ضريب دراگ استوانه‌هاي مدور در جريان توربولانس جو (اتمسفر)

يك آزمايش روي ضريب دراگ استوانه‌هاي مدور براي بررسي طوفان كاگوشيماي ژاپن اجرا شد. يك دستگاه سادة اندازه‌گيي ضريب دراگ كه قابليت چرخش نيز دارد به صورت عمودي در يك فضاي باز در برابر جريان متوسط باد قرار مي‌گيرد. استفاده از اين وسيله به ما در اندازه‌گيري ضريب دراگ (cd) استوانه‌هاي مدور كمك مي‌كند.

 

نتايج نشان مي‌دهند كه مقادير ضريب دراگ (cd) سيلندرها در جريان با توربولانس بالاي جو، تقريباً با آزمايشات جريان آرام داخل تونل باد برابر است. اين مطالب بر اين موضوع دلالت دارد كه نيروي دراگ سيلندر در جريان توربولانس با مقياس بزرگ
(Large – scale) نزديك به مقادير جريان آرام است.
مقدمه
خصوصيات آيروديناميكي bluff bodies در جريان توربولانس جو يكي از مهمترين موضوعات در مهندسي باد است و به طور ممتد در مراكز علمي و تحقيقاتي مطالعه مي‌شود. به منظور محاسبه و پيش‌بيني خصوصيات آيروديناميكي bluff bodies، تست‌هاي تونل باد با جريان آرام و يكنواخت در بسياري موارد اجرا مي‌شود. سپس، اگر لازم باشد جريان توربولانس بر آيروديناميك bluff bodies تحقيق و بررسي شود. اختلاف بين نتايج جريان آرام و جريانهاي گوناگون توربولانس بررسي مي‌شود

و خصوصيات آيروديناميكي bluff bodies در جريان توربولانس جو محاسبه و پيش‌بيني مي‌شود. ما يك سري مطالعات تجربي براي بررسي اثرات توربولانس روي جريان متوسط پشت bluff bodiesهاي دو بعدي و سه‌بعدي انجام داديم. نتايج ذيل با تأكيد روي اثرات مقياس توربولانس به خوبي شدت توربولانس نتيجه‌گيري شده‌اند. جريان نزديك‌گردابه پشت يك bluff body بوسيلة دو پديدة اصلي جريان حاكم است: جدايي جريان و گردابه. اگر يكي يا هر دوي اين دو پديده در ورود آشفتگي در حوزة جريان تأثير‌گذار باشند، هر پارامتر جريان مربوط به گردابه شايد موضوع مهم تغييرات باشد. مقياس هاي طولي وابسته به اين دو پديده، ضخامت لايه برشي و فاصلة بين دو لايه برشي جدا شده يا به طور ساده‌تر، اندازة جسم است.بنابراين توربولانس مي‌تواند بر جريان نزديك گردابه به اثر بگذارد اگر طول مقياس آن با دو طول مقايس ديگر قابل مقايسه باشد. برعكس توربولانس كنترل زيادي روي جريان نزديك گردابه ندارد اگر مقياس طولي آن با دو طول مقياس ديگر متفاوت باشد. بدين دليل تأثير توربولانس نزديك جريان گردابه مي‌تواند قابل صرفنظر باشد موقعيكه مقياس طولي توربولانس بزرگتر از مقياس طول جسم باشد. در جريان توربولانس جو، نسبت مقياس طولي‌ توربولانس Lx/d عموماً خيلي‌ بزرگ است كه Lx مقياس بعد طول توربولانس و d خصوصيات طولي bluff body است. ما پيش‌بيني مي‌كنيم كه تأثير توروبولانس جو روي يك bluff body قابل صرفنظر كردن باشد. براي اثبات اين فرضيه يك سري مطالعات تجربي انجام شد تا ضريب دراگ سيلندرهاي مدور در جريان توربولانس جو اندازه‌گيري شود.

