MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR OPTIKAI MÉRÉSTECHNIKA FEJLESZTÉSE ÉS AL- KALMAZÁSA ÁRAMLÁSBA HELYEZETT FŰTÖTT RÚD KÖRÜL KIALAKULÓ ÁRAMLÁS JELLEMZŐI- NEK MEGHATÁROZÁSÁRA PhD. ÉRTKEZÉS TÉZISEI Készítette: BENCS PÉTER SÁLYI ISTVÁN GÉPÉSZETI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA GÉPÉSZETI ALAPTUDOMÁNYOK SZAKTERÜLET TRANSZPORTFOLYAMATOK ÉS GÉPEIK TÉMACSOPORT A doktori iskola vezetője: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudományok doktora Témacsoport vezetője: Dr. Czibere Tibor az MTA rendes tagja Témavezető: Dr. Szabó Szilárd egyetemi tanár Miskolc 2015
Védési bizottság Elnök: Dr. Tisza Miklós a műszaki tudományok doktora, egyetemi tanár (ME) Titkár: Dr. Kovács György PhD., egyetemi docens (ME) Tagok: Dr. Hős Csaba PhD., egyetemi docens (BME) Dr. Turzó Zoltán Dr. Czap László PhD., egyetemi docens (ME) PhD., egyetemi docens (ME) Hivatalos bírálók: Dr. Régert Tamás PhD., egyetemi adjunktus (VKI-Belgium) Dr. Paripás Béla PhD., habil, egyetemi tanár (ME) 2
1. fejezet Bevezetés Áramlásba helyezett környezeti hőmérséklettől eltérő hőmérsékletű prizmatikus testekkel gyakran találkozhatunk a műszaki gyakorlatban is, mint például elektromos távvezetékek, fűtőpatronok, hőcserélők, gyárkémények, stb. A prizmatikus test körüli áramlás struktúrája régóta kutatott terület. A Kármán féle örvénysor kísérleti és numerikus szimulációs vizsgálatával sok tudós foglalkozik. Bonyolultabb a jelenség, amikor a prizmatikus test fűtött. Kérdésként merül fel ekkor, hogy mi a hatása a fűtésnek az örvényleválás frekvenciájára, struktúrájára és az örvények helyzetére. Sok kérdés már megválaszolásra került numerikus szimulációk és Particle Image Velocimetry (PIV) segítségével. További kérdés maradt, hogy milyen kapcsolat van az örvény struktúra és a kényszerkonvekció hatására a testre vonatkozó hővesztés között. A kérdés megoldására a Schlieren eljárást alkalmaztuk, amely mérési technika folyamatos fejlesztése napjainkban is folyik. A jelenségek mérésekkel való pontos elemzésénél különleges feladatot jelentett a hőmérséklet- és az örvénymező mérése egyidejűségének biztosítása. Méréseink validálására, a jelenségek további vizsgálatára irodalmi és saját numerikus szimulációs eredményeket is felhasználtunk. 1.1 A szakirodalom áttekintése A hengeres testek körüli áramlás vizsgálatával számos kutató foglalkozik. A Miskolci Egyetem Áramlás és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszékén is évtizedes hagyományai vannak e terület kísérleti és numerikus vizsgálatának [1]. 3
Jelen kísérleti kutatási téma előzménye a kutatóhelyen nagyméretű keresztmetszetű légcsatornákban uralkodó sebességeloszlás real-time megfigyelésére kifejlesztett módszer, amely áramlásba helyezett hődrótháló áramlási sebesség okozta hővesztésén alapul [2]. A vonatkozó jelenségek pontosabb megismerése céljából vizsgálatainkat kiterjesztettük az elméleti számítások területére is, ami esetünkben a fűtött körhenger körüli áramlások numerikus vizsgálatát jelentette [3]. Az alapkutatást kísérleti folytatásához szükségessé vált egy megfelelő szélcsatorna tervezése a tanszéki laboratóriumba. A tervezési technikákról számos műben tájékozódhatunk [4-8]. A kutatások során a sebességmező pontonkénti meghatározására először CTA (Constant Temperature Anemometry) technikát használtunk, amelynek alkalmazása során Perry [9] könyvéből nyertünk hasznos ismereteket. Későbbiekben a síkbeli sebességmező megjelenítésére a PIV eljárást is bevontuk eszköztárunkba. A vonatkozó ismereteket Raffel [10] és Schroeder [11] műveiből nyertük. Kiemelt feladatunk volt a léghőmérsékletmező mérése, erre először