TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCITECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCITECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCITECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI FAKULTA STROJNÍFAKULTA STROJNÍFAKULTA STROJNÍFAKULTA STROJNÍ Katedra energetických zařízeníKatedra energetických zařízeníKatedra energ

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

FAKULTA STROJNÍ FAKULTA STROJNÍ FAKULTA STROJNÍ FAKULTA STROJNÍ Katedra energetických zařízení Katedra energetických zařízení Katedra energetických zařízení Katedra energetických zařízení

Vojta Jonášů Vojta Jonášů Vojta Jonášů Vojta Jonášů

MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK PULSUJÍCÍCH PROUDŮ MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK PULSUJÍCÍCH PROUDŮ MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK PULSUJÍCÍCH PROUDŮ MĚŘENÍ CHARAKTERISTIK PULSUJÍCÍCH PROUDŮ

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Petra Dančová, Ph.D.

Konzultant bakalářské práce: Ing. Zdeněk Trávníček, CSc. (ÚT AV ČR, v.v.i.)

Rozsah práce:

Počet stran: 31 Počet stran příloh: 4

ANOTACE ANOTACE ANOTACE ANOTACE

Práce se zabývá experimentálním vyšetřováním syntetizovaného proudu, jsou zde shrnuty dosavadní poznatky o daném problému a popsány jednotlivé metody měření.

V práci jsou prezentovány výsledky, určení vlastní frekvence akčního členu syntetizovaného proudu a měření rychlostních profilů metodou termoanemometrie.

Experimenty jsou prováděny ve vzduchu.

ANNOTATION ANNOTATIONANNOTATION ANNOTATION

The thesis focuses on experiments of the synthetic jet. It presents the summary of results from previous research and describes used methods of measurement.

This thesis brings results of the determination of the nominal frequency of the synthetic jet actuator and results of the velocity profile measurement using hot wire anemometry. Experiments are made in air as a working fluid.

Místopřísežně prohlašuji, že jsem bakalářskou práci vypracoval samostatněs použitím uvedené literatury.

V Liberci, dne 1.1.2014

Vojta Jonášů

P PP

PROHLÁŠENÍROHLÁŠENÍROHLÁŠENÍROHLÁŠENÍ

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákonč. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mýchautorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literaturya nazákladě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

D D D

DECLARATIONECLARATIONECLARATIONECLARATION

I have been notified of the fact that Copyright Act No. 121/2000 Coll. applies to my thesis in full, in particular Section 60, School Work.

I am fully aware that the Technical University of Liberec is not interfering in my copyright by using my thesis for the internal purposes of TUL.

If I use my thesis or grant a license for its use, I am aware of the fact that I must inform TUL of this; in this case TUL has the right to seek that I pay the expenses invested in the creation of my thesis to the full amount.

I compiled the thesis on my own with the use of the acknowledged sources and on the basis of consultation with the head of the thesis and a consultant.

V Liberci, dne 1.1.2014

Vojta Jonášů

V úvodu své bakalářské práce bych rád poděkoval Ing. Petře Dančové, Ph.D. za odborné vedení, velkou trpělivost, cenné rady a připomínky, které mě dovedly až ke konečnému zpracování práce. Náklady spojené s přípravou a realizací této bakalářské práce byly částečně hrazeny ze Studentské grantové soutěže SGS 28000.

V neposlední řadě patří poděkování mým rodičům za podporu během celého studia.

1

OBSAH OBSAH OBSAH OBSAH 1.

1. 1.

