MAGVARREGULA újdonságok. Disfrelee. agyarregula. lndustrial Magazines. MA SC H l N E NM A R K T - magyar kiadás MACH-TECH O ")

Átírás

1 MA SC H l N E NM A R K T - magyar kiadás 2011 / 3. március ~VOGEL agyarregula MACH-TECH O ") Rendelje meg most ingyenes katalógusunkat! Tel : Fax: info-hu@distrelec.com Európa legjelentősebb m inőségi elektronikai és számítástechnikai alkatrész disztribútora A Distrelec ajánlatai 12. o. -~ ~= Disfrelee MAGVARREGULA újdonságok lndustrial Magazines

2 ELŐZETES Műszaki Magazin Hirdetésfelvétel: Molnár László, nemzetközi koordináwr telefon: , fax: Szerkesztöség és kiadó: Mctor-Presse Budapest Lapkiadó Kft Budapest, Nagysz616s u. ll 15. Levélclm: 1525 Budapest, Pr 58 telefon , fax Ügyvezető igazgató Motor-Presse International: Or. Mai ke Schlegel Ügyvezető: Milan Bohatec Hirdetési igazgató: Székely Iván telefon , fax Terjesztési és marketingigazgató: telefon: , fax: Produkciós vezető : Sebeszta Péter Papp Hajnalka Németországban: Vogellndustrie Medien GmbH&Co KG Würzburg. Germany winfried_burkard@vogel-medien.de telelonc (0049) , faxc (0049) 93 t Terjesztés: Törö István itoro@mororpresse.hu telefon: , fax: Partnereink Arburg 57 EFD 30 lg us 15 AudiHungaria 9 expocity.net 6 Kuka 6 CHIP Magazin 65 Fa th 40 Kvalikon 33 Cognex 37 Festo 27 Messe Düsseldorf 50 Congress 29 Ga max B2, 18 Om ron 16 ControlShop 21 H.Sprenger 65 Phoenix Mecano 3 Distrelec B1, 13 Harting 25 Prot-el 17 Dehn+Söhne 46 Hepenix 25 Rapas 22 OMG 42 Horn 47 Renexpo 8 EAMTM 65 Hungexpo 45,63 Schunk 38 Siemens 23 Számhead 14 Testo 19 Toolte<hnik 65 Trotec 24 Walter B4,43 Wedco B3, 48, befűzés Wenglor 11 Werth 31 WIN 39 Előfizethető a kiadóban: irelofizeres@motorpresse.hu telefon: és , fax: Egy évre+ MM évkönyv: 8000 Ft (a kciós ár) A lap egységára: 900 Ft Elöfizetésben terjeszti a Magyar Posta Z rt. Nyomda: BLACKPRINT Nyomdaipari Kft. Felelös vezet ö: Fekete Attila ügyvezetö igazgató A Német Szövetségi Köztársaságban C>Copyrighr by MM Maschinenmarkr Vogel lndusrr1e Mecilen GmbH&Co KG Würzburg, Germany A közölt cikkek fordítása, utánnyomása, sokszorositása és adatrendszerekben való tárolása kizárólag a kiadó engedélyével történhet. A megjelentetett cikkeket szabadalmi vagy más védettség re való tekintet nélkül használjuk fel. ISSN A Mctor-Presse Budapest Lapkiadó Kft. a MA TESZ tagja 66 MŰSZAKI MAGAZIN 2011 /3

3 KUTATÁS Schlieren mérési technika alkalmazása Fűtött rúd körüli kényszerkonvekció mérése Áramlásba helyezett környezeti hőmérséklettől eltérő hőmérsékletű prizmatikus testekkel gyakran találkozhatunk a műszaki gyakorlatban is, mint például elektromos távvezetékek, fűtőpatronok, hőcserélők, gyárkémények. A prizmatikus test körüli áramlás struktúrája régóta kutatott terület. A Kármán-örvénysor kísérleti és numerikus szimulációs vizsgálatával sok tudós foglalkozik. A már régebben ismert Schlieren mérési technika folyamatos fejlesztése napjainkban is folyik, például a Schlieren méréstechnika lehetőséget biztosít lökéshullámok megjelenítésére szuperszonikus szélcsatornában. A mérőrendszer elsődlegesen kétdimenziós (20) méréseknél használatos, míg a háromdimenziós (3D) alkalmazások során problémák adódnak. A mérési eljárás alkalmas hőátviteli folyamatok megjelenítésére is. Kísérleteink során alacsony Reynolds-szám (Re< 200) mellett