JOHANNES KEPLER UNIVERSITÄT LINZ Netzwerk für Forschung, Lehre und Praxis Aufbau eines CTA Luftsondenkalibrators und Durchführung von Vergleichsmessungen Diplomarbeit ausgeführt zur Erlangung des akademischen Grades Diplomingenieur in der Studienrichtung Mechatronik Angefertigt am Institut für Strömungslehre und Wärmeübertragung Betreuung: o.univ. Prof. DI Dr.techn. Philipp Gittler Mitbetreuung: DI Andreas Mehrle DI Peter Wimmer Eingereicht von: Stefan Puttinger Weißenbachgraben 6 A-6060 Hall in Tirol Linz, März 2004. Johannes Kepler Universität Linz A-4040 Linz, Altenberger Str. 69, Internet: http://www.jku.at, DVR 0093696
Kurzfassung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Messung von Luftströmungen mittels eines Hitzdrahtanemometers. Um eine hohe Genauigkeit bei der Messung mit Hitzdrahtsonden zu erreichen, ist ein Kalibrationssystem erforderlich, welches imstande ist, exakt definierte Vergleichsströmungen zu liefern. Diese Arbeit zeigt den Entwurf eines Kalibrators für Luftsonden, der über die Bestimmung des Druckabfalles an einer Düse die Kalibration der Sonden in einem Freistrahl ermöglicht. Ziel ist es, mit einer möglichst einfachen Düse einen Freistrahl zu erzeugen, dessen Kerngeschwindigkeit über einen großen Geschwindigkeitsbereich einstellbar sein soll. Der Umfang der Arbeit erfasst alle Teilbereiche dieses Kalibrators. Der Entwurf der Düse erfolgt zunächst mittels numerischer Simulation. Anschließend werden der mechanische Aufbau des Kalibrators, die Sensorik zur Druckmessung und die rechnergestüzte Auswertung der Messdaten diskutiert. Um die Funktionalität der Düse zu überprüfen, werden mittels PIV Messungen das Geschwindigkeitsprofil über den Düsenquerschnitt sowie der Zusammenhang von gemessenen Druck- und Geschwindigkeitswerten analysiert. Hieraus kann eine Druckverlustzahl zur Korrektur der Bernoulligleichung defniert werden, um eine möglichst hohe Kalibrationsgenauigkeit zu erzielen. Nach erfolgter Kalibration der vorhandenen Sonden werden exemplarische Messungen mit dem Hitzdrahtanemometer durchgeführt. Diese umfassen wiederum Messungen des Geschwindigkeitsprofiles des Freistrahls, sowie Messungen an den Randwirbeln von Modellflügeln an einem Schleppkanal. ii
Abstract The present thesis is concerned with the calibration of hot-wire probes for a constant temperature anemometer by use of a free air-jet. For accurate measurements with a hot-wire anemometer it is necessary to find a calibration facility which can provide well defined flows at various velocities. For this purpose the design of a calibration unit for air-probes is outlined. This involves the design and numerical simulation of a universal nozzle to produce a free-air-jet. The goal is to be able to produce a wide range of core velocities of this jet and to use the pressure loss at the nozzle to determine the corresponding calibration velocity. Beside the design of the nozzle the mechanical construction of the calibration unit is discussed as well as the sensor technology and data logging for accurate pressure measurements. After construction of the system the topology of the free-air-jet is analysed with particle image velocimetry. The aim is to get information about the profile of the velocity distribution over the nozzle cross section and to define a pressure-loss coefficient to improve the acurracy of the calibration process. For demonstration of the system several measurements with the hot-wire probes are done after calibration. First, once again the velocity profile over the nozzle cross section is investigated in comparison with the results of the particle image velocimetry results. Finally measurements at the wake turbulences of scaled airfoil models are made with the laboratory haul-track in terms of analysing the movement of the wakes in space. iii
