_________________________________________________________________________
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta mechatroniky a mezioborových inženýrských studií
Studijní program: M 2612 – Elektrotechnika a informatika Studijní obor: 3906T001 – Mechatronika
Experimentální výzkum syntetizovaných proud laserovými anemometriemi
An experimental research of synthetic jets using laser anemometries
Diplomová práce
Autor: Michal Gruncl
Vedoucí práce: Prof. Ing. Václav Kopecký, CSc.
Konzultant: Ing. Lucie Pírková
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se pln vztahuje zákon . 121/2000 o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo).
Beru na v domí, že TUL má právo na uzav ení licen ní smlouvy o užití mé diplomové práce a prohlašuji, že s o u h l a s í m s p ípadným užitím mé diplomové práce (prodej, zap j ení apod.).
Jsem si v dom toho, že užít své diplomové práce i poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat p im ený p ísp vek na úhradu náklad , vynaložených univerzitou na vytvo ení díla (až do jejich skute né výše).
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatn s použitím uvedené literatury a na základ konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
_________________________________________________________________________
Pod kování
Na tomto míst bych rád pod koval Prof. Ing. Václavu Kopeckému, CSc. za cenné rady, p ipomínky, trp livost a ochotu b hem vedení mé diplomové práce. Dále d kuji konzultantce Ing. Lucii Pírkové za pomoc p i p íprav experimentu, samotném m ení a zpracování diplomové práce. Pod kování také pat í celé mé rodin , p átel m a všem, kte í m podporovali b hem celého studia.
_________________________________________________________________________
Anotace
Cílem diplomové práce je experimentální výzkum syntetizovaných proud laserovými anemometriemi. Práce popisuje výb r metody PIV pro m ení nestacionárních proudových polí, její princip a limity, vlastnosti a možné aplikace syntetizovaných proud . Dále zkoumá možnosti aktivního ízení toku tekutiny syntetizovanými proudy v ústí trysky.
Annotation
The main aim of the diploma thesis is an experimental research of synthetic jets using laser anemometries. The report describes the reason of choice PIV method for unsteady flow-field measuring, its principle and limits, features and possible applications of the synthetic jets. Sequentially describes the research of active flow control using synthetic jet’s actuators at the jet nozzle exit.
_________________________________________________________________________
Obsah
1 Úvod ... 13
2 Metoda PIV... 14
2.1 Základní princip metody PIV ...14
2.2 Zpracování PIV obraz ...17
2.3 Systematické chyby a omezení metody PIV ...19
2.3.1 Ztracené páry ...19
2.3.2 Maximální posunutí ástic...19
2.3.3 Hustota sycení ástic ...20
2.3.4 Dynamický rozsah...21
2.3.5 Stopovací ástice...22
3 Syntetizovaný proud ... 23
3.1 Vznik syntetizovaných proud ...23
3.2 Výhody a použití syntetizovaných proud ...24
4 P íprava m ení ... 25
4.1 Popis a zapojení za ízení ...25
4.2 Synchronizace m ené soustavy s m ícím systémem...29
4.3 Nastavení parametr za ízení...30
5 Zpracování dat a popis m ení... 31
5.1 Zpracování záznam ...31
5.1.1 Vzájemná korelace a valida ní metody...32
5.1.2 Vizualizace PIV záznam ...35
5.2 Popis m ení ...38
5.2.1 Mód A...39
_________________________________________________________________________
5.2.3 Mód C...41
5.2.4 Mód D...42
6 Výsledky m ení... 43
6.1 Mód A - bifurka ní ...43
6.2 Mód B – osov symetrický v jedné rovin ...49
6.3 Mód C – osov symetrický...54
6.4 Mód D...59
7 Záv r ... 64
Seznam použité literatury... 65
_________________________________________________________________________
Seznam symbol a zkratek
D [mm] pr m r trysky
dl [mm] strana vyhodnocované oblasti
Dmax [mm] maximální posunutí v obrazové rovin
dpixel [mm] rozte mezi sousedními pixely
M transformace mezi obrazovou a objektovou rovinou
Nint [px] po et pixel strany vyhodnocované oblasti
R [mm] vzdálenost od osy trysky
R/D vzdálenost od osy trysky vztažená na pr m r trysky
Ra [ms-1] dynamický rozsah
RC konvoluce pr m rných intenzit
RD korela ní vrchol
Re Reynoldsovo íslo
RF složka fluktua ního šumu
sa vektor pr m rného posunutí ástic
T [s] perioda buzení reproduktor
v [ms-1] okamžitá rychlost
vmax [ms-1] vektor maximální rychlosti v objektové rovin vmin [ms-1] vektor minimální rychlosti v objektové rovin vx, vy [ms-1] složky vektoru rychlosti v objektové rovin
X [mm] výška nad tryskou
X/D výška nad tryskou vztažená na pr m r trysky t [s] asový interval mezi prvním a druhým záznamem x, y [mm] posunutí ástic v objektové rovin za as t v ose x, y X, Y [mm] posunutí ástic v obrazové rovin za as Dt v ose x, y
kap. kapitola
LDA Laser Doppler Anemometry
nap . nap íklad
PIV Particle Image Velocimetry
resp. respektive
_________________________________________________________________________
Seznam obrázk , graf a tabulek
Obrázky:
Obr. 2.1-1 Uspo ádání metody PIV 15
Obr. 2.1-2 Transformace objektové roviny do obrazové a rozd lení
obrazové roviny na vyhodnocované oblasti 15
Obr. 2.1-3 P íklad vektorové mapy 16
Obr. 2.2-1 Výsledek analýzy obrazu metodou vzájemné korelace 17 Obr. 2.2-2 Postupné zpracování PIV obrazu metodou vzájemné korelace 18 Obr. 2.3-1 Chyba pr m rného posunutí ástic pro vzájemnou korelaci v
závislosti na hustot sycení 21
