M1
TESTEK
ELLENÁLLÁSTÉNYEZŐJÉNEK VIZSGÁLATA
1.
A mérés célja
A szélnek kitett álló, vagy mozgó (pl.
jármű) szerkezetekre ható erő vizsgálata az áramlástechnikai mérések egyik
fontos területe. A jelen mérés célja modelltestekre ható áramlástani erő meghatározása
méréssel, a mérési adatból a testek ellenállástényezőjének kiszámítása és az
eredmények kiértékelése.
2. A mérőberendezés leírása
A levegőáramot, amelybe a mérendő testeket helyezzük egy mérőkocsival
hozzuk létre. A kocsiból kilépő levegő egyenletes sebességét a kilépőnyílás
előtt elhelyezett konfúzorok és egyenletesítő rácsok biztosítják. A konfúzorban
két nyomáskivezetés kapott helyet, amiken a kifúvó átlagsebességhez kapcsolható
vonatkozási nyomáskülönbség mérhető. A sebesség változtatását – mérőkocsitól
függően – ventilátor fordulatszámának elektronikus szabályzásával, vagy a
ventilátor szívóoldali fojtásával érhetjük el.
A testekre ható erőt egy karos áttételen keresztül meghajtott elektronikus
mérleg segítségével mérhetjük meg.
3. A mérés leírása
3.1. Többféle modell test áll rendelkezésre. Kiválaszthatunk három egyforma
alakú (henger, kúp, oszlop) és méretű, de különböző felületi érdességű testet,
vagy akár egyforma érdességű és alakú, de különböző méretű testet. A mérés
során ezek mellett kötelezően lemérendő test a gömb is.
3.2. A kiválasztott testek méretét méréssel állapítjuk meg és jegyzeteinkbe
az alak és az érdesség jellemzőivel együtt rögzítjük. Feljegyezzük a
mérlegkarok méreteit is, a mérőeszközök típusával, és egyéb adataival együtt. A
mérés, illetve a mért adatokból folytatott számítások során szükség lesz még a
teremben uralkodó hőmérséklet és légnyomás értékére, amelyet a laborban
elhelyezett műszerekről olvashatunk le.
3.3. A mérést három szélsebességnél végezzük el. Ezek megállapításához a
mérőkocsin elhelyezett vonatkoztatási képletet kell felhasználni. A három
sebességet célszerű úgy megválasztani, hogy a mérhetőség és a mérőkocsi
teljesítménye által megszabott 7-20 m/s-ig terjedő tartományt kihasználva,
egymáshoz képest egyenletes beosztást képezzenek (tehát pl. v1=8
m/s, v2=13 m/s és v3=18 m/s).
Miután a vonatkoztatási képlet átrendezésével és a kívánt sebességértékek
behelyettesítésével megállapítjuk a beállítani kívánt vonatkoztatási nyomást
(és minden értéket rögzítettünk jegyzeteinkben), a digitális vagy a görbecsöves
manométert a mellékelt gumicsövek segítségével bekötjük a mérőkocsi oldalán
található konfúzor kivezetési pontokra. Ezt a műveletet célszerű bekapcsolt
ventilátor mellett, a csövek óvatos ráközelítésével végezni, hogy a helytelen
bekötést megelőzzük (így ha ferdecsöves manométert használunk, a
mérőfolyadéknak megfelelő bekötés esetén bekapcsolt ventilátor esetén felfelé
kell elindulnia a manométerben, amennyiben lefelé indul, meg kell cserélni a
csöveket).
A kívánt vonatkoztatási nyomásértékeket a mérőkocsi elején található fojtás
segítségével lehet beállítani (a fojtás áttételéből kifolyólag a kívánt fojtási
szint eléréséhez többnyire viszonylag sok fordulatot kell a szabályozóval
megtenni). A fojtásszabályzó állítása során figyelnünk kell arra is, hogy a
véghelyzetnél tovább ne tekerjük azt, hiszen a nagy áttétel miatt kis
erőkifejtéssel nagy kárt okozhatunk a berendezésben. A mérést célszerű egy
megfúvási sebességnél minden testre elvégezni a sebességtartás folyamatos
ellenőrzésével, és csak azután beállítani az új sebességét.
3.4. A testre ható ellenálláserő mérését úgy tudjuk kellő pontossággal
meghatározni, hogyha ismerjük adott szélsebességnél a mért test által kitakart
áramlás által terhelt mérőkarra ható ellenálláserőt is.
