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系統識別號 U0026-0812200915373562
論文名稱(中文) 三分量熱線測速儀與校正系統之發展
論文名稱(英文) The Development of Three-Component Hot-Wire Anemometer With Its Calibration System
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 航空太空工程學系專班
系所名稱(英) Department of Aeronautics & Astronautics (on the job class)
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生(中文) 王坤源
研究生(英文) Kun-Yuan Wang
電子信箱 kywang@mail.ncku.edu.tw
學號 p4796114
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-蕭飛賓
口試委員-江志煌
口試委員-許挣強
中文關鍵字 熱線測速儀  三分量速度量測  四線探測頭 
英文關鍵字 3-component velocity measurement  hot-wire anemometer  four-sensor probe 
學科別分類
中文摘要 本研究主要目的是建立一套可同時量測三分量速度之四線式熱線測速設備,並且將所需的校正程序與相關設備整合,以提升三分量熱線測速方法的實用性。四線式熱線探測頭採用Kovasznay型式配置,搭配四組恆溫型熱線測速儀來測量各熱線的有效流速值。速度分量的解算是採用蕭飛賓等人[18]於2004年提出的演算法,以有效流速值定義出方向響應及流速響應函數。經由方向校正程序,紀錄不同流向下的函數值變化,以建立方向與流速函數的查詢表。在實際測量中,即根據查詢表來推算出流速分量。為實現此方法之運用,所需設備除了熱線測速儀之外,尚需有效流速校正、方向校正、數據擷取與分析之設備。在本研究中,完成了具有二軸旋轉功能的校正設備,並且整合小型低速噴流風洞,可分別進行流速及方向校正。校正程序的控制及數據處理均由自行開發的視窗軟體來執行。三分量熱線測速之準確性經由兩階段的實驗來驗證。第一階段驗證於穩定流場中進行,比較速度分量的實際值與測量值。由結果可知,利用單一流速所建立之查詢表,在不同條件下的流速大小與方向之誤差均在可接受範圍內。第二階段驗證在低速平面噴流的不同區域進行,與十字熱線的結果比較。由實驗結果可知,流向速度之誤差極小,但橫向流速的平均值差異較大,展向流速則接近於零,符合平面噴流的特性。本研究所發展的三分量熱線測速設備,已證實可用於低速流場實驗,而且操作程序不會過於繁複,十分具有實用性。在不同流場中,流速大小、速度梯度、紊流強度等因素對於準確性的影響,則需要更進一步的研究來確認。
英文摘要 A three-component velocity measurement system using a four-sensor hot-wire probe is developed in the present study. The necessary calibration facilities, including a low-speed jet tunnel, an automatic 2-axis rotary platform, and a four-sensor probe of Kovasznay type, were all constructed and tested. The data-reduction scheme proposed by Hsiao et. al. [18] is adopted. The direction and speed response functions are defined based on the effective velocities of hot wires. The relations between these functions and velocity components are obtained through the direction calibration procedure, and the required look-up tables are established. The look-up tables are used to calculate the velocity components in the following experiments. In order to realize the application of this scheme, the hot-wire anemometry, calibrations facilities, data acquisition equipments and a computer are all necessary. A calibration facility has been constructed in this study. This facility consists of a two-axis rotating frame and a low-speed jet tunnel. Calibrations for flow speed and directions can be performed by this facility. The procedures of calibrations and the data reductions are operated with a Windows software. The accuracy of the 3-component hot-wire-anemometry system is evaluated in two-stage experiments. In the first stage, the experiments are performed in steady flow. The measured and the actual values are compared. Although the look-up table is established at fixed flow speed, the experimental results at various speed show that the errors are small enough. In the second stage, the four-wire probe is used to measure the velocity distributions of a low-speed plane jet flow. The experimental results are compared with the results of a cross-wire probe. The difference between the streamwise velocity components is very small, but the difference of transverse components is larger. The feasibility of this scheme has been proven. However, the influences of velocity magnitude, velocity gradients, and turbulence levels should be evaluated by additional experiments.
