MISKOLCI EGYETEM DOKTORANDUSZOK FÓRUMA Miskolc, 2010. november 10. GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR SZEKCIÓKIADVÁNYA
Kiadja a Miskolci Egyetem Innovációs és Technológia Transzfer Centruma Kiadásért felelős : Dr. Dobróka Mihály rektorhelyettes Szerkesztette: Vadászné Dr. Bognár Gabriella dékánhelyettes Nyomda: ME Sokszorosító Üzeme Ü zemvezető : Kovács Tibor Nyomdaszám: ME. Tu-991201 I.
HÖMÉRSÉKLETMEZÖ MEGJELENÍTÉSE BOS MÉRÉSTECHNJKÁ VAL Bencs Péter', Bordás Róberr, Szabó Sziltírtf, Domin iq Ile T"éveJ/iJ/~ 1.2doktorandusz 3'~professz or egyetemi tanár I.3Miskolci Egyete/ll,.4rc;mltis- és HŐ/~c/':nikai Gépek Tans=éke :;.4 University ofmagdebllrg " Orto-von-Gllericke ", lnsrilute of Fluid Dynalllics and Thermodynam ics, Németország l, BEVEZETÉS Fűtött prizmatikus testek körüli áramlás vizsgálata alapkutatas szinten mind a mai napig aktllális, A sebességmező mérésére már több eljárast fejlesztettek ki. A hőmérsékletmező vizsgálata viszont még mindig igen összetett feladat, kész megoldások nem ismertek. A Kármán örvénysol' kísérleti és szimulációs módszerekkel történő vizsgálata ezért napjainkban is meghatározó. Jelen kutatási feladatunk fó célja, hogy az elektromosan fűtött henger mögött kialakl.lló örvénysor sebesség és hőmérséklet adatait időben egyszerre képesek legyünk meghatározni. A Schlieren méréstechnika tejlesztése és alkalmazása széles történelmi háttérrel rendelkezik [1-3]. A Schlieren mérésteclmikát kezdetekben a szuperszonikus lökéshullám vizsgálatára használták, napjainkban a ü:lhasználási teliilet egyre jobban szélesedik (hőmérsékletmező meghatározás, koncentrációváltozás detek'1álása) [1]. A méréstechnika kétdimenziós áramlások során megbízhatóan alkalmazható, ezért a kísérletek alacsony Reynolds szám mellett (Re < 200) történtek (az áramlás közelítőleg kétdimenziós) [3,4]. A kutatás során a kialakuló sebességmező meghanirozására PIV (Particle Image Velocimetry) mérésteclmíka, míg a hőmérsékletmező meghatározására BOS (Background Oriented Schlieren) méréstechnika keriilt alkalmazásra. Vizsgálataink töktlszpontjában a két technika együttes alkalmazása, lehetőségének megteremtése állt. A kísérletek egy zárt rendszelií Göttingen-típusú szélcsatornában történtek. 2. BACKGROUND ORIENTED SCHUEREN MÉRÉSTECHNIKA ELVE ABOS (Background Oriented Schlieren) méréstechnika felépítése egy mérési háttérből (véletlen elhelyezkedésű pontokból álló háttér) [3] és egy a háttén-e és a mérő térre fokuszált kamerából áll. A pontok rnéretét aszerint célszerü megválasztani, hogy minden egyes pomra körülbelül 2-3 pixel jusson (a kamera CCD chip tulajdonsága alapjan számítható). A mérések során szükséges legalább egy megtelelő referenciakép elkészítése. A referenciakép esetén a mérőtérben még nincs sürüségváltozást okozó jelenség (hőmérsékletváltozás vagy gáz koncentrációváltozás). Fontos megemlíteni, hogy a kamera és háttér közötti optimális távolság megválasztása elengedhetetlen il pontos méréshez. A tervezésnél elsődleges szempont, hogya kamera egységet olyan távolra kell elhelyezni a mé.. ötéltől és a háttértöl, hogya mérőtér és a háttér egyszen-e fókuszálható le!:,'yen (nagy lökusztávolságú lencse alkalmazása), A mérési tapasztalatok alapján megállapítható, hogyabos technika is, mint minden optikai méréstechnika érzékenyen reagal a környezeti fé nyhatásokra, 13
