Создание экспериментального стенда для модельных исследований внутренней аэродинамики помещений методом цифровой трассерной визуализации

ТЕХНОЛОГИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ. МЕХАНИЗМЫ И ОБОРУДОВАНИЕ

УДК 533.6

В.Н. Варапаев, С.А. Дорошенко, С.В. Капустин, Г.В. Орехов, П.С. Чурин

ФГБОУ ВПО «МГСУ»

СОЗДАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО СТЕНДА

ДЛЯ МОДЕЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ВНУТРЕННЕЙ АЭРОДИНАМИКИ ПОМЕЩЕНИЙ МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ ТРАССЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Представлены результаты работы, выполненной в лаборатории УНПЛ МГСУ. Описана экспериментальный стенд для физических исследований воздушных потоков, возникающих во внутренних строительных объемах разной геометрической формы. Приведены основные параметры установки, принцип действия регистрирующей аппаратуры и ее некоторые характеристики.

Ключевые слова: аэродинамический стенд, аэродинамика, лазерная техника, скоростная видеокамера, обработка экспериментальных данных, скорость, турбулентность.

В настоящее время математическое моделирование стало одним из основных инструментов исследования сложных научно-технических задач, в частности воздушных течений в различных помещениях строительных объемов. Однако численные методы, будучи наиболее доступными для пользователя, не лишены недостатков, в целом ряде случаев численные методы дают погрешность в отдельных зонах области течений. В рассматриваемых задачах в разных областях течения скорости могут значительно отличаться по величине, что затрудняет их описание в рамках одной модели турбулентности. Поэтому для получения достоверных данных расчеты должны быть проверены, в частности с помощью физического моделирования с использованием современных методов визуализации потока воздуха на специальных исследовательских аэродинамических стендах. Такая ситуация характерна для многих внутренних задач аэродинамики помещений.

С этой целью в МГСУ создан экспериментальный стенд для проведения модельных исследований (физическое моделирование) воздушных течений в замкнутых объемах с различными видами вентиляции. Назначение стенда: получение характеристик объемных течений в исследуемых моделях и верификация результатов численного эксперимента. Статья написана по материалам, полученным в рамках выполнения государственного контракта ГК № 16.552.11.7025 от 29.04.2011 г.

Схема стенда (рис. 1) включает саму модель исследуемого помещения 1, аэродинамическую установку 2, обратный канал 3, а также коллектор конфузорного типа (сопло) 4. Длина стенда — 11 м, ширина — 4 м, высота — 2,5 м.

© Варапаев В Н., Дорошенко С.А., Капустин СВ., Орехов Г.В., Чурин П.С., 2012

117

ВЕСТНИК 12/2012

МГСУ_12/2012

Рис. 1. Эспериментальный стенд

Первым объектом исследования воздушных режимов с помощью созданного стенда явилась модель складского помещения, представляющая прямоугольную полую призму, имеющую два щелевых отверстия с противоположных торцевых сторон модели. Габаритные размеры модели: длина — 2010 мм, ширина — 850 мм, высота — 530 мм. Длина входного канала 110 мм, выходного — 280 мм. Чертеж модели с основными размерами приведен на рис. 2.

1600 мм

б

Рис. 2. Модель помещения: а — вид сверху; б — вид сбоку; в — вид с торцевой грани; 1 — стекло

Отверстия, иммитирующие систему принудительной вентиляции, имеют прямоугольное сечение. Их ширина совпадает с шириной модели. Первое отверстие, размером 30*820 мм, является входным для потока и распложено под верхней стенкой, имитирующей потолок. Через второе отверстие, размером 85*820 мм, поток воздуха выходит из модели. К каждому из отверстий прикреплены переходные каналы, имеющие поперечные сечения, аналогичные входному и выходному отверстиям. Потолок модели и боковая стенка выполнены прозрачными из листового стекла толщиной 10 мм. Остальные элементы модели непрозрачны. Фотография модели приведена на рис. 3.