az alap Schlieren technikát próbáltuk ki. Az utóbbi két évtized Schlieren technikára vonatkozó szakirodalmát áttekintve azt találtuk, hogy Kleine PhD. értékezése [12], illetve Settles könyve [13] azok, amelyek összefoglalják a Schlieren technikáról való ismereteket. A Schlieren technika alkalmazására példákat láthatunk Singh [14] és Hargather [15] műveiben. Hargather és Settles [16] művében összehasonlításra kerülnek a hagyományos és a jelenleg használatos korszerű Schlieren technikák (például BOS - Background Oriented Schlieren). A jelenleg is fejlesztés alatt álló BOS technika a fénytörési jelenség új típusú megjelenítését jelenti, ahol az adatfeldolgozás a PIV technikánál alkalmazottal azonos módon történik. A 4
BOS technika intenzív fejlesztéséről tájékozódhatunk és különböző alkalmazási lehetőségeit ismerhetjük meg a következő publikációkban: Raffel [10] és Schroeder [11]; Baur és Tapee [17]; Richard és Raffel [18]; Meier [19]. A sebesség és hőmérsékletmérés együttes alkalmazására is készítettek különböző mérési összeállításokat, amelyekre példák az alábbiak (speciális mérések a témakörben: víz, felhajtóerő, stb.): Martínez-González [20] és Skornyakova [21]. 2. fejezet Célkitűzések és a feladatok megoldásának módszerei Nagy áramlási keresztmetszetben kialakult sebességmező detektálható a keresztben kifeszített fűtött drótháló termovíziós fényképezésével. A drótháló hűlése és a légsebesség kapcsolata sok érdekes alapkutatási téma forrása lehet. Ezek közül mi az áramlásba helyezett fűtött rúd körüli kétdimenziós hőmérséklet- és sebességmező egyidejű meghatározását tűztük ki célul. Ennek megvalósításához sok kísérleti eszközt, mérési eljárást és vizsgálati elrendezést fejlesztettünk és próbáltunk ki. A vizsgálni kívánt kényszerkonvekciós jelenség a lamináris áramlási tartományba esik, Re<200, amikor a megfúvási légsebesség U=0,3 m/s és az Ød=10 mm fűtött rúd névleges felületi hőmérséklete, rendre: tw=~19, 100, 200, 300 C. Első lépésként a mérések megvalósításához szükséges szélcsatorna megtervezése és megépítése volt a feladatunk. A tervezés fázisában numerikus szimulációt alkalmaztunk, valamint az elkészült szélcsatornában ellenőrző méréseket is végeztünk, a csatornában kialakuló sebességmező egyenletességének biztosítására és ellenőrzésére. A szélcsatorna első változata nyomott rendszerű nyitott szélcsatorna volt. E berendezésen végzett 5
szisztematikus mérések és azok eredményeinek feldolgozása eredményeképpen további fejlesztéseket hajtottunk végre. A szélcsatornához első lépésként elszívócsövet terveztünk a mérőtérbeli egyenletesebb sebességprofil kialakításának céljából. A sebességprofil egyenletessé tételéhez továbbá szükségessé vált különböző passzív áramlásrendező elemek (rácsok, egyenirányítók, hálók, stb.) kialakítása és tesztelése is. A végső megoldást a szélcsatorna zárttá alakítása jelentette amelynek eredményeképpen a mérőtérben sikerült a megfelelően egyenletes alacsony (~0,3 m/s) sebességeloszlást létrehoznunk. A csatorna zárttá tétele egyszerűbbé tette a mérésekhez szükséges olajköd kezelését is. A szélcsatorna 0,8 m hosszú és 0,5 0,5 m keresztmetszetű három oldalról üvegfalú mérőtérrel rendelkezik, lehetővé téve a tervezett CTA, PIV, Z-típusú Schlieren és BOS technikák alkalmazását (2.1. ábra). 2.1. ábra A kialakított zárt szélcsatorna mérőtere Második lépés a hőmérsékletmező mérésének megoldása volt, itt lehetőségként kínálkozott a hőmérsékletváltozás okozta sűrűségváltozás. A légáram sűrűségének megváltozása ugyanis megváltoztatja a közeg törésmutatóját. Amennyiben e törésmutató változást detektálni tudjuk akkor a változás mértékéből tudunk következtetni a hőmérsékletváltozásra. A törésmutató 6