Obr. 3.1-1 Jeden pracovní cyklus za ízení Synthetic Jet 23
Obr. 4.1-1 Za ízení pro ízení toku tekutiny 25
Obr. 4.1-2 ez za ízením pro ízení toku tekutiny 26
Obr. 4.1-3 Zapojení rotametr a generátoru ástic 27
Obr. 4.1-4 Generátor ástic 28
Obr. 4.1-5 Rotametry a barometry 28
Obr. 4.2-1 Synchronizace jednotlivých za ízení 29
Obr. 5.1-1 P íklad záznamu obrazu v podob bitmapy 31
Obr. 5.1-2 P íklad vektorové mapy po aplikaci metody vzájemné korelace 32 Obr. 5.1-3 Vektorová mapa po aplikaci metody validace rozsahu 33 Obr. 5.1-4 Vektorová mapa po aplikaci metody validace rozsahu bez
zobrazení chybných vektor 34
_________________________________________________________________________
Obr. 5.1-9 Kombinace mapy rychlostí a vektorové statistiky 38
Obr. 5.2-1 Sm r proud ní tryskami v módu A 39
Obr. 5.2-2 Buzení reproduktor módu A 39
Obr. 5.2-3 Sm r proud ní tryskami v módu B 40
Obr. 5.2-4 Buzení reproduktor módu B 40
Obr. 5.2-5 Sm r proud ní tryskami v módu C 41
Obr. 5.2-6 Buzení reproduktor módu C 41
Obr 5.2-7 Sm r proud ní tryskami v módu D 42
Obr. 5.2-8 Buzení reproduktor módu D 42
Obr. 6.1-1 Fotografie proud ní p i zapojení reproduktor podle módu A 43 Obr. 6.1-2 Porovnání laminárního a turbulentního proud ní módu A 44
Obr. 6.1-3 Vývoj laminárního proud ní módu A 45
Obr. 6.1-4 Vývoj turbulentního proud ní módu A 46
Obr. 6.2-1 Fotografie proud ní p i zapojení reproduktor podle módu B 49 Obr. 6.2-2 Porovnání laminárního a turbulentního proud ní módu B 50
Obr. 6.2-3 Vývoj laminárního proud ní módu B 51
Obr. 6.2-4 Vývoj turbulentního proud ní módu B 52
Obr. 6.3-1 Záznam proud ní módu C v podob bitmapy 54
Obr. 6.3-2 asový pr b h proud ní p i módu C laminárního
a turbulentního proud ní 55
Obr. 6.3-3 Vývoj laminárního proud ní módu C 56
Obr. 6.3-4 Vývoj turbulentního proud ní módu C 57
Obr. 6.4-1 Záznam proud ní módu D v podob bitmapy 59
Obr. 6.4-2 asový pr b h proud ní p i módu D laminárního
a turbulentního proud ní 60
Obr. 6.4-3 Vývoj laminárního proud ní módu D 61
_________________________________________________________________________
Grafy:
Graf 6.1-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu A 48
Graf 6.1-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu A 48
Graf 6.1-3 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu A 49
Graf 6.1-4 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu A 49
Graf 6.2-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu B 54
Graf 6.2-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu B 54
Graf 6.3-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu C 59
Graf 6.3-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu C 59
Graf 6.4-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu D 64
Graf 6.4-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti
od osy trysky módu D 64
Tabulky:
Tab. 4.3-1 Parametry za ízení 31
_________________________________________________________________________
1 Úvod
V dob ím dál dokonalejších modelovacích technik má po ád p evahu zkoumání daného d je v reálném prost edí se skute ným objektem nad simulováním d je pomocí virtuálního modelu. Sebelepší software ve spojení se stále výkonn jší výpo etní technikou neposkytuje tak p esné informace o složitých d jích jako reálné m ení. K tomu je zapot ebí stále se rozvíjejících moderních technik, které jsou schopny zachytit pot ebné objemy dat s vyhovující kvalitou a rychlostí zpracování.
Tato práce se zabývá výzkumem nestacionárního proud ní tekutin a ízením toku tekutiny pulzními proudy, pro který je d ležité vhodn zvolit metodu, jež poskytne vyhovující popis zkoumaného d je. Existují kontaktní a bezkontaktní metody, pro tuto práci však kontaktní metody nejsou vhodnou volbou z d vodu zna ného porušení toku tekutiny.
Z bezkontaktních metod byla vybrána jedna z nejkomplexn jších, metoda PIV.
Pro použití této laserové anemometrie je zapot ebí d kladného a náro ného studia. Bez teoretických znalostí není možné provád t m ení, která by p inesla v rohodné výsledky.
Studium je zam eno jak na samotný princip metody, tak i na práci se za ízením a na zpracování nam ených data, jelikož nastavení každého parametru experimentu m že zna n ovlivnit získané výsledky.
V diplomové práci je obsažen popis zvolené metody, její limity, p ednosti a parametry, konstrukce trysky, nastavení celého experimentu, dále popis zpracování nam ených dat a následn také zhodnocení dosažených výsledk .
_________________________________________________________________________
2 Metoda PIV
Aby bylo možno d kladn a p esn prostudovat chování proud ní tekutiny, je vhodné zvolit bezkontaktní m ící metodu. Kontaktní metody svou sondou porušují proud ní a ovliv ují tak jeho chování. I pokud by byla m ící sonda dostate n malá, aby porušení proud ní bylo zanedbatelné, je nutné pro zkoumání složit jších proudových polí opakovat m ení po celé zkoumané oblasti. Z výše uvedených d vod bylo vybíráno z bezkontaktních metod.
Jednou z takových je bodová metoda LDA (Laser Doppler Anemometry), jejíž princip je založen na Dopplerov jevu. V tomto p ípad pohybující se ástice unášená proudem tekutiny rozptyluje laserové zá ení na ni dopadající. Toto na ásticích rozptýlené zá ení má jinou frekvenci než je frekvence zá ení laserového. Posunutí frekvence rozptýleného zá ení je p ímo úm rné rychlosti ástice. Metoda m í rychlosti pouze v malé oblasti a zpracování nam ených dat je velmi složité (obtížná vizualizace).