Рис. 3. Модель складского помещения с принудительной вентиляцией

Проточная часть экспериментальной установки замкнута гибким обратным каналом, приведенным на рис. 4. Его использование обусловлено необходимостью формирования равномерного засева потока отражающими частицами (трассерами) при проведении измерений и снижения расхода дорогостоящего материала трассеров.

Рис. 4. Обратный канал

Измерительный стенд оснащен современной измерительной и регистрирующей аппаратурой. В основе работы измерительного комплекса лежат метод трассерной визуализации потока, Р1У-метод и метод лазерного доплеровского измерения скорости потока, реализованного в виде лазерного доплеровского анемометра ЬБЛ. Комплекс позволяет получать 2- или 3-компонентные векторные поля скоростей турбулентных потоков газов (и жидкостей в случае исследования гидравлических задач) [4, 5, 7, 8].

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

Принцип действия Р1У системы основан на использовании излучения видимой части спектра для импульсной подсветки выбранного сечения потока жидкости или газа с возможностью наблюдения и корреляционной обработки света, рассеянного специальными частицами (трассерами), специально вводимыми в поток в определенной концентрации, и движущимися вместе с ним. Поток подсвечивается сформированным лазерным пучком, исходящим из высокоскоростного импульсного лазера с двумя однотипными излучателями. Изображения упомянутых трассерных частиц в освещенном лазером объеме записываются высокоскоростными цифровыми матричными видеокамерами. По смещению изображений на последующем кадре по отношению к предыдущему и известному временному интервалу между этими кадрами (частота лазерных импульсов) для каждой из видеокамер путем компьютерной кросскорреляционной обработки вычисляется скорость потока в исследуемых сечениях. Принципиальная схема работы комплекса приведена на рис. 5.

Поток

Лазер

Видеокамера

Ч

Засэв частиц

Рис. 5. Принципиальная схема работы измерительного комплекса лазерной трассерной визуализации потока Р1У

Принцип действия ЬБЛ в статье не приводится, так как этот ме- тод бесконтактного определения скорости потока жидкости или газа, созданный в 1960-х гг., широко известен и с ним можно ознакомиться в специальной литературе [1—3, 6].

Для корректного определения смещения в потоке частиц (трассеров) предварительно поле зрения каждой из видеокамер (рис. 6) калибруются с помощью специальной калибровочной пластины. Колибровочная пластина помещается в рассматриваемую область с учетом типа данной калибровочной пластины, а, следовательно, геометрических характеристик пластины и нанесенных на нее маркеров, осуществляется переход от оптических размеров, получаемых камерами, к реальным. Данный переход программа, управляющая комплексом, осуществляет автоматически.

Рис. 6. Скоростные видеокамеры на рабочем столе

При исследовании течений с помощью Р1У системы важным этапом является качественный засев исследуемого потока трассерами. Геометрические размеры частиц, их физические свойства, а также правильная концентрация в исследуемой области потока являются необходимыми условиями эффективной работы всей системы.

Специальные частицы, предварительно помещаемые в поток жидкости или газа, являются датчиками скорости. Частицы должны быть достаточно малы для того, чтобы без искажений следовать линиям тока. С другой стороны, частицы должны быть достаточно велики для того, чтобы отражать свет в количестве, необходимом для его регистрации цифровой камерой. В идеальном случае частицы должны иметь нейтральную плавучесть, т.е. иметь плотность, равную плотности жидкости или газа.

Размеры частиц, используемых в экспериментах с использованием Р1У комплексов, могут варьироваться от 100 до 50000 нм. Такие размеры сравнимы с длиной волны лазерного излучения (532 нм), а следовательно, в данном случае должна использоваться теория рассеяния Мие. В проводимых опытах использовалась специальная жидкость (синтетическое масло), которая имеет химическую формулу С26Н5004. Специальная установка, включающая компрессор и насадки, распыляет жидкость до размера частиц, равных примерно 1000 нм.

