Técnica para la medición de la intensidad de...

Por:Julián Obando ArbeláezAlex Mauricio GarcíaArley Johany Cardona Vargas

Técnica para la medición de la intensidad de turbulencia:

Hilo Caliente

Fecha: Agosto 19 de 2016Hora: 16:00-18:00

Aula: 19-314


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Contenido

Objetivo

Fundamentos teóricos

Fundamentos de la técnica

Aplicaciones

Montaje experimental del Grupo GASURE


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Divulgar las técnicas de medición experimentales que ha incorporado el GrupoGASURE en sus investigaciones, con el fin de garantizar el mayor efectomultiplicativo en la apropiación de este conocimiento y de contribuir a laformación de los miembros del Grupo en técnicas de medición de variablescaracterísticas de los fenómenos que investigamos.

• Técnica Schlieren• Diagnóstico láser• Sensor hilo caliente• Manejo de patentes• Diagnóstico en motores• Medidor de flujo sónico• Cámara termográfica y analizador de redes

Objetivo


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¿Para qué conocer la intensidad de turbulencia?

Objetivo

A partir del conocimiento de la intensidad de turbulencia, se pueden fundamentar otros fenómenos de la combustión relacionados:

• Determinar la velocidad de deflagración turbulenta• Diseño de quemadores estables• Diseño de estabilizadores• Diseño de mezcladores• Determinar velocidades de diseño

Los ingenieros necesitan ser capaces de entender y predecir la turbulencia enorden de alcanzar buenos diseños.


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Fundamentos teóricos¿Importancia de la turbulencia?

Equipos de combustión operan en régimen turbulento:• Motores de combustión interna• Calderas• Turbinas a gas

En flujos turbulentos se aumentan las velocidades de combustión, se mejora elmezclado y se aumentan las tasas de liberación de calor.


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Fundamentos teóricos¿Qué es la turbulencia?

Flujo turbulento- Movimiento aleatorio (fluctuante)

Flujo laminar- Movimiento ordenado

Re � ��

��


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1. S. R. Turns, An Introduction to CombustionConcepts and Applications. Singapore, 2000.2. S. McAllister, J.-Y. Chen, and A. C. Fernandez-Pello, Fundamentals of Combustion Processes. 2011,p. 327.

Velocidad como una función del tiempopara un punto fijo en un flujo turbulento[Turns].

Los flujos turbulentos se caracterizan por la inestabilidadaleatoria de varias propiedades de flujo. Para caracterizar uncampo de flujo turbulento se suelen definir propiedadesmedias y cantidades fluctuantes.La media de una propiedad se define tomando un intervalode tiempo de la propiedad sobre un intervalo de tiempo losuficientemente grande

�̅ � 1∆��

��

La fluctuación de una propiedad se define como ladiferencia entre el valor instantáneo de la propiedady el valor medio �! � � � � " �̅La resistencia a la turbulencia se caracterizageneralmente por la intensidad de turbulencia #′

#′ � �!%�̅


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Elemento para producir

turbulencia

Laminar Turbulento

Mecanismo de

mezclado

Aire

Combustible

EFECTO DE LA TURBULENCIA EN EL MEZCLADO


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Fundamentos de la técnica

Para medir la velocidad del flujo se utilizara unasonda de hilo caliente en 1D conectada a unalínea de corriente DANTEC en un módulo CTA.La señal de salida se envía a una computadora através de una tarjeta de adquisición.

Procedimiento de calibración:

El proceso de calibración de la sondaestá controlado por una computadora.Además el sistema se compone de unmódulo (Dantec 90H10) y de unaunidad de flujo. El flujo de aire debetener una presión de 6 a 8 bares. Launidad de flujo proporciona un chorrolibre de baja y alta velocidad.