végeztük a méréseket, mert e tartományban az áramlás kétdimenziós (fűtött rúd ra merőleges síkokban az áramlás azonos). Jelen munkában bemu- tatásra kerül a kényszerkonvekció megjelenítésére alkalmas Schlieren rendszer. Az elektromosan fűtött rúd az áramlásra merőlegesen került beépítésre a szélcsatorna mérőszakaszában. Jelen kutatás fő feladata az volt, hogy megállapítsa a kü lönböző Schlieren módszerek (a Z-típusú Schlieren és a BOS -Background Oriented Schlieren) alkalmazhatóságát illetve előnyeiket és hátrányaikat a kényszerkonvekció mérésekor. A kutatás során megjelenítésre és számszerűsítésre kerül az instacionárius hőmérsékletmező. Az eredmények alapján elmondható, hogy mindkét Schlieren mérési módszer alkalmas megfelelő minőségű felvételek készítésére, amelyekből értékelhető számszerű eredmények is nyerhetők. A mérési eredmények e feldolgozásához különböző képfeldolgozási eljárásokat kell kidolgozni, ami a kutatás jövőbeni feladata. 58 M Ü S Z A K l M A G A Z l N 2 O l l l 3

4 A Schlieren mérési technika elve A Schlieren mérési technikák a levegő sűrűségváltozása okozta fénytörési jelenségeken alapulnak. A mérőrendszer működési elve az l. ábrán követhető. Az alap Schlieren rendszer - a megfelelő minőségű felvételek érdekében- pontbeli fényforrást alkalmaz. A fényforrásból induló fénysugár különböző eltérülését a különböző sűrűségű közegben történő áthaladás során a sűrűségváltozás miatt fellépő fénytörésiindexváltozás okozza. A pontbeli fényforrás lencsékkel/tükrökkel fókuszálható egy úgynevezett késélre. Ennek elsőd l eges feladata a különböző sűrűségű közegen áthaladt sugarak szabályozása (alapbeállítás szerint a pontbeli fénysugarak felét átengedi a késél). A különböző sűrűségű közegen átha ladó sugarak különböző eltérülés miatt eltérő fényerősséggel világítják meg a kamera CCD chipjét (vagy a felfogóernyőt). Az eredményekjól mutatják a különbségeket, a fényesebb és sötétebb pontok jelölik a pozitív és negatív irányban megváltozott sű rű ségű közegen átha ladó sugarakat (késélre merőleges irányban). Amikor a Schlieren rendszer késéllel működik, akkor tehát a sűrűség megváltozását (gradiensét) határozza meg (a késél irányában). Végül a hőmérsékletváltozást a sűrűségvá ltozásból tudjuk meghatározni.,::;.~~~~~''j" t 20-modell (fűtet l en rúd) Áramlás iránya Pontbeli fényforr~~ ~ LenemsLencse t Schtieren kés Schticren 2!?~!f~od.ell Áramlás kés (futott rud) iránya 1. ábra: Schlieren rendszer felépítése x _,_ 1Y A rendszer egyik alaptulajdonsága az érzékenysége, amiből következik, hogy fontos összefüggés van a fényforrás erőssége és a kapott kép között. A Sch lieren mérés ered ménye egy 2D-s kép az (x, y) koordináta-rendszerben. Az egyszerű Schlieren képek kontraszt alapján elemezhetők, azaz különböző árnyalatok tartoznak a különböző sűrűségek he z. A sűrűségváltozást a mérőszakaszban a Schlieren tárgy (esetün kben a fűtött rúd) okozza. A különböző sűrűségű területeken keresztülhaladó sugarak E fénytörési szöggel térülnek el (y komponensük az Ey). Az l. ábrán látható, hogy az eltérült fénysugarak által a forráskép elmozdul a késéihez viszonyítva. Az eltérülés mértéke: l ahol B a fényforrás erőssége, az f, az e l ső lencse/tükör fókusztávolsága, az ma nagyítás i arány (a mérőtér és a képméret közötti arány), és b a