1. Ú Ú Ú Ú

1.1 Syntetizovaný proud

1.2 Základní parametry syntetizovaného proudu

1.3 Rozsah a cíle bakalářské práce

2222 EEEE

2.1 Měření tuhosti membrány akčního členu

2.2 Termoanemometrie

2.2.1 Princip metody

2.2.2 Režimy činnosti

2.2.3 Žhavené drátkové sondy

2.2.4 Míra přehřátí sondy

2.2.5 Kalibrace rychlosti

2.3.6 Výhody a nevýhody termoanemometrie

3333 EEEE

4444 V V V V

4.1 CTA

4.1.1 Vlastní frekvence

4.1.2 Rychlostní profily

4.1.3 Měření zfázování akčních členů

4.2 Měření tuhosti membrány

5555 Z Z Z Z

5.1 Směry dalšího výzkumu

SSSS

SSSS

2

P P P

P

A, B, C, D, E, F [1] Konstanty

Am [m²] Plocha, průřez membrány

a^h [1] Míra přehřátí

dwire [m] Průměr drátku sondy

D [mm] Průměr membrány reproduktoru

d [mm] Průměr výstupního otvoru akčního členu

E [V] Elektrické napětí

Ewire [V] Elektrické napětí drátku

f [Hz] Frekvence

I [A] Elektrický proud

k [N/m] Tuhost soustavy budícího členu

kp [N/m³] Tuhost budící soustavy

l^wire [m] Délka drátku sondy

L [m] Délka otvoru

L0 [m] Ekvivalentní délka sloupce vytlačené tekutiny

Le [m] Ekvivalentní délka

F [N] Zatěžovací síla

m,n Exponenty

Rwire [Ω] Míra přehřátí sondy

S^wire [m²] Průřez drátku

t [s] Čas

T [s] Doba periody

Ta [K] Teplota tekutiny

3

Twire [K] Teplota drátku sondy

U⁰ [m/s] Časově středovaná rychlost ve výstupním otvoru AČ

u0 [m/s] Rychlost ve výstupním otvoru

U, u, V [m/s] Rychlost

xwire [Ω.m] Měrný odpor drátku při teplotě Twire

x, y, z Souřadný systém

α [W/(m².K)] Součinitel přestupu tepla

ν [m²/s] Kinematická viskozita

ρ [kg/m³] Měrná hmotnost tekutiny, hustota

ω [rad/s] Úhlová rychlost

z [mm] Deformace membrány

4

P P P

P

k Kinetická

m Membrána

p Potencionální mean Časově střední

P P P

P

CC konstantní proud (constant current) CT konstatní teplota (constant temperature)

CTA anemometrie za konstatní teploty (constant temperature anemometry)

HWA termoanemometrie / anemometrie žhaveným drátkem (hot wire anemometry) Re Reynoldsovo číslo (Reynolds number)

St Strouhalovo číslo (Strouhal number) SJ syntetizovaný proud (synthetic jet)

ÚVOD

5

1.

1. 1.

1. ÚVOD ÚVOD ÚVOD ÚVOD 1.1.

1.1. 1.1.

1.1. SSSS

Syntetizovaný proud (anglicky synthetic jet, SJ) je generován periodickou pulzací tekutiny, která je cyklicky nasávána a vzápětí vyfukována vhodným otvorem do / z dutiny akčního členu [8].

Na okraji výstupního otvoru se tvoří vírové prstence, které jsou ve fázi výfuku unášeny ve směru osy y od akčního členu (schématické znázornění viz obr. 1) a vlivem disipačních procesů ztrácejí ve větší vzdálenosti svůj tvar. Obr. 1 znázorňuje nejjednodušší uspořádání: Akční (budící) člen je na jedné straně opatřen otvorem, kterým je periodicky nasávána/vytlačována tekutina do/z dutiny akčního členu [8, 10].

Zařízení pro generaci syntetizovaného proudu se mohou lišit i velmi podstatně svou konstrukcí, ale uvedený základní mechanismus a princip činnosti je vždy stejný.

Generátor pulzací tekutiny tak může pracovat na principu reproduktoru, piezokrystalu, elektromagnetu, pístu, popřípadě jiného zařízení. Optimální typ a konstrukci celého budícího členu je nutné volit s ohledem na předpokládaný rozsah pracovních frekvencí, pracovní teploty, druhu pracovního média a požadovaný výkon zařízení [10]

Mezi výhody syntetizovaných proudů patří proudění bez přívodu pracovní tekutiny, tzn., že proud v ose výstupního otvoru má nulový hmotnostní tok, proto není potřeba umístit do akčního členu přívodní potrubí pro tekutinu. Přestože akční člen SJ pracuje s nulovým hmotnostním tokem, je výsledná hybnost proudu ve směru osy y nenulová [7].

Syntetizované proudy mají mnoho aplikací, které lze rozdělit do dvou základních skupin:

- řízení primárního proudu. Sem patří např. směrování proudu tekutiny (jet vectoring), řízení proudového pole (flowcontrol), intenzifikace směšování (např. v chemických procesech), zvýšení přestupu tepla řízením hlavního proudu (např. v mikroelektronice),

- samostatné užití SJ, kdy působením tohoto typu proudění na teplosměnné povrchy lze dosáhnout velmi významného přestupu tepla a hmoty [7, 10]

První práce zabývající se SJ pocházejí z dob, kdy termín “Synthetic Jet” ještě ani nebyl znám, viz např. [1, 2].

ÚVOD

6

V druhé polovině 20. století se můžeme setkat s publikacemi, které se zabývají vytvářením tekutinových proudů pomocí oscilujících membrán a některými speciálními případy oscilujícího proudění, jako např. tzv.

“akustické proudění” (“acousticstreaming”), proudění způsobované oscilujícím tělesem nebo proudění vytvářené ať již stojatým, nebo postupným akustickým vlněním, [3, 4].

Koncem 20. století se problematika SJ pak stala předmětem intenzivního bádání.

Samotný anglický termín “Synthetic Jets¨” byl zaveden v práci: R. D. James, J. W. Jacobs, A.

