Введение

Для изучения динамики крупномасштабных турбулентных структур в слое осесимметричного смешивания струи, надо пробовать поле скоростей на многих позициях одновременно. Всё поле скоростей должно быть известно в одно мгновение, потому что это требывание проекции Галеркина ортогональных функций, полученных с помощью надлежащего ортогонального разложения ( Ламли , 1967) , на поля скоростей. Выполнение проекцию позволяет определить коэффициенты ортогональных функций, которые регулируют динамику когерентной структуры .

Минимальное количество позиций измерительных необходимых для решения основных режимов в поля скоростей продольными от осесимметричной слоя струи смешивания была определена в 138, и так требуется 138 анемометров из однопроводной горячей проволоки. Стоимость коммерческих систем исключает их использование, так что ращработка нового многоканального анемометра было необходимо. Была использована простая конструкция анемометра и были добавлены новые возможности для измерения различные должности одновременно.

Позиции , при котором измерения скорости будет сделано для того, чтобы восстановить поле мгновенной скорости в слое смешения струи были определены с использованием данных Глаузер и др. (1987). Каждое измеряемое положение требует отдельной зонд горячей проволоки анемометра и в поддержание леса проведён каждый зонд на своё место. Цель зондов является продольное измерение поля скоростей при достаточном количестве точек так, что масштабные структуры, которые были получены путем применения надлежащего ортогонального разложения, можно спроецировать обратно на поле мгновенной скорости. Фактическое расположение зонда обсуждается в Citriniti и Джордж ( 1994 ) . Зонды и леса изложили там сочетании с разработкой анемометра представленной здесь, будет использоваться для определения информации, относящейся к пониманию динамики крупномасштабных структур в слое осесимметрической смешиваной струе.

Общие требования к анемометров не являются экстремальными. Доминирующие структуры в этом потоке находятся в диапазоне 500-800 Гц и с критерием Найквиста должны быть выполнены, частота дискретизации должна быть по крайней мере 1000-1600 Гц . Это легко обрабатывается разработанным анемометром, который будет представлен. Кроме того, исследование направлено на развитие масштабности, энергии, содержащей вихри в потоке, которые содержат большую часть кинетической энергии. Соответственно, так как только самые энергичные весы представляют интерес, тем меньше движения масштаб и шума являются нежелательными особенности, особенно если они содержат наложения в процентнах низких частот и загрязняет большие масштабы. Тем не менее, поскольку поле турбулентной скорости будет доминировать в крупномасштабных структурах, возмущения малого масштаба будут минимальными.

Анемометры

Перри (1982), предлогает конструкцию отдельных анемометров для предлагаемого эксперимента. Эскиз разрабатываемого анемометра Перри представлена ​​на рисунке 1. Схема Перри была выбрана для этого эксперимента, потому что простоя и её хорошо документировать. Она требует только два операционных усилителя и мост Уитстона. Дизайн, подробно описан ниже, легко поддается многочисленным анемометрам, которые необходимы здесь, и динамические характеристики этой конструкции являются более чем достаточными для измерения низких частот.

Горячие провода, которые будут использоваться с этими анемометрfvb изготовлены без покрытия, 12.7 вольфрамовой проволоки (Зигмунд-Кон, Mt. Вернон, Нью-Йорк). Провода приварены к основанию зондов, изготовленные с использованием Ciba-Geigy Araldite эпоксидной смолы. Два стальные провода 0,05 см встроены в эпоксидную смолу, которые действуют как приводник и провод вольфрама привареный между ними таким образом, что I / D ~ 1, 000. Постоянная времени этих проводов составляет около 1x10-4 сек, и каждый горячий провод потребляет приблизительно 50 мА. Эти параметры все учитываються в проектировании отдельных анемометров.

Принципиальная схема

Принципиальная схема является мостом Уитстона с коэффициентом сопротивления моста 10:1. Два операционных усилителя (Национальный LF347 Quad JFET ) используются для усиления моста дисбаланса напряжения ( см. рисунок 2). Второй из двух имеет напряжение смещения, которая запускает схему обратной связи и управляет частотной характеристики электрической цепи. Два операционных усилителя имеют низкий уровень шума, высокий коэффициент усиления и широкий диапазон характеристик. Коэффициент усиления напряжения в разомкнутом контуре состовляет для обоих операционных усилителей 105. После второго операционного усилителя расположен транзистор Дарлингтона, который используется для управления током в контуре обратной связи. Перегрева соотношение на мосту Уитстона регулируется с помощью потенциометра Clarostat 200 Вт, который обеспечивает достаточный диапазон для этого эксперимента.