Druhá metoda, kterou se nabízí použít, je metoda PIV (Particle Image Velocimetry). Do eštiny se název p ekládá jako rovinná laserová anemometrie. Z tohoto p ekladu je z ejmé, že tato metoda m í rychlosti proud ní v dané rovin a je tedy vhodná k m ení komplikovaných proudových polí. Díky této vlastnosti byla metoda PIV zvolena pro zadaný výzkum.
2.1 Základní princip metody PIV
_________________________________________________________________________
odstupem. Speciální optikou je toto zá ení modelováno do osv tlující roviny a paprsek tak vytvá í laserový ez. Tento ez definuje objektovou rovinu kamery, která se promítne do obrazové roviny CCD detektoru kamery. Tuto transformaci ur uje zvetšení M, pro které platí M=obraz/objekt.
Obr. 2.1-1 Uspo ádání metody PIV
Obr. 2.1-2 Transformace objektové roviny do obrazové a rozd lení obrazové roviny na vyhodnocované oblasti
_________________________________________________________________________
Obraz je po transformaci rozd len na pravoúhlé ( tvercové) vyhodnocované oblasti, jak je znázorn no na obr. 2.1-2. V každé s t chto oblastí je ur eno pr m rné posunutí ástic.
Ozna me si posunutí ástic ve vodorovném sm ru objektové roviny x a ve svislém y a jim odpovídající posunutí v obrazové rovin X a Y. Je-li také definováno zv tšení M, potom platí:
M X
x= ∆
∆ 1 a Y
y= M ∆
∆ 1 . (2.1-1) Pokud je p esn dán asový interval mezi jednotlivými záznamy t, získáme pro výpo et složek rychlostí rovnice:
t vx x
∆
= ∆ a
t vy y
∆
= ∆ . (2.1-2)
Po výpo tu vektor rychlostí podle rovnic (2.1-2) v jednotlivých vyhodnocovaných oblastech se souhrn výsledk asto prezentuje jako vektorové mapy, jak je znázorn no na obr. 2.1-3.
_________________________________________________________________________
2.2 Zpracování PIV obraz
Záznam obrazu je možný dv ma zp soby a to bu dvojnásobnou expozicí nebo jednotlivými expozicemi. P i dvojnásobné expozici je první i druhý záznam exponován do jednoho obrazu - v jednom obrazu jsou po áte ní i koncové polohy ástic. Technika vhodná pro výpo et pr m rného posunutí ástic je autokorelace. P i jednotlivé expozici dostáváme dva záznamy – jeden s po áte ními polohami ástic, druhý s koncovými polohami ástic. Ur ení pr m rného posunutí ástic se v tomto p ípad provádí technikou vzájemné korelace. Princip obou technik je d kladn popsán v [2].
Typickým výsledkem vzájemné korelace (jednotlivé expozice) obraz ve vyhodnocované oblasti je obr. 2.2-1.
Obr. 2.2-1 Výsledek analýzy obrazu metodou vzájemné korelace [7]
Vzájemnou korelací získáme pouze jeden vrchol RD. Pr m rné posunutí ástic pak ur uje vzdálenost sa, což je vzdálenost vrcholu RD od st edu korela ní roviny vyhodnocované oblasti. Sou et (RC + RF ) p edstavuje korela ní šum.
_________________________________________________________________________
Obr. 2.2-3 znázor uje postup zpracování celého PIV záznamu metodou vzájemné korelace.
V první ad je nutné po ídit kvalitní záznamy, aby mohl celý postup vedl k p ijatelnému výsledku. Následn je na digitální záznam aplikována samotná funkce vzájemné korelace a detekce vrcholu v korela ní map . Aby nalezení nejvyššího bodu vrcholu bylo co nejp esn jší, je zapot ebí aplikovat na dosud získaná data metodu subpixelové interpolace.
Ta roztáhne celý vrchol a p esn ji se tak ur í ší ka, výška a poloha vrcholu v korela ní rovin . Jako poslední se provede výpo et sou adnic vektor rychlosti a vektory jsou zaneseny do vektorové mapy, na kterou jsou ješt aplikovány valida ní metody.
Obr. 2.2-2 Postupné zpracování PIV obrazu metodou vzájemné korelace[7]
_________________________________________________________________________
2.3 Systematické chyby a omezení metody PIV
Jako každá metoda i metoda PIV má svá omezení, která vycházejí z vlastního principu metody. Je proto d ležité p edem si uv domit, jaký d j je t eba m it, a nastavit tak celý m ící aparát. Níže jsou jednotlivé chyby a limity metody uvedeny.
2.3.1 Ztracené páry
Doposud bylo p edpokládáno, že po áte ní i koncová poloha ástic byla zaznamenána ve stejné vyhodnocované oblasti. V reálu ale není možné tohoto stavu docílit. Vždy se najde ástice, která má pouze jeden obraz ve vyhodnocované oblasti a nemá odpovídající prot jšek do páru. Bu v asovém intervalu mezi snímky ástice opustila vyhodnocovanou oblast, anebo se do záznamu p i druhém snímku dostala ástice z jiné vyhodnocované oblasti. Pravd podobnost ztracení svého prot jšku je vyšší u rychlejších ástic, které mají v tší posun, a to má za následek zvyšování korela ního šumu a stahování pr m rné rychlosti v dané vyhodnocované oblasti k nule. Technika, která do jisté míry eliminuje tuto systematickou chybu metody, je p ekrývání vyhodnocovaných oblastí (podrobn ji v [2]).
2.3.2 Maximální posunutí ástic
Jedním z limitujících parametr metody PIV je maximální posunutí ástic. Z Nyquistova vzorkovacího kritéria spojeného s Fourierovou transformací vychází p edpoklad, že by posunutí v libovolném sm ru nem lo p ekro it polovinu vyhodnocované oblasti, ale aby se zamezilo nadm rnému po tu „ztracených pár “, je tato mez také pro správné zpracování PIV záznamu p íliš velká. Z teoretických rozbor je doporu eno dodržet maximální posunutí pod jednu tvrtinu strany vyhodnocované oblasti, jak ukazuje rovnice (2.3-1).
