Erdélyi Magyor Müszoki Tudományos Társaság H ungorion Technicol Scientific Society of T ronsylvania Societoteo Moghiorö Tehnico-~tiinfificö din T

Átírás

1 Erdélyi Magyor Müszoki Tudományos Társaság H ungorion Technicol Scientific Society of T ronsylvania Societoteo Moghiorö Tehnico-tiinfificö din T ronsilvania Arad, április Arad, April 25-28, 2013 Arad, aprilie 2013

2

3 XXI. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI TALÁLKOZÓ Hőmérsékletmező mérési technikák összehasonlítása COMPARISDN OF TEMPERATURf FIELD MEASUREMENT TECHNIQUES BENCS Péter, egyetemi tanársegéd 1 Dr. SZABÓ Szilárd, egyetemi tanár, tanszékvezetö Miskolci Egyetem Áramlás- és Hötechnikai Gépek Tanszéke, Miskolc-Egyetemváros Tel. : / Fax.: arambp@uni-miskolc.hu; 2 aram2xsz@uni-miskolc.hu honlap: hej lég 2. kö; kü. al m ABSTRACT Simultaneous measuremen t of flow velocity and temperaiure fi e ld for a heated b luf! body typicaily presen ts a problem. We attempt to carry out simultaneous measurement using three different methods, Particle Image Velocimetry (PJV), and Z-Schlieren or Background Oriented Sch/ieren (BOS) temperature measurement. In this experiment an electrically heated eireu/ar ey linder is placed in a parallel flow in a wind tunne!. ln this study, based on the resu/ts we compared the two different techniques to determine the temperaiure field behind a heated cylinder (Z-Schlieren and EOS). ÖSSZEFOGLALÓ Fűtött hengeres testek körüli kialakuló sebesség- és hőmérsékletmező egyidejű mérésével foglalkozunk jelen cikkünkben. Három különböző technikát alkalmaztunk az egyidejű mérések során, részecske megfigyelésen alapuló sebességmérés (PIV), valamint Z-Schlieren vagy Háttér Orientált Schlieren (EOS) hőmérsékletmérések. Vizsgálatunk tárgya egy párhuzamos áramlás ba helyezett elektromosan fűtött hengeres test volt. Az eredmények alapján összehasonlítjuk a henger mögött kialakuló hőmérsékletmező meghatározására szolgáló két különböző eljárást (Z-Schlieren és BOS). Kulcsszavak: BOS, Z-Schlieren, PIV, hőmérsékletmező, sebességmező 1. BEVEZETÉS A termovíziós technika alkalmazásával az utóbbi évtizedben lehetövé vált gépek, berendezések, objektumok (szilárd testek) felületi hőmérséklet-mezejének időben változó nagypontosságú mérésére. A hőforrásként működő testek körüli léghőmérsékletmező mérése viszont e technikával nem lehetséges. A méréstechnika egy másik ága a sebességmező mérése már lehetövé teszi e testek körüli akár háromdimenziós időben változó sebességtér mérését is (pl.: 3D PIV). A léghőmérséklettér mérése azonban sokkal nehezebb feladatnak bizonyult. A pontbeli hőmérséklet időben változó mérése már több évtizede megoldott, például a termoelemes, vagy a CTA technika alkalmazásával. E technika segítségével a stacionárius hőmérséklettér letapogatásos módszerrel szintén jól rekonstruálható. Egy teljes térrész, vagy azon belül egy kiválasztott sík terület adott időpontbeli hőmérsékleteloszlásának, méginkább ennek időben változó változásának meghatározására e technika azonban már nem alkalmas. Az utóbbi évtizedben gyorsult fel e problémakör megoldásához vezető kísérleti módszerek kidolgozása. Az alapot az optikai elven működő Schlieren technika szolgáltatta, amikor is a léghőmérsékletváltozás okozta sűrűségváltozás mérése a módszer lényege. Az utóbbi évtizedben ötvözve ezt a PIV technika alapelvével és szoftverhátterével a BOS eljárás (Background Oriented Schlieren) van terjedőben és hatalmas fejlődésen megy keresztül [1-2]. E cikkünkben légáramlásban elhelyezett hőforrás indukálta hőmérsékletmező megjelenítésére és mérésére végzett fejlesztéseinkről számolunk be. 2. SCID..IEREN RENDSZER Vizsgálataink első szakaszában az alap Schtieren mérési technikát alkalmaztuk (az úgynevezett Z Schlieren összeállításban) légáramba helyezett fűtött hengeres rúd körül kialakuló hőmérsékletmezö szélcsatornában való mérésére. A mérőrendszer és annak működési elve az l. ábrán követhető. Az alap Schtieren rendszer - a megfelelő minőségű felvételek érdekében - pontbeli fényforrást alkalmaz. A fényforrásból induló fénysugarat az l. számú tükör irányítja a szélcsatorna mérőterében elhelyezett fűtött 48 EMT