változásának mérésére a Z-típusú Schlieren optikai eljárás kínálkozott. A hőmérsékletmező megjelenítésére így egy Z- típusú Schlieren mérőrendszer kiépítését és fejlesztését valósítottuk meg. Ennek során először a megfelelő mérési környezetet alakítottuk ki, majd színszűrőket terveztünk a mérés elvégzéséhez. A színszűrős rendszerrel elért eredmények nem hozták az elvárt eredményt, így áttértünk a szürkeárnyalatos rendszerre, amely úgynevezett késélt használ fel a törésmutató változás kimutatására. E módszer alkalmazása különböző további fejlesztéseket és kalibrációt igényelt, amelyeket végrehajtva sikerült a kitűzött célt elérnünk, azaz a 10 mm átmérőjű fűtött henger mögött kialakuló kétdimenziós áramlásban a hőmérsékletmezőt számszerűen megjeleníteni. A Schlieren rendszer sikeres alkalmazását követően a mérőrendszert kiegészítettük az azonos áramlási területre eső sebességmérésre is, amelyhez PIV rendszert alkalmaztunk. Külön fejlesztő munkát igényelt a két rendszer időbeli szinkronizációjának megoldása. Az összetett fejlesztés eredményeként sikerült egyidejű képet kapnunk a henger mögött kialakuló áramlási és hőmérsékletmezőről. Az áramlási mezőt a sebességképből általunk írt saját kódú Matlab rutinokkal előállított örvénymezővel jellemeztük. Vizsgálataink eredményeképpen bizonyítást nyert, hogy a henger felületéről a hőelvonás úgynevezett,,hőcsomagok'' formájában történik szinkronban az örvényleválással. Erre mutat példát tw=300 C-os névleges rúdhőmérséklet és U=0,3 m/s légáram esetén a 2.2. ábra. Harmadik lépésként a Z-típusú Schlieren rendszer továbbfejlesztésével párhuzamosan a BOS rendszer fejlesztésével is foglalkoztunk. A kutatásra kutatócsere pályázat keretében a Magdeburgi Egyetem Áramlástani Tanszékén adódott lehetőség, ahol sikerült megismerkedni a BOS technikával, illetve szisztematikus fejlesztések után a hőmérsékletmezőt megjeleníteni. Tevékenységünk eredményeként feltártuk a BOS rendszerben rejlő lehetőségeket, illetve korlátokat. 7
2.2 ábra. Hőmérséklet és örvénymező (kék szín=negatív örvények, magenta szín=pozitív örvények) U=0,3 m/s, t w=300 C Fontos kiemelni, hogy kimutattuk: a BOS rendszer érzékenysége nagymértékben függ az alkalmazott háttérmintázattól és a megvilágítás erősségétől és minőségétől. A BOS és PIV rendszer szinkronizációjával megteremtettük a sebesség- és hőmérsékletmező egyidejű mérésének lehetőségét. A szinkronizáció megoldására három - elvében és eszköztárában is - különböző módszerrel kísérleteztünk, amelyek rendre: CTA sebességmérés szolgáltatta trigger jel alkalmazása az egymást követő PIV és BOS felvételek szinkronizációjára; Speciális vezérlőegységgel egyetlen kamera felhasználásával felváltva készített PIV és BOS felvételek azonos időre vonatkozó interpolációjával; Két kamera alkalmazásával valós szinkron felvételek készítése mindkét technikával (PIV-BOS) (2.3. ábra). Az alkalmazott módszerek mindegyike számos kiegészítő tevékenységet (kalibráció, validáció, mérésfeldolgozó program készítése) igényelt. 8
A mérési eredmények helyes értékelésének elősegítésére numerikus szimulációs elemzésekkel kerestünk és kaptunk válaszokat a mérések során tapasztalt korlátokra és a hozzájuk tartozó jelenségre. 2.3. ábra BOS, PIV és CTA rendszer felépítése Negyedik lépésként a fűtött rúd kerület menti hőmérsékleteloszlását határoztuk meg nagyfelbontású termokamerával különböző hengerhőmérsékletek esetén. Az irodalomban található nagyszámú mérési és számítási elemzések során az eredmények általánosításakor dimenziótlan mérőszámokat definíálnak és adják meg a rájuk vonatkozó összefüggéseket. Ezek közül több dimenziótlan mennyiségben közvetve vagy közvetlenül szerepel a hőmérséklet is (pl. Reynolds szám, Nusselt szám, Strouhal szám). Fűtött henger körüli áramlás jellemzésekor jellemző hőmérsékletként vagy a léghőmérsékletet vagy a rúd felületi hőmérsékletét vagy a kettő valamiféle kombinációját adják meg. Amikor a henger hőmérséklet is szerepel az összefüggésekben azt egyetlen hőmérséklet értékként adják meg. Ez igen jó közelítést jelent abban az esetben, amikor a,,henger'' átmérője kicsi (1-2 mm átmérőjű elektromos 9