Glezer: A roundturbulent jet produced by an oscillating diaphragm, Phys. Fluids, Vol. 8, No.

9 (1996), 2484–2495[5].

Počátek 21. století pak přinesl velmi rozsáhlý výzkum v řadě významných světových laboratoří.

Velmi potěšitelnou skutečností je fakt, že se výzkum SJ provádí na světové úrovni také v Česku. Rozsáhlý výzkum prováděn v Ústavu termomechaniky (ÚT) AVČR, v.v.i. např. [7, 8], na TU v Liberci[9, 10] a ČVUT v Praze [11].

1.2 1.2 1.2

1.2 Z Z Z Z

Syntetizovaný proud lze charakterizovat různými na sobě nezávislými parametry. Mezi hlavní pak patří:

- průměr výstupního otvoru akčního členu d (m) - ekvivalentní délka sloupce vytlačené tekutiny L0 (m)

/ (1.1),

kde u0 (m/s) je rychlost ve výstupním otvoru, T/2 (s) je čas vytlačování tekutiny a T(s) je perioda pohybu budícího členu,

ÚVOD

7

- časově středovaná rychlost ve výstupním otvoru akčního členu ve fázi vytlačování U0 (m/s)

. ^(1.2),

kde f = 1/T (Hz) je frekvence pohybu budícího členu a (m) je ekvivalentní délka sloupce vytlačené tekutinou.

- Reynoldsovo číslo Re

R ^{. (1.3),}

kde ν (m²/s) je kinematická viskozita tekutiny, - Strouhalovo číslo St

. ^. . ^(1.4),

- určení vlastní frekvence analytickým výpočtem

.

. .

kde kp (N/m³) je tuhost budící soustavy, #je konstanta (pro membránu reproduktoru C = 1/3), Le (m) je ekvivalentní délka, ρ (kg/m3) je hustota pracovní tekutiny (vzduch), D (m) je průměr výstupního otvoru, D^m (m) je průměr membrány reproduktoru,

- ekvivalentní délka Le (m)

$ %^&_' (1.6),

- tuhost membrány kp (N/m³)

(_{) *} ^(1.7),

kde k (N/m) je statická tuhost budícího členu (reproduktoru).

ÚVOD

8 1.3

1.31.3

1.3

R R R R

Bakalářská práce je zaměřena na experimentální výzkum syntetizovaných proudů ve vzduchu na již zhotoveném experimentálním zařízení.

Hlavními cíli této práce jsou:

- určení vlastní frekvence akčního členu SJ pomocí metody hot wire anemometry, - proměření rychlostních profilů ve směrech os x a z v různých vzdálenostech od

výstupního otvoru akčního členu metodou CTA,

- proměření vývoje rychlosti proudění ve směru osy y metodou CTA, - určení, zda jednotlivé akční členy pracují ve fázi.

Zároveň jsou v této práci nastíněny i další možnosti výzkumu.

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

9

2.

2. 2.

2. EXPERIMENTÁLNÍ METODY EXPERIMENTÁLNÍ METODY EXPERIMENTÁLNÍ METODY EXPERIMENTÁLNÍ METODY

Tato kapitola se zabývá popisem experimentálních metod použitých v bakalářské práci.

Hlavní měření byla provedena pomocí metody termoanemometrie – experimentální určení vlastní (nominální) frekvence akčního členu syntetizovaného proudu, určení rychlostních profilů ve všech osách souřadného systému a zjištění, zda akční členy SJ pracují ve fázi. Také však bylo nutné provést přídavné experimenty pro určení tuhosti membrány akčního členu SJ. Data z těchto přídavných experimentů pak byla použita pro analytický výpočet vlastní frekvence akčního členu syntetizovaného proudu.

2.12.12.1

2.1

M M M M

Pro analytický výpočet vlastní frekvence soustavy budícího členu byla použita rovnice (1.5). Do této rovnice bylo nutné znát vypočtenou tuhost budící soustavy k^p (N/m³) (v našem případě tuhost membrány reproduktoru), resp. naměřenou statickou tuhost k (N/m) [10].

Experiment stál na principu postupného zatěžování membrány reproduktoru a následném odečtu výchylky pomocí indikátorových hodinek (viz příloha 3).

Za předpokladu, že má charakteristika membrány lineární průběh, je možné statickou tuhost soustavy k (N/m) vypočíst ze vztahu

(2.1),

kde F (N) je zatěžovací síla a z (m) je deformace membrány.

Tuhost budící soustavy se pak vypočte dle rovnice (1.7) jako

kde Am (m) je plocha membrány reproduktoru

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

10 2.2

2.22.2

2.2

T T T T

Termoanemometrie (neboli anemometrie žhaveného drátku z anglického Hot wire anemometry, HWA) se používá pro měření rychlosti a teploty proudění v pracovních tekutinách a pro měření jejich fluktuací [10, 12].