Важной характеристикой трассерных частиц является значение их гидравлической крупности, т.е. скорость, с которой частица под действием гравитации движется вниз. Данный параметр имеет значение при исследовании течений с малыми скоростями. Методические опыты по определению точного значения гидравлической крупности трассерных частиц в настоящее время продолжаются, но уже сейчас можно предварительно сказать, что примерная скорость оседания равна 0,3...0,15 м/ч. Практически это туман, который не рассеивается в измерительном объеме при нулевой скорости потока часами.

Система механического перемещения позволяет перемещать высокоскоростные камеры и плоскость лазерного ножа одновременно по трем координатам (рис. 7). Скорость перемещения регулируется от 0 до 18 см/мин, при точности 0,1 мм; возможна настройка ускорения. Данная система способна перемещать аппаратуру одновременно по двум осям. Длина рабочего перемещения по X составляет 2,6 м; по У и 2 — 1 м. Каждый модуль оснащен системой контроля местоположения. Синхронизация с компьютером осуществляется через отдельный блок управления.

Рис. 7. Система механического перемещения по координатному полю Х, У и 2

ВЕСТНИК

МГСУ.

12/2012

В заключение приведены некоторые результаты исследования потока в модели: на рис. 8 — линии тока в вертикальной плоскости модели, равноотстоящей от боковых стенок, а на рис. 9 — эпюра скорости потока в среднем (по потоку) сечении модели.

Рис. 8. Линии тока в плоскости измерений

600

-100

V X , м/с

срХ '

Рис. 9. Эпюра осредненной скорости V в плоскости изменения

Библиографический список

1. Бартон Д., Вард Г. Справочник по радиолокационным измерениям / пер. с англ. под ред. М.М. Вейсбенна. М. : Сов. радио, 1976. 392 с.

2. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М. : Наука, 1982. 303 с.

3. Оптические методы исследования потоков / Ю.Н. Дубнищев, В.А. Арбузов, П.П. Белоусов и др. 2003. 418 с.

4. Adrian R.J., Westerweel J. Particle Image Velocimetry. Cambridgeuniversitypress, 2011. 547 p.

5. Durst F., Meiling Am Whitelaw J. H. Principles and Practice of Laser - Doppler Anemometry. AcademicPress, London, UK, 1981, p. 437.

6. Jakimchuk V.I. LDA-technique for slow flows. PARTEC 98: Int. Cong. Part. Tech.: 7th Europ. Symp. Part. Charact., Nuernberg, Germany, 10-12 March 1998, Preprint 1, pp. 275—284.

7. Raffel M., Willert, C., Wereley S., Kompenhans J. Particle Image Velocimetry: A Practical Guide., Springer, 2007. P. 448.

8. Westerweel J. Digital Particle Image Velocimetry — Theory and Application, Delft University Press, 1993. P. 236.

Поступила в редакцию в сентябре 2012 г.

Об авторах: Варапаев Владимир Николаевич — доктор технических наук, профессор кафедры прикладной математики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26;

Дорошенко Сергей Александрович — аспирант кафедры теоретической механики и аэродинамики, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, sad.pochta@gmail.com;

Капустин Сергей Александрович—инженер учебно-научно-производственной лаборатории аэродинамических и аэроакустических испытаний строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337,

г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, kapustin.serge@gmail.com;

Орехов Генрих Васильевич — кандидат технических наук, заведующий кафедрой гидроэнергетики и использования водных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе,

д. 26, orehov_genrih@mail.ru;

Чурин Павел Сергеевич — аспирант кафедры гидроэнергетики и использования водных ресурсов, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, pashok_@inbox.ru.

Для цитирования: Создание экспериментального стенда для модельных исследований внутренней аэродинамики помещений методом цифровой трассерной визуализации / В.Н. Варапаев, С.А. Дорошенко, С.В. Капустин, Г.В. Орехов, П.С. Чурин // Вестник МГСУ 2012. № 12. С. 117—124.