így a mérési környezetet célszerű el~iilön,íteni a lehetö legtöbb kömyezeti fényhatástól. A BOS mérési elv az I. ábrán latljato. ElmozdUl' y Z. l. ábra BOS méréstechnika elve Sííriíségváltoz3s nélküli közeg esetén (referenciakép) a háttér egy pontja a zöld vonal mentén képezödik le a kamera CCD chipjére. Amikor a mérőtérben eb'y "Schlieren tárgy" miatt sűriíségváltozás lesz, akkor ugyanaz a pont eltolódva kepzödik le a kamera CCD chipjén, mert a mérőtérben a fény útja eltérül (eltérülés szöge: ll) és a piros szaggatott vonal mentén halad. A két kép közötti elmozdulásból ( 4v) számítható a hőmérsékletváltozás, mivel az elmozdulás optikai feldolgozás esetén meghatározható. Ezen elv alkalmazására a legegyszerűbb módszer a PIV (Particle Image Velocimetly) rendszer alkalmazása, mivel a rendszer a sebességmérés esetén szintén elmozdulásból számol sebességet. A PIV rendszer hömérsékletmérés esetén képes megállapítani a referencia kép (sűrűségváltozás nélküli közeg), valamint a tényleges mérés (siíriíségváltozás) során rögzített kép közötti elmozdulást. Az elmozdulást ebben az esetben nem a sebesség okozza, hanem a süriíségváltozás miatt kialakult fénytörés (hasonlóan, mint a délibáb esetén). Az elmozdulást a referenciakép és mérés során készített képek keresztkoitelációjából határozzuk meg. A kétdimenziós áramlás miatt az elmozdulás vej...-torokból megállapítható a hömérsékletváltozás. Az (I) egyenletben jól látható a kapcsolat a fénytörés szöge (6') és az elmozdulás között (d) (l) ahol a h egy konstans (a pixelben kifejezett elmozdulás és a mm-ben kifejezett elmozdulás között konverziót fejezi ki) és z/l a háttér és "Schlieren tárgy" közötti távolság. A süriíség gradiens és a fénytörés közötti összefiiggést a (2) egyenlet mutatja (2) ahol W a "Schlieren tárgy" szélessége. A K változó a Gladstone-Dale konstans ami a sűrűség (p) és a fénytörés mutató (n) közötti kapcsolatot mutatja ((3) egyenlet). 14
1I=I+K p (3 ) A kétdimenziós háttér orientált Schlieren mérési technika nem igényel kalibrációt, csak néhány pontos mérést igényel. A mérési eredményekből egyszerüen meghatározható a sűrűség gradiens. 3. A MÉRŐRENDSZER FELÉPÍTÉSE A következőekben részletesen bemutatásra keni! a szélcsatoma, a fűtött henger, a PIV/BOS mérés és a triggerelés. A triggerelés fontos szerepet játszik a hőmérsékle tmező és a sebességmező szinkronalizációjában. Lézersik CTA-szonda Kamera 1. ábra Mérőrendszer A mérések e!:,'y zárt rendszerü szélcsatomában történtek. A mérőtér dimenziója: 500x600 mm és az áramlás sebessége 0.3 mis volt. A mérőtér lezárása üveglappal történt mindkét oldalon (mindkét üveglapon turat tahiiható a fűtött rúd átvezetésére). A fűtött rúd átmérője 10 mm. amelynek tápellátását egy toroid trafó szolgálta~ja (egyben a