Je to metoda založená na konvektivním přenosu tepla ze zahřívaného tělesa – čidla (drátková sonda) umístěného do proudu okolní tekutiny. Přestup tepla je závislý na rychlosti proudění a teplotě tekutiny [12].

Základní částí měřícího obvodu je sonda, která je tvořena wolframovým drátkem, který je upevněný ve vidlici držáku. Drátek se zahřívá Jouleovým teplem za působení elektrického proudu. Toto teplo můžeme definovat podle vzorce Jouleova zákona:

^. (2.2),

kde I (A) je elektrický proud,χwire (Ω.m) je měrný odpor drátku při teplotě Twire, Swire

je průřez drátku.

Celkové teplo ve stacionárním případě generováno v drátku sondy o délce dx je rovno

(2.3),

kde je teplo přenesené konvekcí do okolí, je teplo přenesené kondukcí z drátku do držáku, je teplo vyzářené do okolí a ! je teplo akumulované.

Teplo odvedené kondukcí z drátku do držáku lze považovat za nezávislé na parametrech proudící pracovní tekutiny a teplo vyzářené do okolí je většinou tak malé, že ho lze zanedbat. Teplo odvedené konvekcí do okolí pak lze definovat Newtonova zákona:

" _{#$ %}&'(_{#$ %}) ( *. (2.4 a),

" _{#$ %}+_{#$ %}&'(_{#$ %}) ( * (2.4 b),

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

11

kde T^wire (K) je teplota sondy, T^a (K) je teplota tekutiny, α(W/(m²·K)) je součinitel přestupu tepla. Díky těmto poznatkům se metoda HWA dá použít pro měření teploty a rychlosti. [10]

Při předpokladu nekonečně dlouhého drátku, kde lze zanedbat přenos tepla do držáku, se dá teplotní rovnováha definovat vztahem:

,^-. ._{#$ %} " _{#$ %}+_{#$ %}&'(_{#$ %}) ( * (2.5),

kde Rwire je odpor na zahřátém drátku při teplotě Twire a je dán vztahem:

._{#$ %} 0 1_{#$ %} 2_{#$ %}

3

(2.6)

Za odpor lze dosadit:

._{#$ %} .₄51 &₄'(_{#$ %}) (₄*7 (2.7)

Výpočet napětí je definován jako:

8_{#$ %} ,. ._{#$ %} (2.8).

Poté se vztah (2.5) změní na:

8_{#$ %}^-

._{#$ %} ' 9. :^;*'(#$ %) (_<* (2.9),

A, B, n jsou funkcemi drátku, materiálových vlastností drátku a okolní tekutiny a jsou získané kalibrací.

Sondy, pomocí kterých měříme metodou Hot Wire Anemometry (HWA) jsou velmi citlivé na rychlost a teplotu okolní tekutiny [10, 12].

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

12 2.2.2 Režimy činnosti

Měření pomocí HWA můžeme provádět ve dvou režimech: v režimu konstantní teploty (constant temperature anemometry, CTA) a konstantního proudu (constant current anemometry, CCA).

Režim CTA Režim CTARežim CTA

Režim CTA je režim s konstantní teplotou drátku sondy a je vhodný pro měření rychlosti proudění tekutiny a fluktuací rychlosti [12].

Režim CCA Režim CCARežim CCA

Režim CCA je režim s konstantním proudem drátku sondy a je vhodný pro měření teploty a teplotních fluktuace. [12].

2.3.3 Žhavené drátkové sondy

Drátková sonda je složená z krátkého wolframového nebo platinového drátku malého průměru (až 2µm), který je napnutý ve vidlici, vyrobené z antikorozní oceli nebo niklu a k ní pak připojen bodovým svařováním. (obr. 3 a 4) [12].

Drátkové sondy se nejčastěji používají ve vzduchu či plynech [12].

Obr. 2 Wheatstonův můstek pro anemometr pracující v režimu CT

Obr. 3 Wheatstonův můstek pro anemometr pracující v režimu CC

Obr. 4 Drátková sonda umístěná ve směru hlavního proudu

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

13 2.3.4 Míra přehřátí sondy

Míra přehřátí drátku ah je důležitým parametrem v režimu měření CTA a je vyjádřena jako:

=_> ^?_?

@ (2.10).

kde Rwire (Ω) značí součinitel přehřátí sondy při teplotě Twire a Ra (Ω) je součinitel přehřátí sondy při teplotě okolí.

Při měření je doporučeno volit tento parametr co nejvyšší, z důvodu přesnosti měření (tato hodnota je ovlivněna materiálovými vlastnostmi sondy, např. náchylnost ke korozi za vysokých teplot atd.).