forráskép x irányú szélessége. A Schlieren képen a kontrasztváltozást meghatározhatjuk a fényerősség-változás és a Schlieren kép háttere fényerősségének arányáva l (á ltalában fénytörő közeg nélküli referenciakép készítésével tudják ezt az értéket meghatározni): C!!..E fz ey =--=--- a E A Schlieren mérés végeredménye egy kontraszttérkép [l) A mérés bemeneti értékei az eltérült sugarak eltérülési szögei E, amit a mérőtérben egy átlagos fénysugár fénytörésmutatójának gradiense jellemez. A mérőrendszer érzékenységét mindig egy arányszám határozza meg, azaz a bemeneti és kimeneti adatok aránya: d(output)/d(input). A Schlieren rendszer érzékenységét a kontraszt és a fénytörés szögének aránya határozza meg: A sű rű ségmező és abból a hőmérsékl etmező számítható a kontrasztváltozásból (fénytörés-mutatóváltozás). Hátteret alkalmazó Schlieren (80S) rendszer Az alap BOS mérésekhez szükséges egy megfelelő pontsűrűségű háttér (vé letlen eloszlású pontsereg) és egy erre fókuszá lt kamera [6]. A háttér optimalizá lása minden feladat első lépése. A cél, hogy a háttéren egy-egy pontra a Sch lieren képen 2-3 pixel jusson a CCD kamera chipjén. A mérések során szükség van legalább két kép elkészítésére és tárolására. Az e l ső kép a referenciakép (Sch lieren"tárgy"- fénytörést okozó jelenség - nélkül készített felvétel), a második kép pedig a Schlieren "tárggyal" készített felvétel. Háttér "Schlieren tárgy" [2] [3] [4] Elmozdulás Ily [l] ahol G a 2. lencse/tükör fókusztávolsága. A fényerősség-változás és a fénytörésszöge közti összefüggés az alábbi: 2. ábra: BOS rendszer működési elve 2 O l l l 3 M Ű S Z A K l M A G A Z l N 59

5 KUTATÁS A 2. ábrán látható a BOS rendszer működése. A fénytörés nélküli esetben a háttér egy pontja az ábrán látható zö ld vonallal megjelenített módon képződik le a kamera CCD chipjén. Fénytörés esetén (Schlieren tárgy) a háttér egy pontja már nem ugyanabba a pontba képződik le a kamera CCD chipjén, mint az előző esetben (p iros pontozott vonal). Amikor a fény keresztülhalad a fénytörést okozó közegen, akkor az eredeti irányához képest E (fénytörési szöggel) eltérül, és ennek hatására a kamerában ily értékkel elmozdulva képződik le. Ebből az elmozdulásból (ami a kamera által készített képen mérhető) meghatározható a sűrűséggradiens. Az elmozdulás mértékét (a kamera által készített képeken) ke resztkorrelációval állapítják meg. A BOS méréstechnika a PIV (részecskeképen alapuló sebességmeghatározás) méréstechnikához alkalmazott keresztkorrelációt használja. A keresztkorreláció során kapott sebesség vektormezőt át kell konvertálni a megfelelő alakba. A számítási eljárás során feltételezzük, hogy az áramlás kétdimenziós és azt, hogy az egész mérési területen a sűrűségváltozás (minden egyes síkban) azonos [5]. Ezen feltevések alapján a sűrűséggradiens két algebrai egyenlet segítségével számítható az elmozdulásból. Az elmozdulás és a fénytörésszöge közötti kapcsolat c= -dh fzd [5] ahol h a pixel fizikaidimenziójaa háttér síkján (az elmozdulás pixelben kifejezett értéket alakítjuk át hosszmértékegységrel és z0 a háttér síkja és a Schlieren tárgy közötti távolság. A sűrűséggradiens és a fénytörésszöge közötti összefüggés c =K W Vp [6] ahol Wa Schlieren tárgy szélessége. A Kváltozó a GladstoneDale konstans. A fénytörésmutató (n) és