Egy adott test adott sebesség mellett történő mérését így két lépésben kell
elvégeznünk:
a.) A mérendő testet álló ventilátornál felhelyezzük a mérőkarra, az
elektronikus mérleget nullázzuk. Bekapcsoljuk a ventilátort és a mért erő
értéket rögzítjük. Ezzel megkapjuk a vizsgált testre, és a mérőkarra együttesen
ható szélerő értékét.
b.) A testre és karra együttesen ható erő mérését követően, kikapcsoljuk a
ventilátort, és ugyanezt a testet rögzítjük a segédállványra oly módon, hogy a
testet az üresen álló mérőkar elé helyezzük. Az állvány és a test
behelyezésekor ügyelnünk kell arra, hogy a beállítás a lehető legjobban
közelítse azt az állapotot, amikor a test ténylegesen a mérőkaron volt, és hogy
a test, illetve a segédállvány ne érjen a mérőkarhoz. Ezek után a mérleget álló
ventilátornál nullázzuk. Így megkapjuk az adott szélsebességnél, az adott test
takarásában elhelyezkedő karra ható áramlási erőt. A nullázásnál mindég
célszerű a ventilátor kikapcsolása után röviddel a levegőáram elterelése végett
a kiömlő nyílást letakarni, hogy ne kelljen a nullázáshoz a gép teljes
leállását megvárni.
Az általunk keresett – vagyis a tisztán a testre ható – áramlási erőt a két
mért érték kivonásával kapjuk meg. A fenti módon járunk el a többi sebességnél,
és mérendő testnél is.
Tartsuk szem előtt, hogy a mérleg által mutatott erőt a karáttétellel a
számítások során korrigálni kell. A karáttétel meghatározásához a test
felfogatása és a mérőkar tengelye, illetve a mérőkar tengelye és a mérleg
mérőpontja közötti vízszintes távolságot használjuk fel.
1. ábra: Mérőkocsi, mozgatható szélcsatorna
4. A mérési feladat kiértékelése
4.1. A leolvasott és a
számított értékeket (a testre és a karra, illetve csak a karra ható erő, a két
erő különbsége és a számított ellenállástényező) táblázatban rögzítjük.
Az ellenállástényező
kiszámításának képlete:
a testre
ható erő (karra ható erőt levonva, karáttétellel korrigálva)
a levegő
sűrűség (a laborhőmérséklet és légnyomás alapján számolt)
a test
keresztmetszete (a zavartalan áramlás irányára merőleges vetület)
a levegő átlagsebessége
(a kocsin található összefüggésből számolt)
4.2. A számított ellenállástényező értékeket a három választott test (tehát
a gömb nem) jellemző különböző paramétere (érdesség, átmérő, hossz, kúpszög,
stb.) függvényében grafikonban ábrázoljuk. Például, ha három egyforma átmérőjű
hengert választottunk, akkor a számított ellenállástényező értékeket az
érdesség függvényében ábrázoljuk, egyértelműen jelezve, hogy az egyes értékek
mely sebességekhez tartoznak. (Az érdesség esetében nem lehet a mérési pontokat
görbékkel összekötni, mivel a három kialakított érdesség pontos értékét, így
egymáshoz képesti viszonyát nem ismerjük.)
4.3. A számított ellenállástényező értékeket mind a négy testre ábrázoljuk
a Reynolds szám függvényében. A Reynolds szám kiszámításának módja:
Ahol
v [m/s] a
légsugár sebessége
a
jellemző méret (a hengereknél és a gömbnél az átmérő, egyéb testeknél a
mérésvezető oktató által kijelölt jellemző)
a levegő
kinematikai viszkozitása (Leolvasható a megállapított teremhőmérséklet
függvényében a tanszéki honlapon az oktatás/laboratórium-mérések/Diagrammok,…
menüpontban található grafikonról, vagy a tankönyvben található képlet
segítségével a hőmérséklet függvényében kiszámolható. A leolvasásnál ügyelni
kell rá, hogy a viszkozitás értéke levegő esetében 10-5
nagyságrendű.)
4.4 Hibaszámítás készítése és az értékeke ábrázolása diagramban a
mérésvezető oktató által meghatározott mennyiségre a tanszéki honlapon is
megtalálható, illetve ezen útmutató végén található hibaszámítási segédlet
alapján. Az eredményeket ábrázoló diagramok készítésekor a mennyiségeket és
azok bizonytalanságát (hibaszámítás) együtt célszerű ábrázolni.