2.3.5 Kalibrace rychlosti

Pro obdržení kvalitních výsledků je nedílnou součástí měření přesná kalibrace sond. Před každým měřením a po něm se provádí precizní kalibrace sond. Ta se provede pomocí kalibračního zařízení.

Kalibrací se určuje zavedení konstant v kalibračních vztazích pro:

měření teploty: 8 A'(*,

a měření rychlosti: 8 A':*.

EXPERIMENTÁLNÍ METODY

14 Nejpoužívanější vztahy pro kalibraci jsou:

Kingův zákon 8^- 9:^; (2.11)

Rozšířený Kingův zákon 8^- 9:^4,C D: (2.12)

Polynomická křivka :^- 98 D8^- E8^F G (2.13)

Pro rovnici (2.11) je hodnota exponentu dle Kinga n = 0,5, zpřesněná pak Collisem a Williamsem (1959) na n = 0,45 pro 0,02 < Re < 44, [12]. Dle Bruuna [12] se optimální hodnota pro typické 5μm wolframové sondy se pohybuje v rozmezí n = 0,4-0,45.

Pro experimenty provedené v této práci byl použit vztah polynomické křivky 5. řádu, kde konstanty byly následující:

A 3.10^-8

B -5.10⁶

C 3.10^-4

D -7,6.10^-3 E 1,133.10^-1

F 1,4721

2.3.6 Výhody a nevýhody termoanemometrie Výhody termoanemometrie jsou:

- Možnost měření velkých rozsahů rychlosti a frekvence,

- velikost sondy – u žhavených sond je průměr cca 5µm a délka 1,25mm - snadné použití,

- umožnění měření jedné až tří složek vektoru rychlosti v určených bodech proudového pole,

- při dobře připravených experimentech lze dostat velmi přesné výsledky, - nízký poměr šumu a signálu,

- výstupní napětí je analogové, tzn., že žádná informace není ztracená.

Mezi nevýhody pak patří:

- Ovlivnění přítomností sondy v proudovém poli, - nutnost přesné kalibrace před každým měřením, - obtížné určení směru proudění [10, 12].

EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

15

3.

3. 3.

3. EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

Experimentální zařízení (zobrazené na obr. 6) je tvořeno:

převzatým akčním členem syntetizovaných proudů složeným ze 4 reproduktorů (Monacor SP-7/4S) (obr. 7) a 4 utěsněných dutin. Celé zařízení má pak tvar kříže (obr. 9),

traverzovacím zařízením umožňující pohyb ve všech 3 osách, generátorem signálu (Tektronic AFG 3252C),

ampérmetrem (PU510 - multimetr),

voltmetrem (New Port True RMS Supermeter™), jednodrátkovou sondou Dantec55P11,

anemometrem Dantec90C10, sběrnicí NI-CA1000,

A/D převodníkem NI-PCI-MIO-16E-1, počítačem,

propojovacími kabely.

Pro měření tuhosti membrány pak bylo použito:

• upínací hlava,

• závaží,

• úchylkoměr (indikátorové hodinky), viz. obr. 8.

Celkový pohled na experiment je zobrazen v příloze 3.

EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

16 Obr. 6.Celkový pohled na experimentální zařízení

EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

Obr. 7 Reproduktor Mo

Obr. 8. Indikátorové ho TÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

17 ktor Monacor SP-7/4S

orové hodinky – úchylkoměr Mitutoyo

EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

18

Obr. 9. Převzatý akční člen, tvořené hliníkovým křížem a 4 reproduktory (Monacor SP- 7/4S)

EXPERIMENTÁLNÍ ZAŘÍZENÍ

19

Experimentální zařízení bylo tvořeno čtyřmi akčními členy SJ. Každý člen se skládal z reproduktoru Monacor SP-7/4S, který sloužil jako periodicky se pohybující membrána, a utěsněné kavity s výstupním otvorem. Při experimentech byl každý reproduktor napájen sinusovým signálem z generátoru signálu a zesílený zesilovačem.

Dále bylo použito traverzovací zařízení, umožňující pohyb ve všech 3 osách souřadného systému a na němž byla připevněna měřící sonda.

Měření rychlostních profilů jsou prováděny při konstantním elektrickém výkonu P = 1,5W, který je stanovený z naměřeného elektrického napětí a elektrického proudu jdoucích do reproduktoru.

Frekvenční charakteristika byla měřena při výkonu P = 6W.

Experimentální zařízení pro měření tuhosti membrány je tvořeno magnetickým držákem indikátorových hodinek, svěrákem, ve kterém je upevněn reproduktor Monacor SP-7/4S.

Reproduktor je postupně zatěžován závažími o různých hmotnostech. Hmotnost závaží se pohybovala v řádech gramů. Odchylky měření byly zaznamenávány pomocí indikátorových hodinek (úchylkoměru).