_________________________________________________________________________
4 4
int max
max
pixel
l N d
tM d v
D = ∆ ≤ = (2.3-1) Dmax maximální posunutí v obrazové rovin
vmax vektor maximální rychlosti v objektové rovin t asový interval mezi prvním a druhým záznamem
M zv tšení
dl strana vyhodnocované oblasti
Nint strana vyhodnocované oblasti v pixelech dpixel rozte mezi sousedními pixely
2.3.3 Hustota sycení ástic
Dalším d ležitým parametrem ovliv ujícím odstup signálu od šumu je po et sytících ástic ve vyhodnocované oblasti. Efektivním nástrojem pro stanovení tohoto p im eného po tu sytících ástic je po íta ová simulace Monte Carlo. Na obr. 2.3-1 je znázorn n typický výsledek simulace pro vzájemnou korelaci. Jak je vid t, p íliš malé sycení ásticemi m že být zdrojem výrazných chyb. Vypo tená rychlost je proti skute né rychlosti menší. Chyba také roste sou asn s rostoucím pr m rným posunutím. Na základ simulací byly stanoveny minimální doporu ené po ty ástic ve vyhodnocované oblasti. Pro vzájemnou korelaci je doporu eno 5 ástic ve vyhodnocované oblasti a pro autokorelaci je doporu eno
ástic 10.
_________________________________________________________________________
Obr. 2.3-1 Chyba pr m rného posunutí ástic pro vzájemnou korelaci v závislosti na hustot sycení [7]
2.3.4 Dynamický rozsah
M itelný dynamický rozsah Ra je dán rozdílem maximální m itelné rychlosti vmax a minimální m itelné rychlosti vmin podle rovnice (2.3-2). Protože je proud ní reverzibilní, vektor minimální m itelné rychlosti je vlastn vektor maximální m itelné rychlosti v opa ném sm ru k vektoru maximálního posunutí.
min max v v
Ra = − (2.3-2)
_________________________________________________________________________
Pro použití vzájemné korelace platí, že vektor maximální m itelné rychlosti je stejn velký jako vektor minimální m itelné rychlosti, ale s opa ným znaménkem. Jak bylo výše zmín no, je vektor maximálního posunutí Dmax velký nejvýše jednu tvrtinu délky vyhodnocované oblasti dl podle vzorce (2.3-3).
4
max
dl
D = (2.3-3) Dosazením vztahu (2.3-3) do rovnice (2.3-2) získáme absolutní dynamický rozsah Ra pro vzájemnou korelaci ve tvaru:
tM d tM
v D
Ra l
= ∆
= ∆
= 2
2 max 2 max . (2.3-4)
2.3.5 Stopovací ástice
Ze základního principu vyplývá, že metodou PIV nem íme skute nou rychlost proud ní, ale rychlost stopovacích ástic unášených proudem tekutiny. Proto mají vlastnosti ástic zásadní vliv na kvalitu m ení. ástice by m ly být dostate n malé, aby dob e sledovaly proud, na druhou stranu zase tak velké, aby na svém povrchu dostate n rozptylovaly laserové zá ení a bylo tak možné zaznamenat jejich polohu kamerou. Dalšími vlastnostmi ástic by m ly být nízké po izovací náklady, vhodný zp sob jejich generování, m ly by být netoxické, nekorozní, nezp sobující erozi, net kavé, slab se vypa ující, chemicky nete né, pokud možno také homogenní a monodisperzní.
_________________________________________________________________________
3 Syntetizovaný proud
V druhé polovin 20. století se v da za ala zajímat o zvláštní typ proud ní tekutin nazývaný anglicky „Synthetic Jet“. Do eštiny se tento termín p ekládá jako „syntetizovaný proud“. P eklad „syntetický proud“ je zavád jící a není používán, jelikož evokuje p edstavu jakéhosi um lého proudu tekutiny. Pojem „syntetizovaný proud“ se používá k ozna ení proudu tekutiny vzniklého skládáním („syntézou“) n kolika po sob jdoucích pulz tekutiny, a proto se také n kdy místo syntetizovaný proud používá pojem pulzní proud.
3.1 Vznik syntetizovaných proud
Syntetizované proudy jsou tekutinové proudy generované periodickým pulzováním tekutiny, která je cyklicky nasávána a vyfukována otvorem (tryskou). V otvoru je asov st ední pr tok nulový, ale v dostate n vzdáleném míst v ose trysky zp sobuje posloupnost výfuk nenulový tekutinový proud „syntetizovaný“ z periodického pulzování.
Obr. 3.1-1 Jeden pracovní cyklus za ízení Synthetic Jet [8]
_________________________________________________________________________
Na obr. 3.1-1 je znázorn n jeden pracovní cyklus za ízení využívajícího syntetizovaného proudu. V první fázi se membrána pohybuje proti sm ru výfuku tekutiny a dostává se z po áte ní polohy 1 do krajní polohy 2. B hem tohoto d je dochází k nasávání okolní tekutiny do dutiny ak ního lenu. V druhé fázi se membrána dostává p es po áte ní polohu do druhé krajní polohy 4 a b hem tohoto d je se nasátá tekutina vyfukuje ven z otvoru ak ního lenu. P i návratu do po áte ní polohy je op t okolní tekutina nasávána zp t. Celý d j se n kolikrát cyklicky opakuje a dává tak vzniknout syntetizovanému proudu.
3.2 Výhody a použití syntetizovaných proud
Z popisu vzniku vyplývá jedna z výhod použití syntetizovaných proud a to generace proudu bez p ívodu tekutiny. Eliminuje se tedy pot eba potrubí pro p ívod tekutiny a za ízení se m že umístit p ímo tam, kde je ho zapot ebí. Další výhodou takto generovaných syntetizovaných proud je vysoká intenzita turbulence. Této vlastnosti bývá využíváno zejména pro chlazení nebo oh ev.