4 henger környezetére. A fénysugár különböző méretű eltérülését okozza a hőmérsékletkülönbség miatt kialakuló légsürűségváltozás, amely pedig a fénytörési index-változását okozza [3-5]. A mérötéren áthaladó fénysugár a 2. tükör segítségével fókuszálható egy úgynevezett kés élre. Ennek elsődleges feladata a különböző sűrűségű közegen áthaladt sugarak szabályozása (alapbeállítás szerint a pontbeli fénysugarak felét átengedi a késél). A különbözö sűrűségű közegen áthaladó sugarak különböző eltérülése miatt eltérő fényerősséggel világítják meg a késél mögött elhelyezett karnera CCD chipjét A fényesebb és sötétebb pontok jelzik a pozitív és negatív irányban megváltozott sűrűségű közegen áthaladó sugarakat (késélre merőleges irányban). Amikor a Schtieren rendszer kés éllel működik, akkor tehát a sűrűség megváltozását (gradiensét) határozzuk meg (a késél irányában). A párhulzamosan alkalmazott PIV mérések a sebességtér meghatározására szolgáltak, a két méréstechnika szinkronizálását egy trigger egység végezte. l. tükör e cle re. In e ld unk ske S) res ez ő Áramlás iránya Schlieren karnera Fűtött henger Üvegf Fényfonás Trigger Szélcsatorna fala w Schlieren Schlieren - kés él +---' sek,. A. A Ziós e bb ul a ettér sík ának akör ika óbbi ted e és tt Z- mező alap Z. A fűtött EMT PIV karnera 3. BOS RENDSZER 2. tükör Videokábel V ideo kábel l. ábra: Z-Schlieren és PIV rendszer felépítése A BOS technika is a sűrűségváltozás okozta fényelterelésen alapszik, de a mérési módszer alapjaiban más. ABOS mérésekhez szükséges egy, a mérési tér mögé helyezendő megfelelő pontsűrűségű sík graftkai háttér (véletlen eloszlású pontsereggel) és egy erre fókuszált karnera [6-7]. A háttér optimalizálása minden feladat első lépése. A cél, hogy a háttéren egy-egy pontra a Schlieren képen 2-3 pixel jusson a CCD karnera chipjén. A mérések során szükség van legalább két kép elkészítésére és tárolására. Az első kép a referenciakép (Schlieren "tárgy" (fénytörést okozó jelenség) nélkül készített felvétel), a második kép pedig a Schlieren "tárggyal" készített, fénytörés melletti felvétel. A BOS mérések a németországi Magdeburgi Egyetem Áramlásés Hőtechnikai Intézetében történtek. A vizsgálatokhoz különböző kamerákat, különböző háttereket, azok különböző megvilágítási módszereit és a párhuzamos sebességmérésekhez különböző szinkronizálási technikákat, ködkoncentrációt, stb. próbáltunk ki. A 2. ábrán a végül alkalmazott mérési felépítés látható, ahol a Trigger egység végzi a sebesség (PIV) és hömérsékletmérések (BOS) vezérlését. A mérések során CT A (Állandó Hőmérsékletű Árarnlásmérő) szondát alkalmaztunk egy pontbeli hőmérséklet érték validálására a későbbi adatfeldolgozás számára. ACTA szonda a fűtött henger mögött helyezkedik el a PIV lézersíkban. OG!:T