fűtőszál). Amikor azonban a henger átmérője egyre nagyobb, felmerül a kérdés, hogy változik-e és, ha igen hogyan az áramlás irányához képest a henger kerület menti felületi hőmérséklete. Mivel vizsgálatainkat 10 mm átmérőjű fűtött rúddal végeztük, jogos volt a feltételezésünk, hogy a felületi hőmérséklet nem egyetlen érték, hanem a sebesség irányától függő valamiféle eloszlást mutat. Így e kérdéskör mélyebb elemzése érdekében termokamerás méréseket végeztünk az áramlásba helyezett fűtött rúd felületén kialakult hőmérsékleteloszlás meghatározására. Az eredményeink alapján egyértelműen igazolódott, hogy a fűtött rúd kerülete mentén történő hőmérsékleteloszlás nem egyenletes, hanem a sebesség nagyságától függően változik. A változás mértékét és fő jellegzetességeit feltártuk különböző névleges rúd hőmérsékletek (tw=100 C 300 C) és áramlási sebességek (U=0,28-6,64 m/s) esetén. 3. fejezet Továbbfejlesztési irányok, lehetőségek A disszertációban megfogalmazott kutatómunka számos irányban továbbfejleszthető: Szélcsatorna tervezési és alkalmazási tapasztalatainak felhasználásával egy új, kisebb mérőterű szélcsatorna tervezése is felmerül keskenyebb mérési keresztmetszettel (a Schlieren technika alkalmazhatósági korlátai miatt, valamint a pontosabb kétdimenziós áramlás biztosításához). Z-típusú Schlieren rendszer esetén a színszűrők/késél további fejlesztésével növelhető a rendszer érzékenysége. BOS rendszer esetén az eredmények pontosságának növelése érdekében az optikai hibák csökkentése, illetve a háttér további fejlesztése jöhet szóba. 10
A fűtött rúd felületi hőmérsékleteloszlása mérésének kiterjesztése további hőmérséklet és sebesség, illetve nagyobb rúdátmérő esetére. A szélesebb körű mérési adatrendszer elemzésének segítségével a felületi hőmérsékletváltozással kapcsolatos dimenziótlan mennyiségekre vonatkozó alapösszefüggések keresése. Új mérési eljárás kifejlesztése síkbeli hőmérsékletmező meghatározására. 11
4. fejezet Új tudományos eredmények I. Fűtött henger (Ød=10 mm) körül kialakuló kétdimenziós (Re<200) áramlás vizsgálatára alkalmas szélcsatornát fejlesztettem ki, amelynek kis sebességű (~0,3 m/s) kísérleteim számára való alkalmazhatóságát ellenőrző mérésekkel igazoltam. A fejlesztés során elsőként kialakított nyomott rendszerű nyitott csatorna tervezéséhez irodalmi adatokat és numerikus szimulációt használtam fel. E csatorna nagy sebességek esetén (radiális ventilátor) kiváló eredményeket mutatott. Kis (~0,3 m/s) sebesség (Re<200) esetén azonban a mérőtérrel azonos tengelyű axiális ventilátor által keltett egyenetlen áramlás nem volt rendezhető. Ezért méréseim és újabb numerikus szimulációim alapján a szélcsatornát átterveztem úgy, hogy előbb egy elszívó csatornával egészítettük ki, majd végezetül teljesen zárt recirkulációs csatornává alakítottuk át, ahol az axiális ventilátor a mérőtértől távol került elhelyezésre. A tézishez kapcsolódó publikációim: [FL1, KL2, K2]. II. Mérésekkel számszerűsítettem és bizonyítottam, hogy a fűtött rúd felszínéről a hőelvonás az örvényleválás frekvenciájával szinkronban, térben és időben az örvényekkel együtt hőcsomagok formájában történik, amikor kétdimenziós áramlásról (Reeff<200), és kényszer konvekcióról van szó Rieff<1. A mérések számára kifejlesztettem egy olyan komplex mérőrendszert, amely alkalmas szélcsatornában elhelyezett fűtött henger (Ød=10 mm) mögött kialakuló hőmérséklet (tw,átlag=100 C 300 C) és sebességtér szinkron meghatározására (U=0,3 m/s). Az összeállított mérőrendszer szinkronizált Particle Image Velocimetry (PIV) és Z-típusú Schlieren rendszerből áll. 12