Pro použití syntetizovaných proud se nabízí mnoho aplikací, které jsou zam eny na ízení proudu tekutin. Provád jí se výzkumy hlavn v oblastech aerodynamiky (letecký a automobilový pr mysl) a v oblastech týkajících se chlazení, p ípadn oh evu (energetický pr mysl, výpo etní technika). Výzkum postupn rozši uje využití syntetizovaných proud i v jiných odv tvích.
V této práci jsou pulzní proudy využívány k ízení proud ní tekutiny, které ovliv ují v ústí trysky.
_________________________________________________________________________
4 P íprava m ení
4.1 Popis a zapojení za ízení
Za ízení pro experimentální výzkum ízení toku tekutiny pomocí syntetizovaných proud je zobrazeno na obr. 4.1-1 a 4.1-2.
Obr. 4.1-1 Za ízení pro ízení toku tekutiny
_________________________________________________________________________
Obr. 4.1-2 ez za ízením pro ízení toku tekutiny
Hlavní proud tekutiny je p ivád n dv ma hadicemi k m ené soustav . Tyto hadice jsou ve spodní ásti m ené soustavy spojeny a kolmo vzh ru je p ivád n hlavní proud tekutiny tryskou. Uspo ádání p ívodu tímto zp sobem zajiš uje rovnom rný p ívod tekutiny. K ústí trysky jsou p ivedeny ty i na sebe kolmé vývody hadi ek, kterými je p ivád no proud ní vzniklé oscilujícími membránami ( uspo ádání trysky je názorn jší z obr. 4.1-2). V tomto p ípad membránu zastupují reproduktory.
Reproduktory byly p ipojeny na funk ní generátor Agilent 33220A, který generoval sinusové signály. Aby signál funk ního generátoru vyhovoval zadaným parametr m, byl zesílen pomocí výkonového zesilova e a nastaven tak, aby výkon dvou reproduktor zapojených do série byl vždy 0,02 W. Výkon byl docílen signálem o nap tí 0,40 V a
_________________________________________________________________________
Generátor funkcí Agilent 33220A je možné p ipojit k za ízení, které mu p edává informace o spoušt ní a vypínání svého výstupu. Informa ní signál je p iveden do funk ního generátoru pomocí vn jšího triggeru. Signál s informací o spušt ní funk ního generátoru je v tomto p ípad posílán z ídicí jednotky laseru. Ta je propojena jak s vlastním laserem, tak i s osobním po íta em. Komunikace ídicí jednotky a po íta e je zprost edkována TCP/IP protokolem. ídicí jednotka laseru také ídí okamžik po ízení záznamu obrazu kamerou.
Na obr. 4.1-3 je znázorn no schéma zapojení n kolika za ízení, kterými je kontrolován pr tok p ivád ného vzduchu se sytícími ásticemi.
Obr. 4.1-3 Zapojení rotametr a generátoru ástic
Jelikož sycení vzduchu ásticemi pomocí samotného generátoru ástic lze nastavovat jen velmi hrub , je p ívod vzduchu rozd len do dvou paralelních v tví, aby bylo dosaženo optimálního sycení vzduchu ásticemi. Pr tok jednou v tví ur uje pr tok generátorem ástic, druhá v tev slouží k jemn jšímu dolad ní sycení. P ístroje jsou zobrazeny na obr. 4.1-4 a obr. 4.1-5. Ode tením hodnot z rotametr a barometr a následných výpo t podle [10] a [11] získáme pr tok v obou v tvích a se tením t chto hodnot je získán pr tok v ústí trysky.
_________________________________________________________________________
Obr. 4.1-4 Generátor ástic
_________________________________________________________________________
4.2 Synchronizace m ené soustavy s m ícím systémem
Aby bylo možno zkoumat periodické chování proud ní a studovat d je b hem jedné periody, je nutné synchronizovat m enou soustavu s m ícím systémem. Schéma zapojení jednotlivých za ízení je zobrazeno na obr. 4.2-1.
Obr. 4.2-1 Synchronizace jednotlivých za ízení
Poté, co je nastaven generátor funkcí a výkonový zesilova , je uživatel schopen po zapojení všech za ízení podle obr. 4.2-1 pouze pomocí po íta e synchronizovat m ení.
_________________________________________________________________________
periody. Uživatelem nastavené parametry jsou zaslány do ídicí jednotky laseru, jež následn vyšle signál do funk ního generátoru a ten za ne budit reproduktory.
S definovaným zpožd ním poté ídicí jednotka spustí laser a kameru a je po ízen obrazový záznam, který je odeslán do po íta e, uložen a p ipraven ke zpracování.
4.3 Nastavení parametr za ízení
Nastavení parametr za ízení, jejichž hodnoty z stávaly b hem m ení nem nné, jsou popsány v tab. 4.3-1.
Tab. 4.3-1 Parametry za ízení
device HiSense 12bit
asynchronní režim kamera
mode metoda jednotlivých expozic
device NewWave Geminy
laser
mode trigerred
130 (resp. 60) s mezi pulzy
timing
50 záznam burst start fixed time interval Softwarové
nastavení parametr programem FlowManager
acquisition control
programmable
trigger output zpožd ní signálu pulzu laseru a kamery funk ní generátor
Agilent 33220A amplituda 100 mV vn jší za ízení
výkonový
zesilova zesílení na 400 mV a 50 mA
_________________________________________________________________________
5 Zpracování dat a popis m ení
5.1 Zpracování záznam
Záznamy po ízené m ícím za ízením jsou ukládány jako bitmapa. Je to ernobílý obraz rozd lený na jednotlivé pixely. V tomto p ípad je po et pixel 1280×1024. Pro každý pixel je ur ena hodnota jasu v rozmezí 0 ( erný pixel) až 4095 (bílý pixel). P íklad získaného záznamu je zobrazen na obr. 5.1-1.