5 XXI. NEMZETKÖZI GÉPÉSZETI TALÁLKOZÓ Fű tött henger LED Fénytorrás 'l5' r :.f' Á ramjás irányn Üvegfill,.-----Hl-n Szélcsaturna fala -+lhiil...- PIV lézersik \ll L l y CTA PC Videokábel BOS kamera PIV knmera Videu kábel 2. ábra: BOS és P IV rendszer f elépítése 4. EREDMÉNYEK A 3. és 4. ábrák:on hasonlítjuk össze a két mérési eljárással kapott eredményeket. Az ábrák különbözö hőmé rséklet mellet mutatják: a fűtött rúd körül kialakuló hőmérséklet- és vektor mezőket. A PIV képek kiértékelése során sikeresen alkalmaztuk a dewarping funkciót, amely lehetövé teszi a karnera nem merőleges beállításából eredő torzítások korrekcióját (kalibrálás során kalibrációs táblával állítjuk be a dewarping funkciót). A PIV képekből mindkét eljárás során alkalmaztunk egy szűrési feltételt, ami lehetövé tette a hibás vektorok eltávolítását az adatmezőből. Az egyszerű Schlieren rendszer eredményeinél szintén alkalmaztunk a hibás értékek kiszűrésére szolgáló függvényt (Schlieren kés él hibáinak kiküszöbölésére). A képeken látszik az is, hogy azokról a mérés szempontjából felesleges adatmezőt eltávolítottuk (pl. a henger előtt). Az összehasonlítás alapján megállapítható, hogy az egyszerű Schlieren rendszer eredményei jelenleg még több hibát tartalmaznak a hőmérsékletet értékeknél (pl. a rúdhoz közeli nagy fényeltérülések miatt). A BOS eredményeknél sikerült elémünk, hogy részletesebb képet kapjunk a kialakult hőmérsékletmezőről. Az egyszerű Schlieren eljárás tehát még további fejlesztést igényel. A két módszerrel készült képek közti eltérés egy része viszont abból az egyszerű tényből adódik, hogy azok az örvényleválás eltérő fázisához tartoznak., 'E.. "' li 1: E o e : l 38 ', 36 < [l] [2] [3] [4] [5] 30 x-coordlnates (mm] 3. ábra: Hőmérséklet- és vektor mező (fűtött rúdfelületi hőmérséklete 100 C, átlagsebesség 0,3 mls) (balra: egyszerű Sch/ieren rendszer, jobbra: BOS)

6 4. ábra Hőmérséklet- és vektor mező (fűtött rúdfelületi hőmérséklete 300 C, átlagsebesség 0,3 m/s) (balra: egyszerű Sch/ieren rendszer, jobbra: BOS) 5. ÖSSZEFOGLALÁS Az utóbbi fél évtizedben német-magyar kutatási együttműködés felhasználásával intenzív kutatómunka folyt fűtött henger körül kialakuló sebesség- és hőmérséklettér méréssel való meghatározására. A sebességmező meghatározása már korábban a PIV technika segítségével jól sikerült Jelen cikkben a hőmérsékletmező meghatározására tett kísérleteinket foglaltuk össze. Ennek során a Schlieren technika két változata került kipróbálásra. A fokozatos fejiesztő munka eredményeképpen elmondható, hogy jelenleg már megfelelő minöségű síkbeli hőmérséklettérképek felvételét sikerült megoldanunk. Mindehhez társult az időben összetartozó sebesség- és hőmérsékletmező meghatározására szolgáló módszerek sikeres kipróbálása és fejlesztése. öző pek eg es ing ib ás k a k az Az több OS Az térés 6. KÖSZÖNETNYILVÁNÍT ÁS A szerzők köszönetüket fejezik ki az OTKA (76085), NKTH-OTKA (68207) és a Magyar-Német együttműködési program P-MÖB/386-nak a kutatás támogatásért. A kutató munka a TÁMOP B- 10/2/KONV és TÁMOP-4.2.2/B jelű projektek részeként - az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében - az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. 7. IRODALOM [l] Settles, G. S.: Schlieren and Shadowgraph Techniques: Visualizing Phenomena in Transparent Media, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, (200 l). [2] Adrian, R.J.: Particle-Imaging Techniquesfor Experimental Fluid Mechanics. Annual Reviewsin Fluid Mechanics, 23(1), pp , (1991). [3] Bencs, P., Bordás, R., Zahringer, K., Szabó, Sz., and Thévenin, D.: Towards the Application of a Schlieren Measurement Technique in a Wind-Tunnel. Proceedings, MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pp , (2009). [4] Baranyi, L., Szabó, Sz., Bolló, B., and Bordás, R.: Analysis of Flow Araund a Heated Circular Cylinder. Journal ofmechanical Science and Technology, 23, pp , (2009). [5] Bencs, P., Szabó, Sz., Oertel, D.: Simultaneous Measurement of Velocity and Temperature Field Downstream of a Heated Cylinder. Proc. International Conference on Innovatíve Technologies, IN TECH 2012, Rijeka, Croatia (2012), pp [6] Venkatakrishnan, L. and Meier, G.E.A.: Density measurements using the Background Oriented Schlieren technique. Experiments in Fluids, 37(2), pp , (2004). [7] Bencs, P., Szabó, Sz., Bordás, R., Thévenin, D., Zahringer, K. and Wunderlich, B.: Investigalion of the Velocity (PIV) and Temperature Field (BOS) of a Heated Cylinder in a Low Re-number Flow. Proceedings, ISFV14-14th International Symposium on Flow Visualization, EXCO, Daegu, Korea, pp. 234/1-234/8, (2010). OGÉT