Szisztematikus kísérletsorozattal meghatároztam különböző hőmérsékletekre hevített rúd mögött kialakuló örvény- és sebességtereket. A mérésből kapott nyers adatrendszer feldolgozására egyedi programokat fejlesztettem ki. A tézishez kapcsolódó publikációim: [FL5, KL1, K1, K3, K4, K6, K10, K12, D1]. III. Különböző komplex mérési eljárások szisztematikus fejlesztése eredményeképpen bizonyítottam, hogy a Background Oriented Schlieren (BOS) technika alkalmazható a fűtött rúd (Ød=10 mm) mögötti hőmérsékletmező (tw,átlag=100 C 300 C) meghatározására úgy, hogy közben a PIV méréstechnika segítségével a sebességtér (U=0,3 m/s) és az abból származtatható örvénytér is mérhető marad. A BOS és a PIV mérőrendszer közös alkalmazásaként három -- alapjában különböző -- mérési eljárást fejlesztettem ki, az eljárások kezelésére és az adatfeldolgozásra speciális számítógépi rutinokat állítottam össze. Az Ansys Fluent programrendszer alkalmazásával numerikus szimulációkat végeztünk, amelynek eredményeit kielemezve megállapítottam a BOS rendszer általam alkalmazott mérési módszereinek korlátait. A tézishez kapcsolódó publikációim: [FL2, FL3, FL5, F1, KL1, KL3, KL4, K5, K7, K8, K9]. IV. Hőkamera alkalmazásán alapuló mérési elrendezést alakítottam ki, amellyel meghatároztam az áramlásba helyezett fűtött henger (Ød=10 mm) felületi hőmérsékleteloszlását. A mérések alapján kimutattam, hogy különböző légsebesség és rúdfűtés esetén a szabad- és a kényszerkonvekció arányának változásával a kerület menti hőmérsékleteloszlás jellege és mértéke változik. E változásokat számszerűsítettem. 13
A termokamera szolgáltatta adatrendszer feldolgozására számítási eljárást dolgoztam ki és azt megvalósító számítógépi programot állítottam össze. Vizsgálataim alapján megállapítottam a henger körüli hőmérsékleteloszlás jellegzetességeit U=0,28-6,64 m/s sebesség és tw,átlag=100 C 300 C névleges hengerhőmérséklet tartományon. A tézishez kapcsolódó publikációim: [FL4, F2, KL5, K11]. 14
5. fejezet Kutatási témában megjelent saját publikációk Lektorált folyóiratcikkek (FL1) P. Bencs and Sz. Szabó. Légcsatorna tervezése áramlás- és hőtechnikai vizsgálatokhoz. GÉP, 60(2):37 41, 2009. ISSN 0016-8572 (FL2) P. Bencs and Sz. Szabó. Instacionárius léghőmérsékletmező mérési lehetőségének fejlesztése. GÉP, 63(1):27 30, 2012. ISSN 0016-8572 (FL3) P. Bencs, Sz. Szabó, R. Bordás, D. Thévenin, and K. Zähringer. Háttér hatása a background oriented schlieren technikával mért hőmérséklet mezőre. GÉP, 63(9):21 24, 2012. ISSN 0016-8572 (FL4) P. Bencs, A. Farkas, and Sz. Szabó. Áramlásba helyezett fűtött rúd felületi hőmérséklet-eloszlásának kísérleti meghatározása. MULTIDISZCIPLINÁRIS TUDOMÁNYOK: A MISKOLCI EGYETEM KÖZLEMÉNYE, 3(1):115 124, 2013. ISSN 2062-9737 (FL5) P. Bencs, Sz. Szabó, and D. Oertel. Simultaneous measurement of velocity and temperature field in the downstream region of a heated cylinder. Engineering Review, 34(1):7 13, 2014. ISSN 1330-9587, Scopus indexált Nem lektorált folyóiratcikkek (F1) P. Bencs, Sz. Szabó, R. Bordás, K. Zähringer, and D. Thévenin. Fűtött rúd körüli kényszerkonvekció mérése. Műszaki Magazin, 2011(3):58 62, 2011. ISSN 1417-0132 15