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

20

4.

4. 4.

4. VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

Převážná část experimentů byla provedena při otevřeném výstupním otvoru pouze jednoho akčního členu, z důvodu, že cílem bylo zjistit charakter proudění z akčního členu.Pokud by byly otevřeny všechny čtyři výstupní otvory, docházelo by k ovlivnění jednotlivých proudů. Pouze poslední experiment, kdy bylo nutné proměřit zfázování jednotlivých akčních členů, byly otevřeny všechny výstupní otvory.

4.2.1 4.2.14.2.1

4.2.1 Vlastní frekvenceVlastní frekvenceVlastní frekvence Vlastní frekvence

Graf. 1. znázorňuje naměřenou závislost napětí v drátku CTA sondy E [V] na frekvenci a impedanci reproduktoru U [V] vypočtenou z proudu a napětí jdoucí z generátoru signálu na reproduktor na frekvenci. Měření bylo prováděno v rozsahu 30 až 1020 Hzv pěti fázích (viz. Tab. 1).

Tab. 1 Krok měření vlastní frekvence

Nejvyššího bodu při prvotních měřeních bylo dosaženo v rozmezí hodnot 410-430Hz a poté křivka prudce klesala. Při detailnějších měřeních bylo zjištěno, že vlastní frekvence je 425 Hz (viz. Tab. 2). Výpočtem pomocí analytického vzorce (1.5) bylo zjištěno, že vlastní frekvence je 374,15 Hz. Hodnoty jsou velmi podobné, rozdíl je dán zaokrouhlováním v analytickém výpočtu.

Fáze Rozmezí Krok měření I. 30-1020 [Hz] 10[Hz]

II. 30-510 [Hz] 10 [Hz]

III. 400-495 [Hz] 5 [Hz]

IV. 420-440 [Hz] 2 [Hz]

V. 420-430 [Hz] 1 [Hz]

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

21 Sonda 55P11 Sonda 55P11Sonda 55P11 Sonda 55P11 f [Hz]

f [Hz]f [Hz]

f [Hz] E [V]E [V] E [V]E [V] I [A]I [A]I [A]I [A] U [V]U [V]U [V]U [V] P [W]P [W] P [W]P [W]

Napětí na Napětí na Napětí na Napětí na sondě sonděsondě sondě

Napětí na Napětí na Napětí na Napětí na reproduktoru reproduktorureproduktoru reproduktoru

420 1,968 0,469 13,052 6,121

421 1,968 0,470 13,021 6,120

422 1,970 0,471 13,002 6,124

423 1,972 0,470 13,022 6,120

424 1,973 0,470 13,022 6,120

425 1,974 0,470 13,026 6,122

426 1,973 0,470 13,017 6,118

427 1,972 0,469 13,051 6,121

428 1,971 0,469 12,050 5,651

429 1,970 0,469 13,052 6,121

430 1,970 0,470 13,015 6,117

Tab. 2 Výsledná naměřená vlastní frekvence

Graf 1. Charakteristika vlastní frekvence

0 200 400 600 800 1000 1200

Frekvence f [Hz]

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

22 4.2.2

4.2.24.2.2

4.2.2 Rychlostní profilyRychlostní profilyRychlostní profily Rychlostní profily

Měření rychlostních profilů bylo prováděno ve směru os x a z v různých vzdálenostech od výstupního otvoru akčního členu. A dále byl měřen vývoj rychlosti proudění v ose y.

Ve směru os x a z bylo měření provedeno ve vzdálenosti 5, 10 a 20 mm od výstupního otvoru akčního členu. Měření směru osy y znamenalo proměření proudu se zvyšující se vzdáleností od výstupního otvoru akčního členu.

Z grafů 2 a 3 je patrné, že čím větší je vzdálenost od trysky, tím více klesá rychlost proudu a zároveň se rychlostní profil rozšiřuje. Toto je dáno vzdalováním se vírového prstence od výstupního otvoru akčního členu. Z těchto grafů je rovněž patrné, že proudění ve směru osy x a z je osově symetrické. Časově středovaná rychlost ve výstupním otvoru trysky byla dle vzorce (1.2.) spočtena jako Uo = 29,Uo = 29,Uo = 29,Uo = 29,932 [m/s]932 [m/s]932 [m/s]. 932 [m/s]

Graf 4 a 5 znázorňuje závislost rychlosti na vzdálenosti od výstupního otvoru akčního členu v ose y. Z grafu je patrné, že se zvyšující se vzdáleností ve směru osy y se rychlost snižuje, až proudění ztratí svůj periodický charakter, ten ztrácí zhruba ve vzdálenosti y/D = 30y/D = 30y/D = 30. Aby byl výsledek přesnější, bylo použito logaritmických souřadnic y/D = 30 k určení, kde se daný periodický charakter ztratí.