a sűrűség (p) közötti kapcsolatot a n=l+k p [7] összefüggés írja le. Érdekességként megjegyezhető, hogy a 2D-s, hátteret alkalmazó Schlieren (BOS) eljá rás nem igényel kalibrációt, néhány pontos mérés elegendő a sűrűségválto zás meghatározásához. Schlieren rendszer szélcsatornamérés során A BOS mérések a németországi Magdeburgi Egyetem Áramlás- és Hőtechnikai Intézetében történtek. A 3. ábrán látható a mérés felépítése. A háttér elkészítéséhez véletlen eloszlású pontmező került alkalmazásra, a felvételek elkészítéséhez Dantec FlowSense Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar, Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke ATanszék oktatási tevékenysége letedi az áramlás- és hőtechnika klasszikus és felsőbb fokú ismeretköreit Mérnöki alapszakos (BSc) hallgatók számára oktatott tárgyak: Műszaki áramlástan, Műszaki hőtan, Aramlástechnikai Gépek, Belsőégésű motorok, Bevezetés az energetikába, CFD alapjai, Energia-gazdálkodás, Energiaellátás és felhasználás, Energetikai folyamatok, Energetikai mérések, Erőművek, Fűtés és hű téstechnika, Hőerőgépek, Hőtechnikai Gépek, Levegőtisztaság-védelem, Víztisztaság-védelem, Megújuló energiaforrások, Atomerőművek és Napenergia-hasznosítás. AKar mesterszintű (MSc) hallgatói számára oktatott tárgyak: Fűtéstechnika, Klímatechnika, Megújuló energiák alkalmazása, Alternatív energiaforrások, Energetikai berendezések, ~pületenergetika, Hőátviteli folyamatok, Levegő- és víztisztaság-védelem, Motordiagnosztika, Műszaki hő- és áramlástan, Numerikus termo- és hidrodinamika. PhD hallgatók számára még magasabb szinten folyik a tématerületre eső ismeretek oktatása. ATanszék kutató-fejlesztő tevékenysége is főként az áramlás- és hőtechnika területére esik. ATanszék elmúlt 10 év legfontosabb alapkutatási témái: áramlástechnikai gépekben végbemenő folyamatok kísérleti és numerikus vizsgálata, sztochasztikus turbulencia modell fejlesztése, víz- és távhőhálózatok tervezése és elemzése, hőtani folyamatok számítása és mérése, hűtés- és klímatechnikai rendszerek, megújuló energiaforrások hasznosítása, fűtött vagy fűtetlen körhenger körül kialakuló áramlási és hőmérséklettér numerikus modellezése és kísérleti vizsgálata, bifurkáció vizsgálata rezgő mozgást végző henger körüli kis Reynolds számú áramlásban, Stirling motor elméleti és kísérleti vizsgálata, áramlástechnikai gépek rezgés- és zajanalízise, belsőégésű motorok diagnosztikája. ATanszék főbb alapkutatásait az Országos Tudományos Kutatási Alapprogramok alapítvány (OTKA) és más nemzetközi kutatási projektek támogatják. ATanszék alkalmazott kutatás-fejlesztési tevékenységétipari partnerek megrendelésére és közreműködésével végzi, például: családi házak és üzemcsarnokok energetikai felülvizsgálata, pirolízis kemence numerikus szimulációja, különböző gáz- és olajipari eszközök numerikus modellezése, épületszellőzés numerikus modellezése és optimálása, hőkezelő kemencék vizsgálata, hűtő- és fagyasztóládák elméleti és kísérleti fejlesztése, hűtő-, fűtő- és szenőztetőrendszerek elemzése, porszívók, kéziszerszámok áramlástani fejlesztése és további hasonló tématerületek. ATanszéknek nemzetközi kutatási kapcsolatai vannak különböző egyetemi intézetekkel, például: Nagaoka University of Technology (Japán), a University of Siegen (Németország), Karlsruhe Institute oflechnology (Németország), a University of West Bohemia (Cseh Köztársaság), a Technical University of Kosice (Szlovákia), Otto-von-Guericke University Magdeburg (Németország) és a University of Applied Sciences Aschaffenburg (Németország). 60 MŰSZAKI MAGAZIN 2011/3