Ilőmérsékletszabályozást is ellátja). A hömérséklet mérésére egy beépítelt hőel.em szolgált. Az áramlás se bességéből. fütött rúd átmérőjéből és a referencia hőmérsékleten számított viszkozitásból meghatározható a Reynolds szám (Re=IOO) [2]. A PiV mérés és abos mérés is egy gyári 2D-PiV rendszerrel történt. A rendszerhez csatlakozott még egy Mini-CT A rendszer is. ami a triggereléshez szükséges infoflnációkat szolgáltatta. A CTA (Constant Temperature Anemometry) az örvények hötartalmát méri, vagyis akkor szolgáltat kapcsoló jelet a PIV rendszer számára. amikor az örvény középpontja eléri a szondát. Így II rendszer csak akkor készit felvételt, amikor a szonda örvényt érzékel. 15
..J A PIV mérés sordn 3 11m átmérőjű olaj részecskéket használtunk. míg a mérési sík megvilágítására a dupla pulzáló lézer szolgált. A feldolgozás és kalkuláció során 32:d2 pixel mére tű iterációs ablakot alkalmazwnk, átlapolásra nem volt szükség [5,6J. A 80S mérések olaj részecskék nélkül történnek, valamint a háttér és mérési tér közöttí távolság 1,5 m volt. 4. MÉRÉSI EREDMÉNYEK A PIV és BOS mérések során meghatározott sebességmező és hőmérsékletmezö nyers képeit a 3. ábra mutatja. A képenjóllátbató él CTA szonda is. 3. ábra PIV és a BOS nyers képek A 3. ábra a mérés során készült nyers képek láthatók, amik a mérés után feldolgozásra, valamint az eredmények exportálásra (ASCII fonnátumba) kerülnek. Az exportált eredmények Matlab@ programmal történő feldolgozás utáni eredménye a 4. ábrán I.átható. Temp6f8WrG lil.ld "'111'1 vé»cll)o Vec:lors IKI refl1pefa;:j1.tleód -w:{l'i Vi-~/-..ernn 4Q~:~~~~~~.~~.:~~;;~~:?;:l 050 ~.. o.;o uo 100 20 ~ ",O!.iJ 90 li -ooorá.,..ci~' (mm] A-~OIn,,;.t $.{1fIn11 4. ábra A fíítött rúd (573 K) körüli hőmérséklet- és sebességmező megjelenítése Az eredmények alapján megállapítható. hogy az adott mérési eljárással lehetséges egy rendszerrel PIV és BOS felvételeket is készíteni. A 4. ábrán látható. hogya hömérséklet és sebesség mező között bizonyos mértékű eltérés tapasztalható. Ennek oka a triggerelésre használt jelben keresendő, acta szondával történő PIV és BOS szinkronizáció még nem kellöen pontos. A mérési eredmények viszont igazol ták, hogy lehetséges a sebesség- és hőmérsékletmezö i dőben egyszene tőrténö meghatározása. A pontos megvalósításhoz viszont további kísérletek szükségesek [5,6J. 16
5. REAL-TIME MÉRÉS LEHETÖSÉGÉNEK ELEMZÉSE Az előző eredmények alapján a követke z ő fontos lépés, hogy meghatározzuk vajon a BOS méréstechnika mennyire érzékeny a PIV mérés során használt olujködre. A következő fejlesztési elképzelések szerint ub'yanis a PIV és BOS mérések időben egyszen'e történnének. Ennek egyik legfontosabb fe ltétele, amit vizsgálni kell, hogyabos méréstechnika alkalmazható-e olaj köd esetén is. A következő ábra (5. ábra) mutatja 373,15 K hőmérséklet mellett készített "nyers" BOS felvételeket (köd nélkül és köddel). 