Там нет компенсации на мосту индуктивности и эффектов емкости из-за длины кабеля, потому что были найдены минимальное время первоначального тестирования. Многочисленные каналы анемометрии требуют индивидуальной настройки компенсирующего устройства и поэтому согласовать фазы всех анемометров было трудно. В частности, улучшение частотной характеристики путем регулировки индуктивности моста было незначительным и определяется необходимым для этого экспериментом. Предварительные измерения показали, частотная характеристика цепи составляет около 10 кГц . Это на несколько порядков выше, чем сигналам заинтересованности в этом потоке (200-500 Гц) без компенсации индуктивности. Частотная характеристика может быть улучшена однако, регулируя напряжение смещения на втором операционном усилителе.

Шум в цепи была сведена к минимуму. Дизайн печатной платы обеспечивает хорошую связь для всех компонентов и заземления уменьшает нежелательные внешне индуцированного шума. Колебания напряжения относительно среднего значения, вызванной печатной шума ( шума от источников питания, компоненты цепей и соединительных кабелей ) было меньше, чем 1 мВ в устойчивом ламинарного потока. Когда чувствительность горячей проволокой с I / D ~ 200 было учитываться это соответствовало интенсивности турбулентности 0,02 %. Это значение представляет собой интенсивность турбулентности искусственно созданный шум в цепи и обеспечивает измерение точности, которая может обеспечить схема зонда анемометра. Тестирование анемометров продолжается для определения точного частотной характеристики, свойства шума и общие фазовые характеристики.

Чтобы увидеть фазовой задержки посмотрим на сдвиг фазовым фильтром,

где u (f) является преобразованию Фурье вектор скорости и f (f) является сдвиг фазовым фильтром. Пусть Uf (f) = e'fu(f) будет вектор скорости в пространстве Фурье после прохождения через фильтр и используеться определение преобразования Фурье,

подставляем формулу для фильтра

Из линейного сдвига фазы фильтра Бесселя следует, что фазовый сдвиг является линейным с частотой таким образом, что

где Q представляет собой наклон фазового угла в зависимости от частоты кривой для фильтра. Объединяя (3) и (4) дает,

или в реальном пронстранстве,

Этот результат показывает, что линейная фазовый сдвиг фильтра Бесселя лишь добавляет постоянную временную задержку для мгновенной скорости. Временной интервал может быть удален после того, как свойства фильтра известны. Если все фильтры фазы совпадают, чистый эффект фильтров Бесселя является задержкой всех сигналов той же постоянной времени.

Строительство и монтаж

Эксперимент предложил требуется одновременное измерение поля скоростей с 138 анемометров. Конструкция анемометр представлены в предыдущем разделе должны быть приняты для всех 138 точек измерений. Чтобы достичь этого, печатные платы были изготовлены, которые каждый содержат 16 анемометров.

Мультиплексор, потребляемая мощность и подключения к цифровой панели управления находятся в нижней части доски. Схема фотоплоттера была выполнена Circuit Design службы в Буффало, Нью-Йорк, а производственным советом было сделано схемы в Буффало, Нью-Йорк. Плиты 22,86 см (9 дюймов) в ширину и 27,94 см (11 дюймов) в длинну. Есть два регулируемые резисторы в анемометра, один для перегрева обстановки и один для выход-контроля. Схема со всеми элементами весит около двух килограммов.

Выборка и хранение

Чтобы убедиться, что все измеряемые 138 скорости принимаються одновременно, каждый анемометр оснащен выборкой хранения. Каждый образец размещается на печатной плате после фильтра Бесселя (см. рисунок 2). Это Burr Brown 12 бит DIP-дизайн чипа осталось менее 10 мс времени принятия сигнала, низкого уровня (1 мВ / мс) и время апертура 200 нс. Цифровая панель управления (рис. 3) поддерживает синхронизацию схемы сбора, так что все пробы и имеет защелку их измерение в тот же момент. Цифровой пульт управления срабатывает по A / D для обеспечения синхронизированного времени.