6 3. ábra: A 805 mérési rendszer Mk2 kamerát használtunk (maximális képváltási frekvencia 30 Hz). A Schtieren rendszerrel sikerült a fűtö tt rúd körüli h ő mérsékletmező meghatározása [4]. A Z-típusú Schtieren mérések a Miskolci Egyetem Áramlásés Hőtechnikai Gépek tanszékének laboratóriu mában rendelkezésre álló szélcsatornába n történtek. Az 500x500 mm keresztmetszetű mérőtér lsel elemek fe lhasználásával készü lt, a mérőtér aktív hossza 800 mm. Ez eset ben fi gyelembe kellett venni a mérőtér mellett olda lt rendelkezés re áll ó helyet. Az alkalmazott Z-típusú Schlieren rendsze r tulajdonsága ugyanis: tükörvastagság (25%-a a t ükör átmérőj ének), t ükör optikai minősége A/8, dőlésszög (8) 3.81, f-szám: f/1 O, és a t ükrök közötti távolság 4500 mm. A re ndszer elre ndezése a 4. ábrán látható. Hőmérsékletmező megjelenítése A megfele l ő háttér kikísérletezését követően a BOS képek fe l vétele és elemzése kereskedelmi PIV szaftverrel készült. A keresztkorreláció és a kalkuláció eredményeként az 5. ábrán láthatók az első BOS képek. Z-típusú Sch lieren rendszerrel, kü l önböző se besség mellett készült fe l vételekből és azt követő szám ításokból a 6. ábrán látható hőmé rsék l etmezőket kaptuk. A Z-típusú Sch lieren rendszerünk alkalmas h ő m é rsék l e t mező megjelenítésére, va lamint a meg fele l ő eljárássa l a h ő mérsékletmező számszerűsíthető. A 6. ábrán a megfúvás i sebesség változtatásával (0-7-0,3 m/s) jól látható a szabad és kényszerkonvekció hatása. 5. ábra: Fűtött rúd körüli hőmérsékletmező megjelenitése 805 rendszerrel (573 Kés 0,3 m/s) Temperature Fleld C4T 0068 ~-eoordlnal [rrvn] '" 2 O 1 1 l 3 M Ü S Z A K l M A G A Z l N 61

7 KUTATÁS Temperature Fleld Temperature Fleld Temperature Fleld 0001 t"cj 0146 t"cj l' q "' "o "o "' "'.. 10., "o x-coordinates [pixeq x-coordinates [pixel) x-coordinates [pixel) 6. ábra: Fűtött rúd körüli hőmérsékletmező megjelenitése Z-típusú Schlieren rendszerrel (300 oc és a sebességtartomány 0-0,3 m/s),~ :J?., '., Következtet és Jelen mérési eredmények mege r ősítették, hogy a BOS és Z-típusú Schl ieren rendszerre l képesek vagyunk szélcsatornában elhelyezett fűtött rúd körü l kialaku lt hőmé r sé kl etm ező meghatározására. Azonban a jelen kísérletek kimutatták, hogy további fejlesztésre van szükség a pontosabb eredmények elérése cé ljából (precíziós Schlieren kés állíth atóságána k megoldása, BOS rendszer optika i torzítási problémáinak megoldása). A m eg fe l e l ő m in őségű h ő m é r sé kletm ező ki számításához a fe ldolgozási eljá rás továbbfejlesztése is indokolt. A fejlesztés köve t kező lépései közé ta rtozik a sebesség- és hőm é r sé kl e tm ező együttes meghatározása is. (A sze rzők köszönetüket fejezi k ki az NKTH-OTKA (68207) és a Magyar-Német egy üttmű ködési program P-MÖB/836-nak a kutatás támogatásáért). Ben cs Péter (Misko/ci Egyetem), Bordás Róbert (Magdeburgi Egyetem), Katharina Zi:ihringer (Magdeburgi Egyetem), Szabó Szilárd (Misko/ci Egyetem), Dominique Thévenin (Magdeburgi Egyetem)