An Experimental Study of the Effect of the Surface Roughness on the Turbulent Boundary Layer

Abstract

Tämän työn alkuperäisenä tarkoituksena oli tutkia pinnankarheuden ja pituussuuntaisen painegradientin yhteisvaikutusta turbulenttiin rajakerrokseen. Sisältö kuitenkin muuttui uuden tuulitunnelin käyttöönotto-ongelmien vuoksi. Työ koostuu tunnelin toimintakuntoon saattamisesta, nopeusprofiilien mittaamisesta sileän pinnan sekä erilaisten karheiden pintojen yläpuolella, paikallisen kitkakertoimen ja ekvivalentin hiekkajyväskarheuden määrittämisestä sekä tulosten analysoinnista.

Tunnelin virtauslaatua paranneltiin käyttämällä hunajakennoa ja trippauslankaa suuttimessa. Mittatilan jälkeen diffuusorissa jo oleva rajakerrospuhallus ohjattiin uudelleen ja keskimmäiseen diffuusoriin asennettiin toinen lisäpuhallus. Myös erilaisia pyörteittimiä kokeiltiin, mutta niillä ei ollut vaikutusta virtauksen laatuun. Virtauksen yhden nopeuskomponentin turbulenssiaste saatiin putoamaan 1,2%:sta n. 0,3%:iin. Tämä johtuu suurimmaksi osaksi tunnelin imuaukkoon asennetusta hunajakennosta.

Nopeusprofiilimittaukset tehtiin kuumalanka-anemometritekniikalla käyttäen yhden nopeuskomponentin U-lankaa. Paikallinen kitkakerroin määritettiin mitatuista nopeusprofileista epäsuorasti käyttämällä Bandyopadhyayn menetelmää. Tämän ohella käytettiin Furuyan menetelmää karheiden pintojen origonsiirtymän määrittämiseksi. Ekvivalentti hiekkajyväskarheus määritettiin Clauserin menetelmällä.

Saadut kitkakertoimet poikkeavat hieman kirjallisuudesta löytyneillä likikaavoilla lasketuista. Origon siirtymä karheimmalle pinnalle oli melkein yhtä suuri kuin sen karheuselementtien fysikaalinen korkeus. Ekvivalentit hiekkajyväskarheudet olivat melkein kolminkertaisia tähän korkeuteen verrattuna.

Työhön sisällytettiin osa samanlaisista mittauksista, joita tehtiin paperikoneissa käytettäville kuivatusviiroille. Niiden avulla saatiin muodostettua yhtälö kitkakertoimelle funktiona ekvivalentista jyväskarheudesta sekä rajakerroksen liikemääräpaksuudesta.

Furuyan menetelmän todettiin olevan erittäin herkkä sovitealueen valinnalle varsinkin karheimman pinnan kohdalla. Menetelmän toimivuutta tutkittiin hieman tarkemmin.