Cuando la sonda se expone avelocidades conocidas, se graban lasseñales de voltaje, estas señales devoltaje se corrigen por variaciones detemperatura durante la calibración y seobtienen cinco coeficientes paradeterminar la velocidad del flujo:

# � &' ( &)* ( &%*% ( &+*+ ( &,*,


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Fundamentos de la técnicaMediciones hilo caliente

0

5

10

15

20

25

30

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

El hilo caliente proporciona valores de voltaje que se transforman a valores develocidad de acuerdo a los datos de calibración. Las características del flujo seestiman de acuerdo a los datos guardados y al ser procesados de la siguiente forma:

Velocidad media:

#-./01 � 123#0

4

)

Desviación estándar de la velocidad:

#5-6 � 12 " 13 #0 " #-./01 %

4

)

Intensidad de turbulencia:

78 � #5-6#-./01

#-./01 � 11.8885m/s

#5-6 � 4.1668A/B

78 � 4.166811.8885 � 0.35


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Montaje experimental

Montaje experimental para determinar la intensidad de turbulencia. 1. Base del quemador, 2. Cabeza del

quemador, 3. Sonda hilo caliente (1D), 4. Porta probeta, 5. Módulo CTA, 6. Tarjeta de adquisición de

datos, 7. Computador para el análisis de los datos.

TRABAJO 1 – VELOCIDAD DE DEFLAGRACIÓN TURBULENTA


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Aplicaciones

TRABAJO 2 – EFECTO DE LA ADICIÓN DE CARBÓN AL METANO


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Aplicaciones



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Aplicaciones

TRABAJO 3 -EFECTO DE LA TURBULENCIA EN EL MEZCLADO


15

Aplicaciones

TRABAJO 3 -EFECTO DE LA TURBULENCIA EN EL MEZCLADO

100

150

200

250

300

350

2000 3000 4000 5000

C ∆

P

Re

Placa 1 N=4

Placa 2 N=6

Placa 3 N=19

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1000 2000 3000 4000 5000C

∆P

Re

Placa 4

Placa 5

0.25

0.350.45

0.55

0.65

0.75

0.850.95

3000 4000 5000 6000

I TR

[%]

Re

Sin Placa Placa 1 Placa 2Placa 3 Placa 4 Placa 5


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Software


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Software


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SoftwareMedición hilo caliente

Las características del flujo se estiman de acuerdo a los datos guardados y al ser procesados dela siguiente forma:

Velocidad media:

#-./01 � 123#0

4

)

Desviación estándar de la velocidad:

#5-6 � 12 " 13 #0 " #-./01 %

4

)

Intensidad de turbulencia:

78 � #5-6#-./01

Frecuencia (kHz) Nº de DatosVelocidad

media (m/s)

Intensidad de turbulencia

(%)

L escala Integral (m)

T escala integral (s)

5 1500000 1.6561 3.2312 0.0082 0.0049

10 3000000 1.6586 3.2169 0.0079 0.0048

15 4500000 1.6474 3.3028 0.0088 0.0054

20 6000000 1.6584 3.2266 0.0076 0.0046

25 7500000 1.6583 3.2143 0.0074 0.0045

30 9000000 1.6446 3.3068 0.0089 0.0054

Promedio 1.6539 3.2498 0.0081 0.0049

Varianza 3.91E-05 1.86E-03 3.83E-07 1.51E-07

Porcentaje máximo 0.8% 2.8% 18.4% 18.2%

H. Tyagi, R. Liu, D. S.-K. Ting, andC. R. Johnston, “Measurement ofwake properties of a sphere infreestream turbulence,” Exp.Therm. Fluid Sci., vol. 30, no. 6,pp. 587–604, 2006.


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SoftwarePrograma para el hilo calienteE A∆� �

12 "A∑ 8080G-4H-0I)

12∑ 80%40I)

Factor de autocorrelación:

J � 3 E K∆�4H)

0I)∆�

Escala de tiempo integral:

Longitud de escala integral:

L' � #MJ


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Aplicaciones


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