V.N. Varapaev, S.A. Doroshenko, S.V. Kapustin, G.V. Orekhov, P.S. Churin

DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL TEST BED DESIGNATED FOR MODEL STUDIES OF AERODYNAMICS OF PREMISES USING METHOD OF DIGITAL FLOW VISUALIZATION

In the article, the authors present their findings generated at the laboratory of aerodynamic and aero-acoustic testing of structural units of MGSU. The authors provide information about the principle of operation and a brief description of the experimental test bed designated for the physical research of patterns of air flows arising inside building premises of various geometric shapes. The authors also demonstrate the basic parameters of the test bed, the principle of operation of its recording devices and some of its characteristics.

The test bed is designated for the identification of characteristics of three-dimensional flows of models under research and for the verification of results of numerical studies. The measurement bed has advanced measurement and registration units. The management principle is based on the method of digital flow visualization, PIV method and Doppler flow meter implemented in the LDA anemometer. The test stand generates two or three component vector fields of turbulent gas flow velocities. It may be applicable to the study of liquids in case of research of hydraulics-related problems. Some results of the flow study are provided in the article, as well.

Key words: aerodynamic test bed, aerodynamics, laser system, high-speed camera, experimental data processing, velocity, turbulence.

References

1. Barton D.K., Ward H. R. Handbook of Radar Measurement. Prentice Hall, 1969, 392 p.

2. Dubnishchev Yu.N., Rinkevichyus B.S. Metody lazernoy doplerovskoy anemometrii [Methods of Laser Doppler Anemometry]. Moscow, Nauka Publ., 1982, 303 p.

BECTHMK 12/2012

3. Dubnishchev Yu.N., Arbuzov V.A., Belousov P.P. Opticheskie metody issledovaniya potokov [Optical Methods of Flow Study]. Novosibirsk, NGU Publ., 2003, 418 p.

4. Adrian R.J., Westerweel J. Particle Image Velocimetry. Cambridge University Press, 2011, p. 547.

5. Durst F., Melling Am. Whitelaw J. H. Principles and Practice of Laser - Doppler Anemometry. London, UK, Academic Press, 1981, p. 437.

6. Jakimchuk V.I. LDA-technique for Slow Flows. PARTEC 98. Int. Cong. Part. Tech. 7th Europ. Symp. Part. Charact., Nurnberg, Germany, 10-12 March 1998, Preprint 1, pp. 275—284.

7. Raffel M., Willert C., Wereley S., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry: a Practical Guide, Springer, 2007, p. 448.

8. Westerweel, J. Digital Particle Image Velocimetry — Theory and Application. Delft University Press, 1993, p. 236.

About the authors: Varapaev Vladimir Nikolaevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Applied Mathematics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaro-slavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation;

Doroshenko Sergey Aleksandrovich — postgraduate student, Department of Theoretical Mechanics and Aerodynamics, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; sad.pochta@gmail.com;

Kapustin Sergey Aleksandrovich — engineer, laboratory of aerodynamic and aero-acoustic testing of structural units, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; kapustin.serge@gmail.com;

Orekhov Genrikh Vasil'evich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Hydropower Engineering and Water Resources Management; Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; orehov_genrih@ mail.ru;

Churin Pavel Sergeevich — postgraduate student, Department of Hydropower Engineering and Water Resources Management; Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; pashok_@inbox.ru.

For citation: Varapaev V.N., Doroshenko S.A., Kapustin S.V., Orekhov G.V., Churin P.S. Sozdanie eksperimental'nogo stenda dlya model'nykh issledovaniy vnutrenney aerodinamiki pomeshcheniy meto-dom tsifrovoy trassernoy vizualizatsii [Development of an Experimental Test Bed Designated for Model Studies of Aerodynamics of Premises Using Method of Digital Flow Visualization]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 12, pp. 117—124.