Graf 2. Rychlostní profil v ose „x“

1,62 1,63 1,64 1,65 1,66 1,67 1,68 1,69

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

U(t)/Uo

x/D

y=5mm y=10mm y=20mm

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

23 Graf 3. Rychlostní profil v ose „z“

Graf 4. Rychlostní profil v ose výstupního otvoru akčního členu.

1,62 1,63 1,64 1,65 1,66 1,67 1,68 1,69

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

U(t)/Uo

z/D

y=5mm y=10mm y=20mm

1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 2,7

0 10 20 30

U(t)/Uo

y/D

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 průměr

t/T

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

24

Graf 5. Rychlostní profily v ose výstupního otvoru akčního členu (logaritmické souřadnice)

1,7

1 5 25

U(t)/Uo

y/D

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 průměr

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

4.2.3 4.2.34.2.3

4.2.3 MěřeníMěřeníMěření zfázMěřenízfázzfázzfáz Při tomto měření byly oproti otvory. Experiment byl prov otvory akčních členů.

Graf 6. znázorňuje patrné, že výstupní otvory pra

Graf 6. Zfázování akčních č

1,5 1,55 1,6 1,65 1,7 1,75 1,8 1,85 1,9 1,95 2

0,1905 0,191

Napětí [V]

0

XPERIMENTŮ

25 zfázování

zfázovánízfázování

zfázování akčních členů akčních členů akčních členů akčních členů

oproti předchozím experimentům otevřeny všech yl proveden tak, že se postupně proměřovaly jed

ňuje sinusové průběhy všech čtyř výstupních ory pracují ve fázi.

kčních členů

0,191 0,1915 0,192 0,1925

0,5 t/T

y všechny čtyři výstupní jednotlivé výstupní upních otvorů. Z grafu je

-0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

0,193

TTL signál

1

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

26

4.34.3

4.34.3 Měření tuhosti membrányMěření tuhosti membrányMěření tuhosti membrány Měření tuhosti membrány

Tento experiment byl měřen na principu postupného zatěžování membrány závažími a pokles byl zaznamenáván pomocí indikátorových hodinek.

Tabulka 3. znázorňuje závislost poklesu membrány na daném zatížení. Graf 7.

znázorňuje závislost posunutí membrány na daném zatížení a závislost tuhosti na daném zatížení membrány.

Z grafu je viditelné, že při zvyšování zatížení membrány posunutí klesá, oproti tomu tuhost stoupá.

Pomocí vzorce (2.1) byla vypočtena tuhost soustavy. Soustavu lze považovat v měřeném rozsahu za lineární a proto je tuhost prezentována jako průměrná hodnota naměřených hodnot.

Celková spočtená průměrná tuhost soustavy je , / . A vypočtená frekvence je , ....Nepřesnost vůči měření je dána zaokrouhlováním v analytickém vzorci.

Hmotnost [g]

Hmotnost [g]

Hmotnost [g]

Hmotnost [g] Posunutí [mm]Posunutí [mm]Posunutí [mm]Posunutí [mm] Tuhost [N/m]Tuhost [N/m]Tuhost [N/m]Tuhost [N/m]

15 0,00001025 14510,625

30 0,00002625 11295,998

42 0,00005875 7021,429

45 0,00006550 6743,161

50 0,00007900 6209,358

Průměrná hodnota Průměrná hodnota Průměrná hodnota

Průměrná hodnota 9156,1149156,114 9156,1149156,114 Tab. 3 Tuhost soustavy

VÝSLEDKY EXPERIMENTŮ

27 Graf 7. Tuhost soustavy

0,000 2000,000 4000,000 6000,000 8000,000 10000,000 12000,000 14000,000 16000,000

0 0,00001 0,00002 0,00003 0,00004 0,00005 0,00006 0,00007 0,00008 0,00009

0 10 20 30 40 50 60

Tuhost k [N/m]

Posunutí z [mm]

Zatížení m [g]

ZÁVĚR

28

5. 5. 5.

5. ZÁVĚR ZÁVĚR ZÁVĚR ZÁVĚR

Cílem práce bylo určení charakteristik syntetizovaného proudu. Pro experimenty byla použita již navržené experimentální zařízení, které se skládalo ze čtyř akčních členů syntetizovaného proudu (reproduktory Monacor SP-7/4S) umístěných do tvaru kříže (Obr. 9). Této konstrukce bude použito i při dalším měření v diplomové práci autora.

V této práci bylo úkolem zjistit chování prouděné proudění z jednoho akčního členu (reproduktoru). V rámci bakalářské práce byla provedena řada experimentů, které ukázaly vlastnosti syntetizovaného proudu.

