تحقیق درباره ضریب دراگ استوانه‌های مدور در جریان توریولانس جو (اتمسفر) (هواشناسی)

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word  و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 8

ضریب دراگ استوانه‌های مدور در جریان توربولانس جو (اتمسفر)

یک آزمایش روی ضریب دراگ استوانه‌های مدور برای بررسی طوفان کاگوشیمای ژاپن اجرا شد. یک دستگاه سادة اندازه‌گیی ضریب دراگ که قابلیت چرخش نیز دارد به صورت عمودی در یک فضای باز در برابر جریان متوسط باد قرار می‌گیرد. استفاده از این وسیله به ما در اندازه‌گیری ضریب دراگ (cd) استوانه‌های مدور کمک می‌کند.

نتایج نشان می‌دهند که مقادیر ضریب دراگ (cd) سیلندرها در جریان با توربولانس بالای جو، تقریباً با آزمایشات جریان آرام داخل تونل باد برابر است. این مطالب بر این موضوع دلالت دارد که نیروی دراگ سیلندر در جریان توربولانس با مقیاس بزرگ(Large – scale) نزدیک به مقادیر جریان آرام است.

مقدمه

خصوصیات آیرودینامیکی bluff bodies در جریان توربولانس جو یکی از مهمترین موضوعات در مهندسی باد است و به طور ممتد در مراکز علمی و تحقیقاتی مطالعه می‌شود. به منظور محاسبه و پیش‌بینی خصوصیات آیرودینامیکی bluff bodies، تست‌های تونل باد با جریان آرام و یکنواخت در بسیاری موارد اجرا می‌شود. سپس، اگر لازم باشد جریان توربولانس بر آیرودینامیک bluff bodies تحقیق و بررسی شود. اختلاف بین نتایج جریان آرام و جریانهای گوناگون توربولانس بررسی می‌شود و خصوصیات آیرودینامیکی bluff bodies در جریان توربولانس جو محاسبه و پیش‌بینی می‌شود. ما یک سری مطالعات تجربی برای بررسی اثرات توربولانس روی جریان متوسط پشت bluff bodiesهای دو بعدی و سه‌بعدی انجام دادیم. نتایج ذیل با تأکید روی اثرات مقیاس توربولانس به خوبی شدت توربولانس نتیجه‌گیری شده‌اند. جریان نزدیک‌گردابه پشت یک bluff body بوسیلة دو پدیدة اصلی جریان حاکم است: جدایی جریان و گردابه. اگر یکی یا هر دوی این دو پدیده در ورود آشفتگی در حوزة جریان تأثیر‌گذار باشند، هر پارامتر جریان مربوط به گردابه شاید موضوع مهم تغییرات باشد. مقیاس های طولی وابسته به این دو پدیده، ضخامت لایه برشی و فاصلة بین دو لایه برشی جدا شده یا به طور ساده‌تر، اندازة جسم است.

بنابراین توربولانس می‌تواند بر جریان نزدیک گردابه به اثر بگذارد اگر طول مقیاس آن با دو طول مقایس دیگر قابل مقایسه باشد. برعکس توربولانس کنترل زیادی روی جریان نزدیک گردابه ندارد اگر مقیاس طولی آن با دو طول مقیاس دیگر متفاوت باشد. بدین دلیل تأثیر توربولانس نزدیک جریان گردابه می‌تواند قابل صرفنظر باشد موقعیکه مقیاس طولی توربولانس بزرگتر از مقیاس طول جسم باشد. در جریان توربولانس جو، نسبت مقیاس طولی‌ توربولانس Lx/d عموماً خیلی‌ بزرگ است که Lx مقیاس بعد طول توربولانس و d خصوصیات طولی bluff body است. ما پیش‌بینی می‌کنیم که تأثیر توروبولانس جو روی یک bluff body قابل صرفنظر کردن باشد. برای اثبات این فرضیه یک سری مطالعات تجربی انجام شد تا ضریب دراگ سیلندرهای مدور در جریان توربولانس جو اندازه‌گیری شود.