Obr. 5.1-1 P íklad záznamu obrazu v podob bitmapy
Bílé te ky v záznamu jsou pozice sytících ástic unášených proudem vzduchu. Pro m ení byla použita metoda jednotlivých expozic, tedy s krátkým asovým odstupem byly po ízeny dva záznamy. asový odstup je definován uživatelem a je závislý na rychlosti proud ní, jak je poznamenáno v kap. 2.3, zabývající se limity metody PIV. Pro p esné m ení posta uje zaznamenat padesát obraz v jeden a ten samý okamžik dané periody.
Pokud je nastaveno zpožd ní po ízení záznamu za buzením reproduktor m eného systému, je možné prozkoumat po krátkých asových úsecích pr b h proud ní celou periodou zkoumaného d je.
_________________________________________________________________________
5.1.1 Vzájemná korelace a valida ní metody
Po získání obrazových záznam p ichází na adu aplikace metody vzájemné korelace. Pro tuto metodu je zapot ebí ur it vhodné parametry, to znamená zvolit velikost vyhodnocované oblasti a také stupe p ekrytí vyhodnocovaných oblastí v procentech.
Jelikož p i rychlejším turbulentním proud ní byl maximální posun ástic 8 pixel (ur eno experimentáln z po ízených záznam ) a dle podmínky dodržení maximálního posunutí ástic pod jednu tvrtinu velikosti strany vyhodnocované oblasti (kap. 2.3.2), byla stanovena velikost strany vyhodnocované oblasti na hodnotu 32 pixel . Stupe p ekrytí vyhodnocovaných oblastí byl nastaven na hodnotu 50% jak v horizontálním, tak i ve vertikálním sm ru, op t byl ur en experimentáln .
Aplikací metody vzájemné korelace na obrazový záznam je získána vektorová mapa.
P íklad vektorové mapy je zobrazen na obr. 5.1-2. Vektorová mapa je v tšinou zatížena chybnými vektory, jež bývají na první pohled patrné. Tyto chybné vektory vznikají nesprávnými výpo ty, jejichž p í inou mohou být nap . ztracené páry ( kap. 2.3.1).
_________________________________________________________________________
Pro zpracování záznam existuje metoda, která z velké ásti chybné vektory odstraní. Tato metoda se nazývá validace rozsahu (Range Validation) a omezení vektor rychlosti v proudovém poli je možno zadáním maximální a minimální velikosti vektoru nebo hodnotami složek vektoru . Obr. 5.1-3 a 5.1-4 znázor ují postup p i aplikaci této metody.
Pokud jsou správn ur eny chybné vektory, nejsou již akceptovány pro další výpo ty a uživatel má možnost tyto vektory odstranit i vizuáln .
Obr. 5.1-3 Vektorová mapa po aplikaci metody validace rozsahu (chybné vektory jsou ozna eny ervenou barvou)
_________________________________________________________________________
Obr. 5.1-4 Vektorová mapa po aplikaci metody validace rozsahu bez zobrazení chybných vektor
Pokud má proud ní ví ivou povahu, nelze validaci rozsahu na konkrétní složku rychlosti použít, protože by mohlo dojít k odstran ní platných vektor . Zde je vhodn jší použít metodu nazvanou Moving-Average Validation. Tato metoda ur í platnost vektoru rychlosti na základ p edpokladu spojitosti proud ní ze sousedních vektor a podle hodnoty akcepta ního faktoru. Pokud je vektor rychlosti ozna en jako chybný, nahradí se odhadnutým vektorem.
Jelikož nastavení experimentu p ineslo výborné výsledky po aplikaci metody validace rozsahu, nebylo zapot ebí použít metodu Moving-Average Validation.
_________________________________________________________________________
5.1.2 Vizualizace PIV záznam
Jak je zmín no výše, je v každém m eném okamžiku periody po ízeno 50 záznam téhož d je ve stejném okamžiku periody. Pokud se aplikuje na každý získaný záznam vzájemná korelace a následn i validace rozsahu, je možno provést “zpr m rování“ vektorových map. Výsledkem je vektorová mapa nazývaná vektorová statistika (obr. 5.1-5). Ta eliminuje další náhodné odchylky vektor v jednotlivých záznamech a vystihuje tak hlavní trend zkoumaného proud ní. Pro názorn jší zobrazení rychlosti proud ní je možné vektory barevn rozlišit v závislosti na jejich velikosti. Na obr. 5.1-5 jsou vektory velkých rychlostí ervené a se snižující se velikostí vektor p echází jejich barva p es žlutou a zelenou na modrou.
Obr. 5.1-5 Vektorová statistika
Další výhodou je možnost zobrazení vektorové mapy pomocí r zných vizualizací. Na obr. 5.1-6 je z vektorové statistiky spo ítána skalární mapa rychlosti. Op t ervená barva ur uje oblast nejv tší rychlosti proudu a fialová naopak oblasti s nejmenší rychlostí proudu.
_________________________________________________________________________
Obr. 5.1-6 Skalární mapa rychlosti
_________________________________________________________________________
Jednou z dalších vizualizací je možnost zobrazení výsledk m ení v podob skalární mapy ví ivosti (obr. 5.1-7). Odstíny ervené zobrazují ví ivost proud ní v protism ru hodinových ru i ek a odstíny modré zobrazují ví ivost proud ní ve sm ru hodinových ru i ek. Zelená barva zna í oblasti s nulovou ví ivostí, je nastavena pouze jako pozadí.
Jedna z možných vizualizací, jež poskytuje srozumitelný obraz zkoumaného d je, je i zobrazení výsledk v podob texturové mapy po aplikaci funkce Line Integral Convolution.
P íklad takové mapy ilustruje obr. 5.1-8. Z obrázku jsou patrné víry a hlavní tendence proud ní tekutiny.
Obr. 5.1-8 Texturová mapa
Vhodn zvolené vizualizace lze také kombinovat. Nabízí se p ekrytí jednotlivých obraz a tím lze v n kterých p ípadech lépe chápat tvar i smysl proud ní, jak ukazuje obr. 5.3-5. Zde byla pro demonstraci použita skalární mapa rychlostí jako pozadí a na ní je zobrazena vektorová statistika.
