Kuumalanka-anemometri virtausmittauksissa

Tässä työssä selostetaan kuumalanka-anemometrin käyttö virtausmittauksissa. Kuumalanka-anemometrilla saadaan mitattua virtausnopeuden ja -suunnan lisäksi nopeusheilahteluja. Mittaustaajuus on tyypillisesti useita kymmeniä tuhansia mittauksia sekunnissa ja signaali on jatkuva. Nykytekniikalla pystytään helposti tallentamaan mittauslaitteistolta saatu viesti tietokoneelle ja muuntamaan se nopeudeksi. Hetkellisten nopeuksien avulla voidaan laskea turbulenttisen virtauksen ominaisuuksia, kuten turbulenssin intensiteetti ja spektri. Kuumalanka-anemometrissa lämmitetään sähköisesti ohutta lankaa, joka on mitattavassa virtauksessa. Langan sähköteho on suunnilleen yhtäsuuri kuin langasta konvektiolla siirtyvä lämpöteho. Tällöin on teoreettisesti mahdollista laskea virtausnopeus lämpötehosta lämmönsiirtokorrelaatioilla. Käytännössä laitteisto joudutaan kuitenkin erikseen kalibroimaan, mutta sähkötehon teoreettista riippuvuutta konvektiosta käytetään hyväksi. Kuumalangan lämmitettävä osuus on tyypillisesti halkaisijaltaan 5 µm ja pituudeltaan noin 1 mm. Sitä käytetään pääasiassa kaasuvirtausten mittaamiseen ja valtaosassa mittauksissa virtausaineena on ilma. Kuumalanka voi olla toteutettu kuumakalvotekniikalla, jossa halkaisijaltaan noin 50 - 70 µm paksuinen kuitu on päällystetty ohuella sähköä johtavalla kalvolla. Kuumakalvoanturin ei tarvitse olla muodoltaan sylinterimäinen, se voi olla mm. kartiomainen tai kiilamainen. Erikoispäällystetyllä kuumakalvoanturilla on mahdollista mitata myös nestevirtauksia. Mitattaessa kaasuvirtauksia kuumakalvon etuna on selvästi parempi kestävyys verrattuna kuumalankaan. Nimitystä kuumalanka-anemometri käytetään yleisesti molemmista anturityypeistä Tämän työn alussa käsitellään sylinterin yli tapahtuvaan virtaukseen liittyvää virtausmekaniikkaa ja lämmönsiirtoa. Anemometrin sähköinen osa, laitteisto ja sen kalibrointi käydään läpi. Langan suuntariippuvuuden laskentaan esitetään tarvittavat yhtälöt. Työssä esitellään kolme laitteistolla tehtyä perusmittausta: anturin kohtauskulman muuttaminen, pyörähdyssymmerisen suihkun nopeuskenttä ja tuulitunnelin rajakerros. Lisäksi esitellään yksi käytännöllinen ja vaativampi mittaus, jossa on mitattu nopeusprofiili radiaalikompressorin diffuusorin loppuosassa.

The use of a hot-wire anemometer for flow measurements is discussed in this thesis. A hot-wire anemometer is capable of recording not only the mean flow velocity magnitude and direction but also the velocity fluctuations. The sampling frequency is to the order of a hundred thousand measurements per second and the signal is continuous. Nowadays it is easily possible to record this signal from the measurement device with a computer and convert it to a velocity. The properties of turbulent flow, such as turbulence intensity and spectra, can be calculated from the instantaneous velocities. In hot-wire anemometry, a thin wire in a fluid flow is heated electrically. The electrical power of the wire is approximately equal to the convective heat transfer from the wire. A theoretical velocity can be calculated from the heat flow rate by using traditional heat transfer correlations. However, in practice the equipment has to be calibrated each time separately. The heated part of wire is typically 5 µm in diameter and 1 mm in length. This type of probe is mainly used for measurements in gas flows and especially for air flows. The hot-wire anemometer probe can also be a hot-film type, which is made of a thin metal film deposited on a cylindrical 50-70 µm substrate. The hot-film probe does not have to be cylindrical, it could also be conical or wedge-shaped. With specially coated hot-film probes it is possible to measure in liquid flows. The main advantage of the hot-film probes in gas flows is their much better durability compared to the hot-wire probes. The term hot-wire is often used for the both probe types. At the beginning of this thesis, the fluid mechanics and heat transfer of flow around a cylinder are discussed. The electrical part of the anemometer is introduced with a practical example. The hot-wire anemometer equipment and its calibration are described. The calculation of the velocity from the anemometer voltage output and the wire position is explained. Three simple measurement cases are given: an inclined hot-wire, an axisymmetric jet and the boundary layer of a wind tunnel. Also a practical measurement is presented, where the velocity field at the end of a diffuser of a radial compressor is measured