۲٫ وسيلة اندازه‌گير دراگ و روش مطالعة تجربي
ما يك محيط باز در جنوب ژاپن براي مشاهدات خود در نظر گرفتيم. ما بدليل تجربيات گذشته طوفان در اين منطقه انتظار بادهاي شديد را داشتيم. هيچگونه ساختمان‌ها و خانه‌هاي بلند كه تأثيري بر جريان اطراف سيلندرها بگذارد و جود نداشت. ما يك برج براي اندازه‌گيري دراگ سيلندرهاي مدور ساختيم كه در شكل ۱ ديده مي‌شود. برج شامل يك پايه با چهار دكل ۹ متري و قاب اندازه‌گيري به ابعاد ۶٫۵ متر ارتفاع و ۲٫۲ متر عرض است. هشت استوانه با طول ۱٫۶ متر و قطرهاي متفاوت ۹۰, ۳۰, ۲۳ ميليمتر به طور افقي در داخل قاب اندازه‌گيري قرار گرفته‌اند. براي اجتناب از هر

آشفتگي سه بعدي بزرگ بوسيلة قاب اندازه‌گيري، صفحه‌هاي مدور به انتهاي سيلندرها متصل شده‌اند. قطر صفحه‌هاي انتهايي براي سيلندرها با قطرهاي ۹۰, ۳۰, ۲۳ ميلميمتر بترتيب ۵۰, ۳۲, ۳۲ سانتيمتر است. سطوح سيلندرها صاف يا يكي از سه درجة زبري در قالب شيارهاي مدور است. قاب اندازه‌گيري طوري طراحي شده‌است كه به طور اتوماتيك حول محور عمومي خود مي‌چرخد به منظور اينكه سيلندرها هميشه در مسير باد قرار داشته‌باشند. دراگ روي هر سيلندر بوسيلة دو load cell كه در دو انتهاي هر سيلندر قرار گرفته‌است اندازه‌گيره مي‌شود. خروجي هر سيلندر به يك تقويت‌كنندة كرنش فرستاده مي‌شود. براي اندازه‌گيري سرعت باد (U)، دو بادسنج در بالا و پائين قاب اندازه‌گيري تعبيه شده‌است. مسير باد بوسيلة يك پرة بادنما كه در بالاي قاب قرار گرفته‌است كنترل مي‌شود.
تمام خروجي‌ها از load cellها، بادسنج‌ها و پرة بادنما بوسيلة يك نوار ثبات آنالوگ و سه ثبات قلمي ثبت مي‌شوند.

۳٫ مقدمات آزمايش تونل باد
تونل باد داراي ۲ متر ارتفاع،۴ متر عرض و ۶ متر طول با مقطع مستطيلي است كه براي يك مقطع با اندازه‌هاي مشابه كاربرد دارد. تونل‌باد مي‌تواند يك جريان آرام يكنواخت با شدت توربولانس حدود ۰٫۱۲% توليد نمايد. تأثير قاب اندازه‌گيري روي جريان اطراف سيلندرهاي مدور ابتدا بررسي

مي‌شود. براي اين منظور، توزيع سرعت U (سرعت باد) در راستاي پهناي سيلندر افقي در راستاي جريان باد، با قاب و بدون قاب اندازه‌گيري، سنجيده مي‌شود كه در شكل ۳ نشان داده شده‌است. براي مورد بدون قاب اندازه‌گيري، توزيع سرعت U يكنواخت است. در مقايسه با حالت بدون قاب، سرعت U به طور عمده در راستاي افقي افزايش پيدا مي‌كند

به خصوص نزديك پايه‌ها عمودي قاب اندازه‌گيري. اين نتايج مشخص مي‌كنند كه ما بايد در محاسبة ضريب دراگ سيلندرها اثر قاب را در نظر بگيريم. داده‌ها در شكل ۳ نشان مي‌دهند كه وجود قاب اندازه‌گيري، سرعت باد را در سرتاسر پهناي مسير به اندازة ۷/۴ درصد افزايش مي‌دهد. بنابراين سرعت باد اندازه‌گيري شده با قاب اندازه‌گيري قبل از محاسبة ضريب دراگ بايد به اندازة ۷/۴% كاهش پيدا كند. وضعيت قرارگرفتن و تنظيمات دو بادسنج در تونل باد همانند محل آزمايش بود