‘ 100 s ' - p rz y próbkowaniu z cz ęsto tliw o śc ią =* 100 Hz

r 0 100 1 onn

2 0 ,0 1 ■ 100 " s -

W ariancję o ra z w a rto ść skuteczną fluktuacji m ierz y się za pomocą wolto­

34-

m ierzy w a rto śc i skuteczn ej, takich jak np. DISA 55D35 RMS V oltm eter.

Pom iar wykonywany je s t następ u jąco : w a rto ść ś re d n ia sygnału odejmowa­

na je s t od w a rto śc i chw ilowej, p o zo stała po odjęciu składowa zmienna sygnału podnoszona je s t do kw adratu, a n astęp n ie u śre d n io n a jednym z opisanych powyżej sposobów.

K o rzy stając z przybliżonych wzorów sumacyjnych można w a rian cję wyznaczyć n astęp u jąco : ^

’ 2 2 n i s ,. - ś ) 2 , (3 . 1 2 )

s i=*l

gdzie K

N i= l

Jeżeli często tliw o ść próbkow ania byłaby m niejsza od 2f^, może w ystąpić zjawisko m askow ania, polegające na nakładaniu się składowych o małej i dużej często tliw o śc i sygnału / 3 1 /. Eliminuje się je p o p rz ez zw iększe­

nie często tliw o śc i próbkow ania lub zastosow anie filtru górno zaporowego o cz ęsto tliw o śc i f^.

P rz y rz ą d y pomiarowe słu żące do pom iaru funkcji ro zk ładu praw dopo­

dobieństw a w a rto śc i chwilowych d z ia ła ją n a za sad zie opisanej równaniem ( D .6) . Mogą one posiadać jedno "okno" pomiarowe (k la s ę ), wtedy w in­

terw ale cz asu *t zm ierzone zostanie prawdopodobieństwo Pr [s-ssOrl < s +As], P ołożenie tego "okna" może być płynnie zm ieniane, co pozw ala n a pom iar funkcji rozkładu praw dopodobieństw a w całym z a k re s ie zmian s ( 'f ) . Budo­

wane s ą rów nież p rz y rz ą d y p o siad ające k ilk an aśc ie "okien" pom iarowych wzajem nie się dopełniających, pokryw ających c a ły z a k re s zmian sygnału

s(TT). P rz y rz ą d ma ty le w yjść, ile okien pom iarowych. W ielkości w yjścio­

we są proporcjo n aln e do praw dopodobieństw a, że w a rto ść chwilowa syg­

nału s(T ) będzie zaw arta w danym oknie

P r [s. < s(T ) < s.+1 ] .

Na zasad zie "przesuw anego okna" d ziała a n a liz a to r praw dopodobieństw a amplitudy DISA-SY STEM 52B00, którego podstawowym elementem je s t p rz y rz ą d 52B10 Amplitudę C om parator.

P rzed staw icielem dru g iej gm py przyrząd ów je s t k la sy fik a to r KLA 2.