(F2) P. Bencs, Sz. Szabó, and A. Farkas. Nagy felbontású termovízió alkalmazása fűtött hengeres rúd felületi hőmérséklet-eloszlásának mérésére. Műszaki Magazin, 2012(7-8): 56 59, 2012. ISSN 1417-0132 Lektorált konferencia kiadványban megjelent előadások (KL1) P. Bencs, R. Bordás, K. Zähringer, Sz. Szabó, and D. Thévenin. Application of schlieren measurement technique for forced convection from a heated circular cylinder. In Proc. 7th International Conference on Mechanical Engineering, Budapest, Hungary, pages 203 208, 2010. ISBN 978-963-313-007-0 (KL2) P. Bencs, E. Kurilla, and Sz. Szabó. Design of suction pipe for a wind-tunnel. In Proc. MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 1 6, 2011. ISBN 978-963-661-957-2 (KL3) P. Bencs, P. Tóbiás, Sz. Szabó, R. Bordás, Zähringer K., and D. Thévenin. Development of a PIV-BOS technique for simultaneous measurement of velocity and temperature field. In Proc. MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 7 12, 2011. ISBN 978-963-661-957-2 (KL4) P. Bencs, Sz. Szabó, R. Bordás, K. Zähringer, and D. Thévenin. Simultaneous measurement of velocity and temperature downstream of a heated cylinder. In ASME 2011 Pressure Vessels and Piping Conference, Baltimore, Maryland, USA, pages 207 212. American Society of Mechanical Engineers, 2011. ISBN 978-0-7918-4457-1, Scopus indexált (KL5) P. Bencs, Sz. Szabó, and A. Farkas. Improvement of thermovision measurement method for analysis of surface temperature distribution of a body in flow. In Proc. Micro- CAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 1 6, 2012. ISBN 978-963-661-773-8 16
Konferencia kiadványban megjelent előadások (K1) P. Bencs, R. Bordás, K. Zähringer, Sz. Szabó, and D. Thévenin. Towards the application of a schlieren measurement technique in a wind-tunnel. In Proc. MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 13 19, 2009. ISBN 978-963-661-870-4 (K2) P. Bencs and Sz. Szabó. Wind tunnel design for flow and thermodynamics measurements. In Proc. MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 135 144, 2009. ISBN 978-963-661-870-4 (K3) P. Bencs and Sz. Szabó. Temperature field visualization around a heated circular cylinder by schlieren technique. In Proc. MicroCAD International Computer Science Conference, Miskolc, Hungary, pages 61 66, 2010. ISBN 978-963-661-910- 7 (K4) P. Bencs and Sz. Szabó. Experimental investigation of heat carried away by vortices shed from heated circular cylinder. In Proc. Junior Scientist Conference, Vienn, Austria, pages 45 46, 2010. ISBN 978-3-200-01797-9 (K5) P. Bencs, Sz. Szabó, R. Bordás, D. Thévenin, K. Zähringer, and B. Wunderlich. Investigation of the velocity (PIV) and temperature field (BOS) of a heated cylinder in a low renumber flow. In Proceedings, ISFV14-14th International Symposium on Flow Visualization, EXCO, Daegu, Korea, pages 1 8, 2010. ISBN 978-89-964504, Független idéző: N. Kotchourko, M. Kuznetsov, A. Kotchourko, J. Grune, A. Lelyakin, & T. Jordan, Concentration measurements in a round hydrogen jet using Background Oriented Schlieren (BOS) technique International Journal of Hydrogen Energy, Elsevier, 2014, 39, 6201-6209 (K6) P. Bencs and Sz. Szabó. Application of Z-type Schlieren technique for flow visualization around heated cylinder. In 17