Az ellenállástényező kifejezése, az abszolút hiba számítása: a relatív hiba:
ahol az Xi mért mennyiségek és a hozzájuk kapcsolódó mérési hibák:
X1=Fe, illetve az erőmérés hibája dFe= 0,02N
X2=p0, illetve a nyomásmérés hibája dp0=100 Pa
X3=T0, illetve a hőmérsékletmérés hibája dT0= 1K
X4=Dh, illetve a ferde-
v. görbecsöves manométer leolv. hibája dDh=
X5=DhBetz, illetve a Betz-rendszerű manométer nyomásmérés hibája dDhBetz=0.0001m
X6=Dp, illetve a EMB-001 típ. digitális nyomásmérő hibája dDp=2Pa
Az Xi mért mennyiségek
és a hozzájuk kapcsolódó mérési hibák:
X1=Fe, illetve az erőmérés hibája dFe= 0,02 N,
ahol figyelembe kell venni, hogy az ellenállás-tényező számításakor az eredő
erővel dolgozunk, amit két mérési hibával terhelt erő különbségeként kapunk.
Ezeket az erőket a műszerről leolvasott érték és a karáttétel alapján
határozhatjuk meg, így a képletbe helyettesített hiba, az erőmérés hibája nem
triviálisan a műszer hibája.
X2=p0, illetve a nyomásmérés hibája dp0=100 Pa
X3=T0, illetve a hőmérsékletmérés hibája dT0= 1K,
dDhdig=2Pa ha digitális nyomásmérő
műszert használunk.
Érdekességképpen és a várható nagyságrendek ismertetésére érdemes
áttekinteni néhány jellemző geometria ellenállástényezőjének alakulását:
A mérés
során nem szabad megfeledkezni
-A mérőberendezés bekapcsolása előtt, illetve általában a
mérőberendezés üzeme során mindig meg kell győződni a balesetmentes használat
feltételeinek teljesüléséről. A bekapcsolásról, illetve a mérés közben
végrehajtott változtatásokról a berendezés környezetében dolgozókat
figyelmeztetni kell.
- Minden mérési alkalommal a légköri nyomás és
teremhőmérséklet feljegyzéséről!
- A felhasznált mérőműszerekről leolvasott értékek
mértékegységének és a rájuk vonatkozó egyéb tényezők (Például a ferdecsöves
mikromanométer mérőszál ferdítési tényezője.) feljegyezéséről.
- A felhasznált mérőműszerek típusának, gyártási számának
és a benne lévő mérőfolyadék sűrűségének feljegyezéséről!
- A mérőműszerről leolvasott mennyiségek és a további
számításoknál felhasznált mennyiségek mértékegységének egyeztetéséről.
- Az "U-csöves" nyomásmérő elvén működő
mikromanométerek csak megfelelően vízszintezve használhatók.
- Ha nem digitális nyomásmérő kézi-műszert alkalmazunk,
akkor a nyomásmérő bekötésénél figyelmesen kell eljárni a csatlakozók
"+" illetve "-" ágának és a méréshatár kiválasztásánál.
Általában mindegyik manométer típusnál, de kiemelten a ferdecsöves
manométernél, figyelni kell arra, hogy a nyomásmérő csatlakozó csonkjaira a
gumicsövet óvatosan, "ráközelítve", a mérőfolyadék szál viselkedését
figyelemmel kísérve kell felhelyezni. Ha a bekötőcsövek tömör rögzítése előtt a
mérőfolyadék szál kitérése megközelíti a maximális kitérést, akkor (ha lehet)
méréshatárt kell változtatni a műszeren. Ha ez nem segít, akkor nagyobb
nyomások mérésére alkalmas műszert kell választani a méréshez. Ellenkező
esetben a mérőfolyadék egy része a bekötőcsőbe áramlik meghamisítva, esetleg
teljesen lehetetlenné téve a mérést.
- A nyomásközlő gumi, vagy szilikon csöveket mérés előtt,
esetleg közben is célszerű ellenőrizni, nehogy repedés, szakadás legyen rajtuk,
mert lyukas mérőcső esetén az összes addigi mérési eredmény kárba vész. Az
ellenőrzést szemrevételezéssel, vagy nyomástartási próbával végezhetjük el.
Kritikus pontok a műszerekre ill. a nyomáskivezetésekre történő
csatlakoztatás helyei.
Irodalom
[1] Lajos Tamás: Áramlástan alapjai