_________________________________________________________________________
Obr. 5.1-9 Kombinace mapy rychlostí a vektorové statistiky
5.2 Popis m ení
Výzkum ízení toku tekutiny v této práci zahrnuje m ení a popis proud ní pro n kolik režim zapojení budících reproduktor a také pro dv hodnoty pr tok . M ení bylo provád no p i frekvencích budícího signálu reproduktor 82 Hz a 190 Hz. P i frekvenci 82 Hz bylo ízeno laminární proud ní (Reynoldsovo íslo Re=1600)a p i frekvenci 190 Hz bylo ízeno turbulentní proud ní (Reynoldsovo íslo Re=5000). Budící signál reproduktor byl nastaven tak, aby výkon dvou reproduktor zapojených do série byl vždy 0,02 W.
Výkon byl docílen signálem o nap tí 0,40 V a proudu 0,05 A p i obou typech proud ní.
_________________________________________________________________________
5.2.1 Mód A
Tento mód buzení je nazýván bifurka ní v jedné rovin a je znázorn n na obr. 5.2-1. Šipky ur ují sm r proud ní vzduchu tryskami pulzací.
Obr. 5.2-1 Sm r proud ní tryskami v módu A
Obr. 5.2-2 ukazuje buzení reproduktor v bifurka ním režimu.
_________________________________________________________________________
5.2.2 Mód B
Buzení v tomto módu se nazývá osov symetrické v jedné rovin a obr. 5.2-3 charakterizuje ovlivn ní hlavního proud ní vzduchu dv ma vývody.
Obr. 5.2-3 Sm r proud ní tryskami v módu B
Znázorn ní buzení reproduktoru je demonstrováno na obr. 5.2-4.
_________________________________________________________________________
5.2.3 Mód C
Obr. 5.2-5 Sm r proud ní tryskami v módu C
Buzení v módu C je osov symetrické (obr. 5.2-5) a všechny ty i reproduktory jsou buzeny stejným sinusovým signálem (obr. 5.2-6).
_________________________________________________________________________
5.2.4 Mód D
Tento mód je získán spojením módu A s módem B. Sm ry proud ní vzduchu jednotlivými tryskami pulzací jsou znázorn ny na obr. 5.2-7 a na obr. 5.2-8 je zobrazeno buzení reproduktor .
Obr 5.2-7 Sm r proud ní tryskami v módu D
_________________________________________________________________________
6 Výsledky m ení
Syntetizované proud ní je charakterizováno nulovým hmotnostním tokem tekutiny v ústí trysky. V této práci byl ízen tok tekutiny v ústí hlavní trysky pulzním proud ním. I když výsledný proud nemá nulový hmotnostní tok v ústí hlavní trysky, má výsledné proud ní charakter syntetizovaného proudu.
St ední hodnota rychlosti proud ní v p ípad laminárního proud ní byla 2,9 ms-1 a v p ípad turbulentního proud ní 9 ms-1.
6.1 Mód A - bifurka ní
Proud ní tekutiny s reproduktory buzenými v tomto módu je znázorn no na obr. 6.1-1.
_________________________________________________________________________
Buzením reproduktor v tomto módu dochází k rozd lení proud ní na dva samostatné proudy (Bifurcating jet) a oba se ší í dál jako jediný pulza ní proud. Tento jev je patrný z obr. 6.1-2, na kterém je zobrazena vektorová mapa v podob rychlostního profilu s pozadím rychlostní mapy.
Obr. 6.1-2 Porovnání laminárního (vlevo) a turbulentního proud ní (vpravo) módu A
Vývoj proud ní b hem jedné periody budícího signálu je zobrazen obr. 6.1-3 a 6.1-4. Je na n m možno vid t, že první prstencová struktura jakoby vznikala z víru druhé struktury, p i emž každá následující prstencová struktura vychází st ídav z pravého (resp. levého) víru struktury p edcházející.
_________________________________________________________________________
Obr. 6.1-3 Vývoj laminárního proud ní módu A (vlevo vektorová mapa, vpravo skalární
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Pr b h rozd lení proud ní na dva proudy je pozorovatelné z grafu 6.1-1 a 6.1-2
X/D=2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
-3 -2 -1 0 1 2 3
R/D
V[m/s]
0,25T 0,75T
Graf 6.1-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti od osy trysky módu A
X/D=2
0 2 4 6 8 10
-3 -2 -1 0 1 2 3
R/D
v[m/s]
0,25T 0,75T
_________________________________________________________________________
Grafy 6.1-3 a 6.1-4 ukazují, že rychlosti proud ní se s rostoucí výškou nad ústím trysky b hem periody postupn zmenšují.
X/D=6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
-3 -2 -1 0 1 2 3
R/D
v[m/s] 0,5T
0,75T
Graf 6.1-3 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti od osy trysky módu A
X/D=6
2 4 6 8 10
v[m/s]
1T 0,5T
_________________________________________________________________________
6.2 Mód B – osov symetrický v jedné rovin
Proud ní s reproduktory buzenými v módu B je znázorn no na obr. 6.2-1.
Obr. 6.2-1 Fotografie proud ní p i zapojení reproduktor podle módu B
P i bo ním pohledu kolmém na rovinu s buzenými reproduktory je vid t, jak se pravideln po stranách proud ní vytvá í víry symetrické podle osy trysky. Mezi víry dochází k nár stu velikosti rychlosti proud ní (obr. 6.2-2).
_________________________________________________________________________
Obr. 6.2-2 Porovnání laminárního (vlevo) a turbulentního proud ní (vpravo) módu B
Strukturu a vývoj proud ní b hem periody ukazují obr. 6.2-3 a obr. 6.2-4 v podob vektorových map a skalárních map ví ivosti.
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Zrychlení proudu v ose trysky pro oba typy proud ní dokazují grafy 6.2-1 a 6.2-2.
