Βαθμονόμηση πνευματικού αισθητήρα πέντε οπών σε αεροδυναμική σήραγγα ελεύθερης δέσμης

Abstract

Pneumatic probes are still a useful tool when investigating flow fields within thermal turbomachines, cascades or any other aerodynamic facility. Five-hole pressure probes can be used for three-dimensional flow studies. The pressures sensed at the probe holes are used for the estimation of the velocity and direction of the flow in an indirect manner.

Prior to the measurement in the turbomachine, the probe has to be calibrated according to the expected values of the velocity and direction. An open jet wind tunnel is used for this calibration task. The pressure probe is positioned at a number of predefined angular settings in a free jet with constant velocity and low turbulence intensity. After the calibration task, some calibration coefficients are obtained from the measured pressures at the probe sensing holes.

Among the factors influencing the calibration of pressure probes, the head geometry and the Reynolds number are the most important ones. Furthermore, the behaviour of the probe depends on the Mach number as well as the turbulence intensity.

The scope of the present diploma thesis is the investigation of the influence of various head geometries and Reynolds numbers on the calibration coefficients of five-hole pressure probes. Special attention has been paid in the planning, execution and evaluation of experiments in the free jet wind tunnel of the Institute of Thermodynamics and Energy Conversion of the Vienna University of Technology (T.U. Wien). The five-hole probe head geometries available in the institute and their main characteristics are described in this work. Each probe has its specific advantages and disadvantages concerning the application in components of turbomachines.

In addition to the experimental calibration, simple analytical expressions have been deduced for the estimation of the calibration coefficients, at least qualitatively.

The results of the present investigation should supply the framework for the proper selection of five-hole pressure probe geometry for the application in turbomachinery components.

Οι πνευματικοί αισθητήρες αποτελούν ένα χρήσιμο εργαλείο κατά τη μελέτη του πεδίου ροής σε θερμικές στροβιλομηχανές και σε αεροδυναμικές εφαρμογές. Οι πνευματικοί αισθητήρες πέντε οπών χρησιμοποιούνται για μελέτη της ροής σε τρισδιάστατο επίπεδο. Η μετρούμενη πίεση στις οπές του αισθητήρα χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της ταχύτητας και της διεύθυνσης της ροής με έμμεσο τρόπο.

Της διαδικασίας μετρήσεων στις στροβιλομηχανές, προηγείται η βαθμονόμηση του αισθητήρα σύμφωνα με τις δεδομένες τιμές της ταχύτητας και της διεύθυνσης της ροής. Κατά τη διαδικασία της βαθμονόμησης χρησιμοποιείται μια αεροδυναμική σήραγγα ανοιχτού κυκλώματος. Ο αισθητήρας τοποθετείται σε προκαθορισμένες θέσεις συγκεκριμένης γωνίας μπροστά από την αεροδυναμική σήραγγα, με ροή σταθερής ταχύτητας και χαμηλή ένταση της τύρβης. Από τις μετρούμενες πιέσεις στις οπές του αισθητήρα προκύπτουν οι συντελεστές βαθμονόμησης.

Οι σημαντικότεροι παράγοντες που επηρεάζουν τη βαθμονόμηση των αισθητήρων είναι η γεωμετρία της κεφαλής του αισθητήρα και ο αριθμός Reynolds. Επιπλέον, η συμπεριφορά του αισθητήρα εξαρτάται από τον αριθμό Mach καθώς επίσης και από την ένταση της τύρβη

Αντικείμενο της παρούσας έρευνας αποτελεί η μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας διαφόρων κεφαλών του αισθητήρα πέντε οπών και του αριθμού Reynolds στους συντελεστές βαθμονόμησης. Ιδιαίτερη προσοχή έχει δοθεί στο σχεδιασμό, την εκτέλεση και την αξιολόγηση του πειράματος που διεξήχθη στην αεροδυναμική σήραγγα του εργαστηρίου του Τομέα Θερμοδυναμικής και Μετατροπής Ενέργειας (Institute of Thermodynamics and Energy Conversion) του Πολυτεχνείου της Βιέννης (T.U. Wien). Οι αισθητήρες πέντε οπών που διατίθενται καθώς και τα κύρια χαρακτηριστικά τους περιγράφονται αναλυτικά. Κάθε τύπος αισθητήρα παρουσιάζει συγκεκριμένα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις μετρήσεων στα εξαρτήματα των στροβιλομηχανών.

Επιπλέον της πειραματικής βαθμονόμησης, χρησιμοποιούνται απλές αναλυτικές εξισώσεις για τον υπολογισμό των συντελεστών βαθμονόμησης, από θεωρητικής άποψης(streamline projection method).

Το πόρισμα της εργασίας παρέχει το πλαίσιο επιλογής αισθητήρα με την κατάλληλη γεωμετρική κεφαλή για την πραγματοποίηση μετρήσεων σε εξαρτήματα στροβιλομηχανών.

Η διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στο Πολυτεχνείο της Βιέννης το χρονικό διάστημα Μάρτιος- Δεκέμβριος 2005, και βρίσκεται στο site του Τομέα Θερμοδυναμικής και Μετατροπής ενέργειας (Intitute fϋr Thermodynamik and Energiewandlung, ITE)στην ακόλουθη διεύθυνση:

http://www.ite.tuwien.ac.at/teaching/bachelor_diploma_theses/finished_bt_mt/EN/# στο Year 2005

ή αλλιώς στη σελίδα

http://www.ite.tuwien.ac.at/typo3conf/ext/user_tuwien_links/download.php?cuid=8157&file=fileadmin%2Ft%2Fite%2FLehre%2FDiplomarbeiten%2F2005%2FChondrokostas.pdf