Wizualizacja przepływu ilościowego

This is the translation. The original web-page (oryginalna strona): http://www.eng.fsu.edu/~shih/succeed/flow-vis.htm

Cele

Głównym celem tego projektu jest wykorzystanie techniki ilościowej wizualizacji przepływu w nauczaniu dyscyplin związanych z ciepłem i płynami poprzez dostarczenie materiałów szkoleniowych z ulepszoną wizualizacją. Ten pakiet internetowy pozwala uczniom interaktywnie uczyć się wielu ważnych przedmiotów za pomocą zakładek i hiperłączy. Integracja wyników wizualizacji i danych ilościowych zapewnia optymalny sposób nauki przedmiotów termicznych i płynów, ponieważ nie tylko motywuje zainteresowania uczniów i poprawia ich zrozumienie przedmiotów, ale także stymuluje dogłębne zrozumienie, umożliwiając pełną interakcję.


Wprowadzenie

„Nauki o termice” to jedne z najtrudniejszych programów nauczania dla studentów inżynierii. Głównym powodem jest trudność konceptualnego wizualizacji zjawisk termicznych/płynowych, ponieważ większość płynów jest przezroczysta, a ich ruchy i związane z nimi procesy termiczne są niewidoczne dla ludzkich oczu. W związku z tym metody wizualizacji odgrywają ważną rolę w uchwyceniu takich pojęć. W naukach o płynach termicznych zrozumienie fizycznych procesów termicznych/przepływowych można znacznie poprawić, jeśli można zaobserwować wizualnie wzorzec przepływu będący przedmiotem zainteresowania. W świetle tego, opracowujemy następujące materiały szkoleniowe oparte na wizualizacji jako uzupełnienie nauczania mechaniki płynów. W odróżnieniu od tradycyjnej techniki wizualizacji przepływu, stosujemy technikę wizualizacji ilościowej, która może nie tylko zapewnić wizualizację jakościową, ale także może wytworzyć użyteczne dane dotyczące prędkości i wirowości. Za pomocą tej techniki uczniowie będą mogli bezpośrednio porównywać dane z wynikami teoretycznymi lub numerycznymi.

Pomiar i wizualizacja przepływu całego pola:

Cząsteczka pomiar prędkości obrazu (PIV) jest stosowany w celu zwiększenia licencjackich nauczania laboratoryjnego. PIV może dostarczyć pomiaru/wizualizację globalnej informacji pola prędkości złożonych pól przepływu. Przykładowe projekty przedstawione obejmują:

Zarówno fotografia wizualizacyjna, jak i odpowiednie dane PIV z całego pola zostaną zintegrowane w jednej bazie danych. Przydatne informacje o przepływie, takie jak profile prędkości i kolorowe kontury wirów, są dostępne w wybranych obszarach fotografii za pomocą hiperłączy.


Separacja przepływu i budzenie

quanti2.jpg (38190 bytes)

Gdy płyn porusza się w pobliżu stałej powierzchni, jego ruch zależy od równowagi kilku sił działających na cząstki płynu: siły tarcia na powierzchni, siły lepkości sąsiedniego strumienia przepływu i siły ciśnienia w zależności od warunków przepływu zewnętrznego. Płyn może kontynuować ruch do przodu, jeśli gradient ciśnienia jest korzystny. Jednakże, jeśli płyn doświadcza niekorzystnego gradientu ciśnienia, to znaczy, gdy siła nacisku jest skierowana przeciw ruchowi płynu, cząstki płynu można zatrzymać, a czasem zmusić do cofnięcia. Opóźnienie i ruch do tyłu zachodzą zawsze na powierzchni, ponieważ siła tarcia wywierana przez ścianę jest największa, a pęd płynu jest tam znacznie niższy. Gdy płyn porusza się do tyłu na powierzchni, następujące cząstki muszą oddalić się od powierzchni i mówi się, że przepływ jest „oddzielony” od powierzchni. Zjawisko to nazywa się „separacją przepływu”.