5. ábra BOS nyers képek (baloldalt köd nélkül, jobb oldalt köddel) Az összehasonlító hísztogramok alapján (6. ábra, 7. ábra és 8. ábra) egyértejmüen kijelenthető. hogy megfelelő PIV felvételek készítéséhez elegendő olaj részecskéket tartalmazó mérőtér esetén is megfelelő BOS felvételek készíthetők, mert a köddel és anélkül készült hisz!ogrumok gyakorlatilag egybeesnek. :1.. " "L ": /-.. rr==:;: :1 1"4; l ot.:''''''''~ :; '''' '.<I~ "",)'fi, ';:fa rt hw/ll Vi/r..."",.t / / /./ 6. ábra BOS eredmények összehasonlítása (köd nélkül és köddel) 373.15 K :f- - :!~~~~f~;;~:~'w:::'.;.~!~~'.'~~:~:~ C<l'l~.. ~, \... I \ :~[ / "'".- J 7, ábra BOS eredmények összehasonlítása (köd nélkül és köddel) 473,15 K :f-~'c~ " ~?:7.c=j :t_.,,~. -.-_.-J 8. ábra BOS eredmények összehasonlítása (köd nélkül és köddel) 573,15 K 17
6. KÖVETKEZTETÉS Az eredmények irállymutatást adnak a következő fejlesztési lépések irányába. Elsődleges cél a PIV és BOS méréstechnika időben egyszelte töl1énő alkalmazása, amelyre az 5. fejezetben elvégzett mérések eredményei jó esélyt mutamak. A fejlesztés következő lépcsője abos mérés mellett lehetővé tenni a megte l elő PIV felvételek készítését. Eddigi tapasztalatok alapján az "aktív" háttér kidolgozása nyújt lehetőséget a probléma megoldására. Az ~lktív háttér azt jelenti. hogyabátteret nagy sebességgel változtat juk a mérési elvhez iueszkedőre (BOS - véletlen pont háttér erős megvilágításball, PIV - fekete hattér). A vázolt fejlesztések eredményeként a PIV és BOS technika együttes alkalmazásával megoldható a sebesség- és hömérsékl etmező e/;,'yidöben tö 11énő megbatározása. 7. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A szerzők köszönetüket fejezik ki az NKTH-OTKA (68207) és a Magyar Német együttmüködési program P-MÖBi386-nak a kutatás támogatásért. IRODALOMJEGYZÉK [1] SETTLES, G. S.: Schlieren a nd ShHdowgraph Techni()ues: VisuHlizing Phenom ena in TranSpHrent Media, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 2001. [2] BENCS, P.. BORDÁS, R., ZÁHRINGER, K., SZABÓ. Sz., THÉVENIN, D.: T owards the Application of a Schlieren Measllrcment T echniqlle in a W ind-t unnel, Micro CAD lntematiollal Computer Science Conference, Miskolc, l'hmgary, 2009, pp. 13-20. [3] BAUR, L., és J. TAPEE. Background Oriented Schlieren. Final rep0i1, Purdue University, 2008. [4] KLINGE, F.. T. KlRMSE, és J. KOMPENI-lANS. Application of QUHntitative Background O riented ScllIiercJl (BOS): InvestigatioJl of a \"'ing T ip Vor tex in H T ransonic Wim) T unne1. Proceedings of PSFVIP-4. F 4097 (2003). [5] BENCS P.. BORDÁS R., ZÁlJRINGER K., SZABÓ Sz., THÉVENIN D.: Applicatioll of Schlierell M easu rement Technique for Forced Convection from a Heatcd C ij-cular Cylinder. 7th International Conference on Mechanical Engineering 20 l O, Budapest, Hu ngary, No. E. 203-208. ISBN 978-963- 313-007-0. [6] BENCS P., SZABÓ SZ.. BORDÁS R., THÉVENIN D., ZÁHRINGER K. and WUNDERLICH B.: Investigation of thc Velocity (P IV) and Temperature Field (BOS) of a Heated C)'linder in a Low Re-number Flow. In ISFV 14-14'" InternaLÍonal Symposium on Flow Visualization. Eds. Kyung Chun Kim, Sang Joon Lee, Deog Hee Doh and Heuy Dong Kim. 2010. EXCO, Daegu, Korea. p. 234i l-234i8, ISBN 978-89-964504 18