Konstrukční pohled na zařízení

Akční člen experimentálního zařízení je tvořen čtyřmi reproduktory (Monacor SP-7/4S) (Obr. 7) zabudovanými v hliníkovém kříži, v němž jsou čtyři výstupní otvory trysky (viz.

příloha 4.), které slouží k vytváření syntetizovaného proudu. Základními parametry trysky jsou průměr výstupního otvoru D = 3 mm, průměr trysky (membrány) D^m = 60 mm a vzdálenost membrány k výstupnímu otvoru L = 8mm. Při měření byl reproduktor napájen sinusovým signálem. Experimenty byly prováděny při stejném elektrickém výkonu P = 1,5 W, vlastní frekvence pak byla měřena při výkonu P = 6 W.

Experimentální výsledky

Vlastní frekvence byla určena analytickým výpočtem jako f = 374,15 Hz a poté experimentem pomocí termoanemometrie pak byla určena vlastní frekvence jako f = 425 Hz. Tyto výsledky jsou v dobré shodě, rozdíl je určen zjednodušením při analytickém výpočtu. Experimenty byly poté prováděny při vlastní frekvenci f = 425 Hz.

Hlavní experimenty byly provedeny metodou termoanemometrie. Byly proměřeny rychlostní profily v osách x, z a y. V osách x a z, byly proměřovány rychlostní profily v různých vzdálenostech od trysky, konkrétněji ve vzdálenosti 5, 10 a 20 mm. V ose y byl proměřován vývoj rychlosti proudění. Rovněž byl proveden experiment, který ukázal, zda jsou akční členy ve fázi. U tohoto experimentu jako jediného byly otevřeny všechny výstupní otvory experimentálního zařízení. A byly proměřovány jednotlivé výstupní otvory akčních členů.

ZÁVĚR

29

Měření tuhosti membrány bylo prováděno pomocí postupného zatěžování membrány závažími o hmotnostech pohybujících se v řádech gramů, pokles membrány byl zaznamenáván pomocí indikátorových hodinek (úchylkoměru) a uveden v závislosti na hmotnosti do tabulky (Tab. 3), ze které byla pomocí analytického výpočtu (2.1) zjištěna celková průměrná hodnota tuhosti soustavy. Dále bylo v grafu (Graf 7.) nanesena závislost tuhosti soustavy na daném zatížení.

5.15.15.1

5.1 Směry dalšího výzkumuSměry dalšího výzkumuSměry dalšího výzkumuSměry dalšího výzkumu

V další práci bude tento akční člen připojen do ejektoru a bude zkoumán vliv syntetizovaných proudů na proudění v ejektoru. Zároveň může být zkoumán vliv tvaru a počtu výstupních otvorů. Rovněž může být zkoumáno zapojení akčních členů syntetizovaných proudů v různé fázi.

30

Literatura Literatura Literatura Literatura

[1] Savas, O., Coles, D.: Coherence measurements in synthetics turbulent boundary layers, J. Fluid Mech. 160, 1985

[2] Meissner, A.: Uber piezo-elektrische Kristallebei Hoch - frequenz, Zh. Tekh. Fiz. 7, 1926

[3] Lightill, M. J.: Acoustic streaming, J. SoundVib. 61, 1978

[4] Andreas, J. M., Ingard, U.: Acoustic streaming at high Reynolds numbers, J. Acoust.

Soc. Am. 25, 1953

[5] James, R.D., Jacobs J.W., Glezer, A.: A round turbulent jet produced by an oscillating diaphragm, Phys. Fluids, Vol. 8, No. 9 (1996), 2484–2495

[7] Trávníček, Z., Vogel, J., Vít, T., Maršík, F.: Experimentalfield and mass transfer experimental and numerice studie sof a synthetic impinging jet, AVČR, 2005

[8] Tesař V., Zhong S.: Synthetic jets for Flow Control – Generation Efficiency, The University of Manchester, United Kingdom, 2001

[9] Trávníček, Z., Vít, T., P. de Boer, Maršík, F.: Syntheticjets – design and verification of the actuator, TU Liberec, TU od Eindhoven, 2004

[10] Dančová, P.: Studie proudění typu „Synthetic Jet“, Diplomová práce, TU v Liberci 2006

[11] Broučková, Z.: Oblast parametrů SJ, Diplomová práce, ČVUT, 2012 [12] Bruun, H. H.: Hot-Wire Anemometry. Oxford university, 1995

31

Seznam příloh Seznam příloh Seznam příloh Seznam příloh

Příloha 1. Výkres akčního členu SJ Příloha 2. Akční člen SJ

Příloha 3. Měření tuhosti membrány Příloha 4. Detail výstupního otvoru

Příloha 1.Výkres akčního členu SJ

Příloha 2. Akční člen SJ

Příloha 3. Měření tuhosti membrány

Příloha 4. Detail výstupního otvoru trysky