Kiedy przepływ przechodzi przez bryłę blefu, silny gradient podciśnienia zawsze przeważa nad tylną połową korpusu, a strumień rozdziela się. Rozdzielenie przepływu zapobiega odzyskaniu ciśnienia w tylnej połowie przedmiotu, a zatem powoduje różnicę ciśnienia między przednią i tylną stroną przedmiotu. W konsekwencji siła oporu netto działa na ciało, jak to zwykle nazywa się oporem formowym lub oporem formującym. Oprócz tej siły oporu pole przepływu wzbudzenia jest bardzo niestabilne i może powodować znaczne wahania obciążenia bocznego na obiekt. Niestabilny charakter przepływu wzbudzenia omówiono bardziej szczegółowo na stronie internetowej przepływu wzbudzenia cylindra.

Proces wtrysku kropelek

wpe5.jpg (11746 bytes)

Technologia termicznego strumienia bąbelków jest szeroko stosowana w komercyjnych drukarkach atramentowych. Jest to jeden z najbardziej opłacalnych sposobów na uzyskanie wysokiej jakości druku kolorowego. Małe kropelki atramentu są wyrzucane z pojemnika z tuszem, aby utworzyć wzór wydruku, gdy uderzają o papier. W komorze do drukarek atramentowych cienki pasek grzejny odparowuje ciekły tusz, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Rosnące ciśnienie wewnątrz komory zmusza pozostały ciekły tusz do wypychania z dyszy w postaci kolumny z dyszą cieczy. Bąbelek zapada się, gdy prąd elektryczny jest wyłączany, a komora jest uzupełniana ciekłym atramentem na zewnątrz komory. Ten cykl włączania i wyłączania powtarza się z bardzo wysoką częstotliwością (zakres ~kHz), a strumienie kropelek atramentowych tworzą wzór drukowania. Proces ten ilustruje poniższy schemat.

wpeA.jpg (22267 bytes)

Z powodu niestabilności kapilarnej wyrzucona kolumna strumieniowa rozpada się na pierwotną kroplę i strumień małych kropelek (kropel satelitarnych), jak pokazano. Ten proces wyrzucania i inne interesujące tematy związane z tworzeniem się kropelek do drukarek atramentowych można znaleźć na następującej stronie internetowej.


Strumień

Strumień powstaje przez przepływ strumienia z dyszy do otaczającego płynu, który może być w spoczynku (strumień swobodny) lub poruszać się (strumień współbieżny lub przeciwprądowy) lub styczny do stałej powierzchni (strumień ściany). Odrzutowiec jest jedną z podstawowych konfiguracji przepływu, która była szeroko stosowana w wielu praktycznych zastosowaniach, takich jak wtrysk paliwa, komora spalania, układ wydechowy silnika odrzutowego i inne. Jednym z najważniejszych czynników dotyczących przepływu strumienia jest proces porywania i mieszania strumienia w odniesieniu do jego otoczenia. Na przykład w wtryskiwaczu paliwa bardziej równomierne mieszanie i dystrybucja paliwa oznaczają wyższą wydajność spalania i lepszą wydajność silnika. W celu charakterystyki procesu mieszania strumienia, pole przepływu mierzy strumień pomocą pomiar prędkości cząstek obrazu (PIV) jest przedstawiony na poniższym strony.


Spray do ścian

wpe4.jpg (14252 bytes)

Strumień ścienny jest strumieniem płynu wdmuchiwanego stycznie wzdłuż ściany i ma szeroki zakres zastosowań, takich jak kontrola separacji warstwy granicznej nad skrzydłem, chłodzenie filmu na łopatkach turbiny itp. Zdjęcie powyżej pokazuje przepływ strumienia ściany wychodzi z dyszy, a przepływ odbywa się od lewej do prawej. Dym służy do zasiewu przepływu w celu wizualizacji strumienia i robienia zdjęć PIV. Powierzchnia może być wyraźnie widoczna jako linia styku między obrazem odrzutowym a jego odbijanym obrazem z powierzchni. Istnieją dwa odrębne obszary w konfiguracji strumienia ściennego: po pierwsze zewnętrzna warstwa swobodnego ścinania, która jest poddawana niewidzialnej niestabilności Kelvina-Helmholtza i tworzeniu wirów na dużą skalę; oraz warstwa wewnętrzna, która zachowuje się jak lepka warstwa graniczna. Oddziaływanie między wielkoskalowymi strukturami z warstwy zewnętrznej i warstwy wewnętrznej ostatecznie prowadzi do przejścia laminarnego do turbulencji. Proces ten można lepiej zrozumieć, przeglądając następujące strony:

Dr. Chiang Shih