14th International Symposium on Flow Visualization, Daegu, Korea, pages 1 7, 2010. ISBN 978-89-964504 (K7) P. Bencs, R. Bordás, Sz. Szabó, and D. Thévenin. Hőmérsékletmező megjelenítése BOS méréstechnikával (visualization of temperature field by BOS measurement technique). In Forum for PhD Students, University of Miskolc, Faculty of Mechanical Engineering, Miskolc, Hungary, pages 13 18, 2010. (K8) P. Bencs, Sz. Szabó, R. Bordás, K. Zähringer, and D. Thévenin. Synchronization of particle image velocimetry and background oriented schlieren measurement techniques. In Proc. 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing, Moscow, Russia, pages 1 6, 2011. ISBN:978-5- 8279-0093-1 (K9) P. Bencs, Sz. Szilard, R. Bordás, D. Thévenin, and K. Zähringer. Influence of background pattern on the temperature field measured by background oriented schlieren. In 15th International Symposium on Flow Visualization. Minsk, Belarus, pages 1 10, 2012. ISBN 978-985-6456-75-9, Független idéző: C.-l. Sun, & T.-h. Hsiao, On the background design for microscale background-oriented schlieren measurements of microfluidic mixing Microfluidics and Nanofluidics, Springer, 2014, 17, 375-391 (K10) P. Bencs, Sz. Szabó, and D. Oertel. Simultaneous measurement of velocity and tem- perature field downstream of a heated cylinder. In Proc. International Conference on Innovative Technologies, IN-TECH 2012, Rijeka, Croatia, pages 205 209, 2012. ISBN 978-953-6326-77-8 (K11) Sz. Szabó, P. Bencs, and A. Farkas. Application of thermography technique for surface temperature visualization of a heated cylinder. In Proc. International Conference on Innovative Technologies, IN-TECH 2012, Rijeka, Croatia, pages 211 215, 2012. ISBN 978-953-6326-77-8 18
(K12) P. Bencs and Sz. Szabó. Hőmérsékletmező mérési technikák összehasonlítása. In OGÉT, XXI. Nemzetközi Gépészeti Találkozó kiadványa Arad, Románia, pages 48 51, 2013. ISSN 2068-1267 Diplomamunka (D1) P. Bencs. Application of optical measurement techniques in a two-phase wind-tunnel. Diploma thesis, University of Miskolc / Otto von Guericke Universität Magdeburg, 2008. 19
Köszönetnyilvánítás Az értekezés a Miskolci Egyetem Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Intézeti Tanszékén 2008-ban kezdett kutatómunkám eredményeit foglalja össze. A választott kutatási téma alapjait Dr. Baranyi László határozta meg, aki a körhenger körüli kis Reynolds-számú áramlás numerikus vizsgálatával foglalkozik. Ezúton szeretnék köszönetet mondani témavezetőmnek, Dr. Szabó Szilárd professzor úrnak, aki a doktori kutatásaim során szakmailag és emberileg is következetesen támogatott. A vezetése, iránymutatása és a kapott eredmények alapos kritikája felbecsülhetetlen segítséget jelentett a munkám során. A kutatáshoz szükséges technikai megvalósítás feltételeit lehetővé tette, illetve lehetőséget biztosított arra, hogy részt vegyek a magyar-német kutatócsere programban. Köszönetemet fejezem ki a Magdeburgi Egyetem (OVGU) Áramlástani Tanszék (LSS) munkatársainak, akik támogatták munkám, kiváltképp Dr. Janiga Gábornak és Dr. Bordás Róbertnek a kutatásom során nyújtott segítségükért és szervező tevékenységükért. Külön köszönöm Dr. Dominique Thévenin professzor úrnak a DAAD-MÖB kutatócsere program kapcsán nyújtott támogatását. Köszönetemet fejezem ki a tanszék minden munkatársának, akik támogatásukkal, biztatásukkal, értékes megjegyzéseikkel hozzájárultak a doktori munkám elkészítéséhez. Szeretném megköszönni a családomnak azt a kitartást, amellyel még a legnehezebb időszakokban is támogattak és biztattak. Köszönetemet fejezem ki az OTKA (76085), NKTH-OTKA (68207) nemzeti projekteknek és a DAAD-MÖB 24/2007-08 és P-MÖB/386 nemzetközi együttműködéseknek a kutatás támogatásért. A kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV- 2010-0001 jelű projekt részeként - az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében - az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 20