Сбор данных и мультеплексирование

Из-за относительно низкой верхней частоты для предлагаемого эксперимента, фактическая частота дискретизации требуется в соответствии с критериями Найквиста существенно ниже возможностями A / D в лаборатории в SUNY в Буффало (максимальная частота дискретизации 325 кГц). Поэтому можно попробовать множество каналов анемометрии через единый канал А / D посредством мультиплексирования анемометрами. С тех пор для 16 анемометров на доске, был установлен аналоговый мультиплексор 16 каналов на каждом борту. Обязанность мультиплексора выбрать один анемометр,из 16 на доске, чей сигнал должен быть отправлен на A / D.

Мультиплексор срабатывает по цифровой панели управления, который направляет мультиплексор для выбора каждого анемометр на печатной плате в последовательности, пока все 16 анемометры не считываются A / D. Процесс выглядит следующим образом: импульс сбрасывает вся система таким образом, что мультиплексор (MUX) установлен в анемометр по одному на каждой плате. Образец удерживаеться и на каждой анемометра идет запись высокой точкой данных и придерживается этой точки. Цифровой пульт управления (DCB) посылает запускающий импульс в A / D , чтобы начать запись данных . A / D записывает точку данных во всех 16 каналах (заметим, что каждый канал из A / D подключен к отдельному MUX, и каждый имеет MUX 16 анемометрами подключенные к нему ). A / D затем посылает сигнал конца (ЭОС) импульса к DCB. Это побуждает DCB для увеличения и переключения мультиплексора на второй анемометр и процесс повторяется . Это продолжается, пока все 16 анемометры на все адаптеры не будут прочитаны. Следует отметить, что все образцы и удерживает записи точки данных одновременно с тем, время, требуемое для передачи точек данных в компьютер влияет только на общую частоту дискретизации и не одновременной дискретизации.

Требования частоты дискретизации для этого эксперимента легко удовлетворяются.Целью данного исследования является понимание динамики крупномасштабных структур в осесимметричной слое струи смешивания и структур, представляющих интерес являются доминирующими на низких частотах. A / D используется для этого исследования имеет максимальную частоту дискретизации 325 кГц, при делении на общее количество каналов, отобранных, обеспечивает максимальную частоту дискретизации любого из каналов. С 138 каналов это ограничивает частоту дискретизации до более 2 кГц на анемометр. A / D является ограничивающим фактором в определении сэмплирования скорость как MUX и соответствующими схемами работает быстрее, чем A / D.

Выводы

Дизайн анемометра, который был представлен в этой статье, является относительно недорогим (около 50 долларов за анемометра), стабильным и надежным устройством. Это позволяет производить многократные измерения скоростей для стоимости одного коммерческого устройства. Каждый анемометры имеет свой собственный низкочастотный фильтр Бесселя для защиты от временного наложения и выборки хранения, чтобы собрать много измерений скорости одновременно. Мультиплексирование предусматривает уменьшение количества требующихся каналов аналого-цифрового преобразования. В дальнейшем A / D модули могут также быть размещены на каждой анемометре так что каждый из них будет иметь свою собственную полную систему сбора данных. Конструкция, представленная здесь открывает новые возможности для многопоточных измерений.

Мгновенные измерение скорости продольными модами может быть достигнуто с помощью анемометров, изложенных в этой статье. Должное внимание была предоставленно к частоте дискретизации и свойствам фильтра ​​для обеспечения спектрального сглаживания или убытка фазовой информации. Характеристики анемометров представленных здесь предоставляют широкий диапозон скорости и чувствительности для точного измерения поля скоростей во многих местах мгновенно. Может быть достигнута проекция Галеркина из POD ортогональных функций на поле скоростей в одной позиции ниже по течению от осесимметричной, изотермический струи.

Список использованной литературы

Citriniti J. H. and George W. K., 1994, “Experimental Investiga-tion into the Dynamics of the Axisymmetric Jet Mixing Layer,” Inter. Symp. Turbulence, Heat and Mass Transfer, Lisbon, Portu-gal, August 9-12.

Glauser M. N., Leib S. J. and George W. K., 1987, “Coherent Structures in the Axisymmetric Jet Mixing Layer,” Turbulent Shear Flows 5, (Eds. F. Durst et al.), Springer-Verlag, 134.

Lumley J. L., “The Structure of Inhomogeneous Turbulent Flows,” Atmospheric Turbulence and Radio Wave Propagation, (eds. A. M. Yaglom and V. I. Tatarski), Moscow: Nauka, 166-178.