論文目次 目 錄
中文摘要 I
ABSTRACT III
誌 謝 V
目 錄 VI
表目錄 IX
圖目錄 X
符號說明 XIV
第1章 緒論 1
1.1 熱線風速儀 1
1.1.1 基本原理 2
1.1.2 熱線的校正 7
1.2 多分量熱線測速技術 9
1.2.1 二分量 10
1.2.2 三分量 12
1.3 動機與目的 18
1.4 研究流程與論文架構 20
第2章 硬體設備建置 22
2.1 熱線風速儀 22
2.2 熱線探針 23
2.3 校正設備 26
2.3.1 流速校正設備 26
2.3.2 方向校正機構 28
2.4 資料擷取與實驗控制設備 29
第3章 校正與數據處理 31
3.1 有效流速校正 31
3.2 三分量演算方法 33
3.3 方向校正與查詢表建置 34
3.4 速度分量解算 39
3.5 校正與實驗控制軟體建置 42
第4章 測試結果與討論 49
4.1 速度校正 49
4.2 方向校正 50
4.3 流場測試 54
4.3.1 穩定流場測試 55
4.3.2 低速平面噴流測試 58
4.4 未來研究與改進方向 69
第5章 結論 70
參考資料 72
附錄 A 75
A.1 Delaunay三角網格 75
A.1.1 建立初始網格 75
A.1.2網格調整 79
A.2 三角線性內插法(Triangular Linear Interpolation) 82
A.3 雙線性內插法(Bi-linear Interpolation) 84
附錄 B 86
B.1 定溫型熱線風速儀 86


表目錄
表1.1 常用熱線材料性質 2
表2.1 熱線風速儀基本規格 22


圖目錄
圖1.1 熱線測速探針結構 2
圖1.2 定電流型熱線風速儀的電路架構 5
圖1.3 定溫型熱線風速儀的電路架構 6
圖1.4 定溫型熱線風速儀的動態響應曲線 8
圖1.5 作用於熱線探針的速度分量 10
圖1.6 X熱線探針的角度配置 12
圖1.7 已商品化的三線式熱線探針 19
圖1.8 研究流程 21
圖2.1 定溫型熱線風速儀 22
圖2.2 Kovasnay型熱線探針與座標定義 23
圖2.3 實際使用之Kovasnay探針 24
圖2.4 熱線支撐架 25
圖2.5 探針插座製作 26
圖2.6 熱線支撐架末端結構與探針裝置情形 26
圖2.7 流速校正與方向校正設備 27
圖2.8 噴流風洞結構 27
圖2.9 方向校正機構 29
圖2.10 方向校正機構實體 29
圖2.11 資料擷取與實驗控制系統架構 30
圖3.1 典型的定溫型熱線測速儀校正曲線 32
圖3.2 方向查詢表的建置流程 35
圖3.3 等az及等rl曲線對應於函數F13及F24之分布 35
圖3.4 P函數對應於函數F13及F24之等位線圖 36
圖3.5 沿iso-az及iso-rl曲線完成內插,在可用角度範圍內之方向函數 36
圖3.6 臨界方位角及可用方位角範圍 36
圖3.7 Delaunay三角網格 38
圖3.8 速度分量解算流程 41
圖3.9 測量點與最接近的網格點相對位置示意圖 41
圖3.10 基本實驗流程 43
圖3.11 校正與實驗控制軟體架構 45
圖3.12 實驗控制程式的主表單 46
圖3.13 點選樹狀功能表以載入子表單 46
圖3.14 硬體設定對話方塊 47
圖3.15 正交網格化的測量點位置設定 47
圖3.16 測量點位置規劃介面 48
圖4.1 定溫型熱線電路輸入方波之響應電壓 49
圖4.2 典型的定溫型熱線有效流速校正曲線 50
圖4.3 不同方位角與滾轉角下的方向及流速響應函數值 52
圖4.4 等方位角線及等滾轉角線對應於F13及F24函數的分布 52
圖4.5 方位角與滾轉角對應於F13及F24函數的曲面形狀分布 53
圖4.6 流速響應函數P對應於F13及F24函數的曲面形狀分布 53
圖4.7 可用角度範圍內的方位角與滾轉角對應F13及F24函數之分布 53
圖4.8 可用角度範圍內的P函數對應F13及F24函數之分布 54
圖4.9 Fv及Fw函數對應F13及F24函數之分布 54
圖4.10 穩定流場測量結果的流速及角度誤差值 57
圖4.11 低速噴流風洞 60
圖4.12 在x/H=3位置的平均速度與擾動強度分佈比較 62
圖4.13 在x/H=5位置的平均速度與擾動強度分佈比較 64
圖4.14 在x/H=10位置的平均速度與擾動強度分佈比較 67
圖4.15 在噴流中心線上的平均速度與擾動強度演變比較 68
圖A.1.1 初始網格建立流程 75
圖A.1.2 起始三角形的建立 76
圖A.1.3 三角網格頂點與邊的定義與方向 76
圖A.1.4 點位於三角網格外部之判斷方法 76
圖A.1.5 不同狀況下建立新網格之方式 79
圖A.1.6 網格調整流程 81
圖A.1.7 共用邊翻轉及三角形變換 81
圖A.2.1 已知點與內插點在三維卡氏座標系之關係 84
圖A.3.1 使用雙線性內插法的已知點與內插點 85
參考文獻 參考資料
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