2. وسیلة اندازه‌گیر دراگ و روش مطالعة تجربی

ما یک محیط باز در جنوب ژاپن برای مشاهدات خود در نظر گرفتیم. ما بدلیل تجربیات گذشته طوفان در این منطقه انتظار بادهای شدید را داشتیم. هیچگونه ساختمان‌ها و خانه‌های بلند که تأثیری بر جریان اطراف سیلندرها بگذارد و جود نداشت. ما یک برج برای اندازه‌گیری دراگ سیلندرهای مدور ساختیم که در شکل 1 دیده می‌شود. برج شامل یک پایه با چهار دکل 9 متری و قاب اندازه‌گیری به ابعاد 6.5 متر ارتفاع و 2.2 متر عرض است. هشت استوانه با طول 1.6 متر و قطرهای متفاوت 90, 30, 23 میلیمتر به طور افقی در داخل قاب اندازه‌گیری قرار گرفته‌اند. برای اجتناب از هر آشفتگی سه بعدی بزرگ بوسیلة قاب اندازه‌گیری، صفحه‌های مدور به انتهای سیلندرها متصل شده‌اند. قطر صفحه‌های انتهایی برای سیلندرها با قطرهای 90, 30, 23 میلمیمتر بترتیب 50, 32, 32 سانتیمتر است. سطوح سیلندرها صاف یا یکی از سه درجة زبری در قالب شیارهای مدور است. قاب اندازه‌گیری طوری طراحی شده‌است که به طور اتوماتیک حول محور عمومی خود می‌چرخد به منظور اینکه سیلندرها همیشه در مسیر باد قرار داشته‌باشند. دراگ روی هر سیلندر بوسیلة دو load cell که در دو انتهای هر سیلندر قرار گرفته‌است اندازه‌گیره می‌شود. خروجی هر سیلندر به یک تقویت‌کنندة کرنش فرستاده می‌شود. برای اندازه‌گیری سرعت باد (U)، دو بادسنج در بالا و پائین قاب اندازه‌گیری تعبیه شده‌است. مسیر باد بوسیلة یک پرة بادنما که در بالای قاب قرار گرفته‌است کنترل می‌شود.

تمام خروجی‌ها از load cellها، بادسنج‌ها و پرة بادنما بوسیلة یک نوار ثبات آنالوگ و سه ثبات قلمی ثبت می‌شوند.

3. مقدمات آزمایش تونل باد

تونل باد دارای 2 متر ارتفاع،4 متر عرض و 6 متر طول با مقطع مستطیلی است که برای یک مقطع با اندازه‌های مشابه کاربرد دارد. تونل‌باد می‌تواند یک جریان آرام یکنواخت با شدت توربولانس حدود 0.12% تولید نماید. تأثیر قاب اندازه‌گیری روی جریان اطراف سیلندرهای مدور ابتدا بررسی می‌شود. برای این منظور، توزیع سرعت U (سرعت باد) در راستای پهنای سیلندر افقی در راستای جریان باد، با قاب و بدون قاب اندازه‌گیری، سنجیده می‌شود که در شکل 3 نشان داده شده‌است. برای مورد بدون قاب اندازه‌گیری، توزیع سرعت U یکنواخت است. در مقایسه با حالت بدون قاب، سرعت U به طور عمده در راستای افقی افزایش پیدا می‌کند به خصوص نزدیک پایه‌ها عمودی قاب اندازه‌گیری. این نتایج مشخص می‌کنند که ما باید در محاسبة ضریب دراگ سیلندرها اثر قاب را در نظر بگیریم. داده‌ها در شکل 3 نشان می‌دهند که وجود قاب اندازه‌گیری، سرعت باد را در سرتاسر پهنای مسیر به اندازة 7/4 درصد افزایش می‌دهد. بنابراین سرعت باد اندازه‌گیری شده با قاب اندازه‌گیری قبل از محاسبة ضریب دراگ باید به اندازة 7/4% کاهش پیدا کند. وضعیت قرارگرفتن و تنظیمات دو بادسنج در تونل باد همانند محل آزمایش بود. در هر دو حالت بادسنج در مرکز قاب به صورت عمودی نصب شده‌اند. به علاوه اندازه‌های صفحات انتهایی هر سیلندر