Vorwort Kurzfassung Abstract i ii iii 1 Einleitung 1 2 Grundlagen der Hitzdrahtanemometrie 2 2.1 Wärmetranspo rt......................... 3 2.2 Betriebsarten und Messschaltungen............... 4 2.2.1 Ko nstant-stro m-metho de................ 4 2.2.2 Ko nstant-temperatur-metho de............. 4 2.3 Temperaturverteilung am Senso r................ 6 2.4 Richtungsempfindlichkeit des Sensors.............. 7 2.5 Kalibratio n............................ 7 3 Entwurf eines Luftsondenkalibrators 9 3.1 Anfo rderungspro fil........................ 9 3.2 Entwurf einer universellen Düse................. 9 3.2.1 Geo metrie......................... 9 3.2.2 Netzerstellung....................... 11 3.2.3 Fluent Simulatio n..................... 13 3.2.4 Ergebnisse der CFD Simulatio n............. 14 3.3 Senso rbo ard............................ 16 iv
3.4 Gehäuse.............................. 18 3.5 Erweiterung des Geschwindigkeitsbereiches........... 19 3.6 So ndenhalterung......................... 21 4 Theorie des turbulenten Freistrahls 23 4.1 Navier-Sto kes Gleichungen für turbulente Strömungen..... 24 4.2 Geschwindigkeitsfeld des Freistrahls............... 32 4.2.1 Fernfeld des Freistrahls.................. 32 4.2.2 Nahfeld des Freistrahls.................. 40 5 PIV Messungen und Vergleich mit der CFD Simulation 48 5.1 Zielsetzung............................ 48 5.2 Particle Image Velo cimetry.................... 48 5.2.1 Grundprinzip....................... 48 5.2.2 Kritische Parameter einer PIV Messung........ 49 5.2.3 Auswertung vo n PIV Daten............... 50 5.3 PIV Messungen.......................... 52 5.3.1 Verwendete Geräte.................... 52 5.3.2 Allgemeines zu Aufbau und Auswertung........ 52 5.3.3 Geschwindigkeitsfeld im Nahfeld des Freistrahls.... 54 5.3.4 Geschwindigkeitsprofile über den Düsenquerschnitt.. 56 5.3.5 Untersuchung des Druckverlustes............ 65 6 Kalibration 70 6.1 Kalibratio nsgleichungen..................... 70 6.1.1 Expo nentialgesetz..................... 70 6.1.2 Erweitertes Expo nentialgesetz.............. 71 6.1.3 Metho de der Splines................... 71 6.1.4 Po lyno minterpo latio n................... 71 6.2 Curve Fitting........................... 72 6.3 Fehlerquellen und Genauigkeit.................. 73 6.3.1 Störende Wirkung der Sonden auf die Strömung.... 73 v
6.3.2 Vibratio nen der So nde/halterung............ 74 6.3.3 Ho chturbulente Strömungen............... 74 6.4 Overheat Ratio.......................... 74 6.5 Temperaturabhängigkeit..................... 76 6.6 Aufbau und Messdatenerfassung................. 77 6.7 Messwerte............................. 79 6.8 Kalibratio nskurven und Fehler.................. 79 7 CTA Messungen 85 7.1 Vermessung des Düsenprofils am Kalibrato r............................. 85 7.2 Messaufbau............................ 85 7.3 Ergebnisse............................. 87 7.4 Randwirbel vo n Tragflügelmo dellen............... 90 7.4.1 Theo retische Betrachtungen zu Wirbeln........ 91 7.4.2 Messaufbau........................ 95 7.4.3 Ergebnisse......................... 96 8 Schlussbemerkungen 103 8.1 Verbesserungsmöglichkeiten................... 103 8.2 Ko sten............................... 104 Anhang 105 A Matlab Dateien 105 A.1 Auswertung der PIV Daten................... 105 A.1.1 Erstellen der Co nto urplo ts................ 105 A.1.2 Erstellen der Geschwindigkeitspro file.......... 106 A.1.3 Erstellen der Bernoullikurven.............. 106 A.2 Auswertung der CFD Daten................... 108 A.2.1 Erstellen der Geschwindigkeitspro file.......... 108 A.3 Auswertung der CTA Daten................... 109 vi
A.3.1 Auswertung der Kalibratio nsdaten........... 109 A.3.2 Erstellen der Geschwindigkeitspro file.......... 110 A.3.3 Erstellen der Wirbelbilder aus den PIV Daten..... 110 A.4 Pro gramm zum Auslesen der Senso ren............. 112 B Sensorboard 113 B.1 Beschaltung für Druckseno r 3.................. 113 B.2 Schaltung für Temperatursenso r................. 115 C Zeichnungen und Bauteile 116 C.1 Bauteile.............................. 116 C.2 CAD Zeichnungen......................... 116 Literaturverzeichnis 125 Curriculum Vitae 127 Eidesstattliche Erklärung 128 vii