X/D=6
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5
R/D
v[m/s] 1T
0,25T 0,5T 0,75T
Graf 6.2-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti od osy trysky módu B
X/D=6
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
-3 -2 -1 0 1 2 3
R/d
v[m/s] 1T
0,25T 0,5T 0,75T
Graf 6.2-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti od osy trysky
_________________________________________________________________________
6.3 Mód C – osov symetrický
Na obr. 6.3-1 je zobrazeno proud ní ovlivn né buzením reproduktor podle módu C. Aby nedocházelo k vychylování proud ní od osy trysky, je nutné pe liv nastavit parametry buzených reproduktor .
Obr. 6.3-1 Záznam proud ní módu C v podob bitmapy
Výsledkem roztahování a stla ování proud ní v ústí trysky je proud ní zobrazené na
_________________________________________________________________________
Obr. 6.3-2 asový pr b h proud ní p i módu C laminárního (naho e) a turbulentního proud ní (dole) – na pozadí rychlostního profilu skalární mapa rychlostí
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Z graf 6.3-1 a 6.3-2 je také názorn vid t nár st a pokles rychlostí proud ní v tomto módu.
X/D=2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5
R/D
v[m/s]
0,25T 0,75T
Graf 6.3-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti od osy trysky módu C
X/D=2
2 4 6 8 10 12
v[m/s]
0,25T 0,5T
_________________________________________________________________________
6.4 Mód D
Bitmapa na obr. 6.4-1 zobrazuje proud ní vzniklé buzením reproduktor podle módu D.
Obr. 6.4-1 Záznam proud ní módu D v podob bitmapy
Z obr. 6.4-2 je dob e znatelné, že p i buzení reproduktor v tomto módu dochází k rozd lení proud ní na dva proudy a to tak, že levý proud je užší a má vetší rychlost, pravý má naopak menší rychlost a je vlivem budících proud roztažený.
_________________________________________________________________________
Obr. 6.4-2 asový pr b h proud ní p i módu D laminárního (naho e) a turbulentního proud ní (dole) – na pozadí rychlostního profilu skalární mapa rychlostí
_________________________________________________________________________
Obr. 6.4-3 Vývoj laminárního proud ní módu D (vlevo vektorová mapa, vpravo mapa
_________________________________________________________________________
_________________________________________________________________________
Grafy 6.4-1 znázor uje rozd lení proud ní na dva proudy a spolu s grafem 6.4-2 ukazují vyrovnání rychlostí proud ní b hem jedné periody.
X/D=5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
-2,5 -2 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5
R/D
v[m/s]
0,25T 0,75T
Graf 6.4-1 Závislost velikosti rychlosti laminárního proud ní na vzdálenosti od osy trysky módu D
X/D=5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
-3 -2 -1 0 1 2 3
R/D
v[m/s]
0,25T 0,75T
Graf 6.4-2 Závislost velikosti rychlosti turbulentního proud ní na vzdálenosti od osy trysky
_________________________________________________________________________
7 Záv r
Práce se v teoretické ásti zabývá základním popisem syntetizovaných proud a principem metody PIV, jejími limitami pro správné vyhodnocování nam ených dat a její vhodností pro m ení nestacionárních proudových polí.
Na základ získaných poznatk o metod PIV byla sestavena m ící soustava schopná experimentálního výzkumu proud ní, které bylo ízeno pulzujícími proudy a jejichž buzení využívalo ak ní leny pro vznik syntetizovaných proud . Jako oscilující membrány ak ních
len byly použity reproduktory.
Bylo ízeno laminární proud ní (st ední rychlost proud ní 2,9 ms-1, Re=1600 a frekvence buzení reproduktor 82 Hz) a turbulentní proud ní (st ední rychlost proud ní 9 ms-1, Re=5000 a frekvence buzení reproduktor 190 Hz) a bylo zkoumáno jejich chování pro r zné režimy zapojení buzených reproduktor .
A koliv výkon pot ebný pro buzení dvojice reproduktor byl pouze 0,02 W, výsledky experimentu dokázaly, že pulzujícím proud ním p ivád ným k ústí hlavní trysky je možné zásadním zp sobem ídit jak laminární, tak i turbulentní proud ní.
Výsledky experimentu byly zpracovány do podoby vektorových map, skalárních map rychlostí a ví ivostí. Po exportu dat v numerické podob také do graf .
Dosažené výsledky experimentu byly prezentovány na XXI. sympoziu o laserové anemometrii v Holanech – Liticích.
_________________________________________________________________________
Seznam použité literatury
[1] Raffel, M., Willert, C., Kompenhans, J.: Particle Image Velocimetry, Springer, ISBN 3-540-63683-8
[2] Kopecký, V. : U ební texty, 2001
[3] Smith, B.L., Glezer, A.: The formation and evolution of synthetic jets, Phys. Fluids, Vol. 10 (1998) 2281-2297
[4] Carter, J.E., Soria, J.: The evolution of round zero-net-mass-flux jets, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 472 (2002) 167-200
[5] Holman, R., Utturkar, Y., Mittal, R., Smith, B.L., Cattafesta, L.: Formation Criterion for Synthetic Jets, AIAA Journal, Vol. 43 (2005), No. 10, 2110-2116
[6] Gordon, M., Soria, J.: PIV measurements of a zero-net-mass-flux jet in cross flow, Experiments in Fluids, Vol. 33 (2002) No. 6, 863-872
[7] Dantec Dynamics Inc.: FlowManager software and introduction to PIV instrumentation [8] Dan ová, P., Trávní ek, Z., Vít, T.:Syntetizovaný proud, MM Pr myslové spektrum, Vol. 3 (2007)
http://www.mmspektrum.com/index.php?m=2&sub=5&rel=0703&idcl=070301
[9] Reynolds, W.C., Parekh, D.E., Juvet, P.J.D., Lee, M.J.D.: Bifurcating and Blooming Jets, Ann. Rev. Fluid Mech., (2003) 35:295-315
[10] Jen ík, J., Volf, J. a kol.: Technická m ení, eské vysoké u ení technické v Praze, Vydavatelství VUT, 2003
[11] Dvo ák, V., Šulc, J., Urbášek, J.: Technická m ení – Návody na cvi ení, Technická univerzita v Liberci, 2005, 55-012-05, ISBN 80-7083-917-1