Irodalomjegyzék [1] László Baranyi, Szilárd Szabó, Betti Bolló, and Róbert Bordás. Analysis of flow around a heated circular cylinder. In Proc. 7th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference, Sapporo, Japan, pages 08 201, 2008. [2] Sz. Szabó, A. Juhász, and Z. Liptai. Hődrótos méréstechnika alkalmazása áramlási sebességtér homogenizálásához. In OGÉT 2005 XIII. Nemzetközi Gépész Találkozó, Szatmárnémeti, Románia, pages 227 230, 2005. [3] B. Bolló, L. Baranyi, R. Bordás, B. Tolvaj, P. Bencs, L. Daróczy, and Sz. Szabó. Numerical and experimental investigation of momentum and heat transfer from a heated circular cylinder. In Proc. MicroCAD International Scientific Conference, Miskolc, Magyarország, E. szekció, pages 1 8, 2008. [4] Alan Pope and Kenneth L. Goin. Wind-tunnel testing. Wiley, 1954. [5] S. G. Popov. Strömungstechnisches Messwesen: Probleme der experimentellen Aerodynamik.[übersetzung aus dem Russischen: Hans Eulitz] 2. Verlag Technik, 1960. [6] J. H. Perry. Vegyészmérnökök kézikönyve (in Hungarian). Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1968. [7] Rabindra D. Mehta and Peter Bradshaw. Design rules for small low-speed wind tunnels. Aeronautical Journal, 83(827):443 449, 1979. [8] James Scheiman and J.D. Brooks. Comparison of experimental and theoretical turbulence reduction from screens, honeycomb, and honeycomb-screen combinations. Journal of Aircraft, 18(8):638 643, 1981. [9] E. Perry. Hőszálas áramlásmérés. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1986. [10] M. Raffel, C.E. Willert, S.T. Wereley, and J. Kompen- 21
hans. Particle Image Velocimetry - A Practical Guide, volume 448 p. of 2nd ed. Springer-Verlag, 2007. [11] Andreas Schroeder and Christian E. Willert. Particle image velocimetry: new developments and recent applications, volume 112. Springer, 2008. [12] H. Kleine. Verbesserung optischer Methoden für die Gasdynamik. PhD thesis, RWTH Aachen, 1994. [13] Gary S. Settles. Schlieren and shadowgraph techniques. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2001. doi: 10.1007/978-3- 642-56640-0. [14] S.K. Singh, P.K. Panigrahi, and K. Muralidhar. Effect of buoyancy on the wakes of circular and square cylinders: a schlieren-interferometric study. Experiments in fluids, 43(1):101 123, 2007. doi: 10.1007/s00348-007-0329-8. [15] Michael J. Hargather, Michael J. Lawson, Gary S. Settles, and Leonard M. Weinstein. Seedless velocimetry measurements by schlieren image velocimetry. AIAA journal, 49(3): 611 620, 2011. doi: doi:10.2514/1.j050753. [16] Michael J. Hargather and Gary S. Settles. A comparison of three quantitative schlieren techniques. Optics and Lasers in Engineering, 50(1):8 17, 2012. doi: doi:10.1016/j. optlaseng.2011.05.012. [17] Landon Baur and John Tapee. Background oriented schlieren. Technical report, Purdue University, 2008. [18] H. Richard and M. Raffel. Principle and applications of the background oriented schlieren (BOS) method. Measurement Science and Technology, 12(9):1576, 2001. doi: doi:10. 1088/0957-0233/12/9/325. [19] G. Meier. Computerized background-oriented schlieren. Experiments in Fluids, 33(1): 181 187, 2002. doi: 10.1007/s00348-002-0450-7. 22
[20] Adrian Martínez-González, J.A. Guerrero-Viramontes, and David Moreno-Hernández. Temperature and velocity measurement fields of fluids using a schlieren system. Applied optics, 51(16):3519 3525, 2012. doi: http://dx.doi.org/10.1364/ao.51.003519. [21] N.M. Skornyakova, E.M. Popova, B.S. Rinkevichyus, and A.V. Tolkachev. The investiga- tion of heat transfer by background oriented schlieren method. In 12th International Symposium on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, pages 1 11, 2004. 23