SE456861B

SE456861B - Hydrodynamic appts. illustrating currents in fluids

Info

Publication number: SE456861B
Application number: SE8401150A
Authority: SE
Inventors: Jonas Hansen
Original assignee: Jonas Hansen
Priority date: 1984-03-01
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1988-11-07
Also published as: SE8401150D0; SE8401150L

Abstract

Water in a pipe circuit (1) is set in motion by a pump (2) to form a current with adjustable speed in a testing tunnel (3) with rectangular cross-section. The water speed can be regulated by fluid being pumped upwards from a compensation tank (5) into an open vessel (6) with an overflow edge (7). During use of the testing equipment, water is allowed to run over the edge and back to the compensating tank (5). Water is conducted to the testing tunnel (3) from the open vessel (6) placed in such a position that the height of the vessel open surface (8) above the open surface (9) of the compensating tank is such that the required flow speed is obtained. The testing tunnel is of transparent material such as plexiglass, and contains a test object (4) around which it is required to study the flow pattern, and the rotor with a shaft (11) closed at one end to which six tubular arms (12) are soldered in pairs. When the rotor is rotated by a motor (15) at adjustable speed, a vacuum is created at the rear ends of the arms, so that through the rotor shaft open end (13) air is aspirated to form bubbles in the water behind the rotor arms. The amount of aspirated air can be adjusted by a needle valve (16) in the rotor shaft open end.

Description

456 861 10 15 20 25 30 35 Problemet löses med anordningen enligt uppfinningen, som består av en rotor innefattande en ihålig axel med ena änden i atmosfären och vid axeln fästade rörformiga armar vars håligheter har för- fax bindelse med axelns inre. Genom att låta rotorn roteras vid en vattentunnel i vattenströmmen ett styckeuppströmsprovningsföre- målet och vid en provningstank t ex i vattnet under föremålet, alstras på grund av armarnas hastighet i vattnet ett undertryck på varje arms sido- och bakkantsytor. Finns det öppningar i armarna vid dessa ytor, sugs från atmosfären genom axeln och armarna till under- trycksområdena luft som där bildar bubblor. 456 861 10 15 20 25 30 35 The problem is solved with the device according to the invention, which consists of a rotor comprising a hollow shaft with one end in the atmosphere and tubular arms attached to the shaft whose cavities are prefabricated with the interior of the shaft. By allowing the rotor to rotate a piece upstream test object at a water tunnel in the water stream and at a test tank, for example in the water under the object, a negative pressure is generated on the side and rear edge surfaces of each arm due to the speed of the arms in the water. If there are openings in the arms at these surfaces, air is sucked from the atmosphere through the shaft and the arms to the negative pressure areas which form bubbles.

Bubblornas antal och storlek kan varieras dels genom att med en ventil vid axelns öppning ändra på luftens ingångsmotstånd och dels genom att ställa om rotorns rotationshastighet. Prov pekar på att man vid ökning av rotationshastigheten erhåller ett större antal bubblor med mindre storlek. Vid en minskning av ingångsmotståndet däremot erhål- ler man också ett större antal bubblor, men dessabubblorfår i stället större storlek.The number and size of the bubbles can be varied partly by changing the input resistance of the air with a valve at the opening of the shaft and partly by adjusting the rotational speed of the rotor. Tests indicate that by increasing the rotational speed, a larger number of bubbles of smaller size is obtained. With a reduction in the input resistance, on the other hand, a larger number of bubbles is also obtained, but these bubbles instead become larger in size.

Dessutom föreslås enligt uppfinningen att rotorn vid användning i t ex en vattentunnel har sin rotationsaxel placerad huvudsakligen vinkelrätt mot strömningsriktningen. Härigenom erhålles förutom en enklare konstruktion av anordningen, som härvid inte behöver förses med någon vinkelväxel i vattenströmmen, också en jämnare fördelning av bubblorna _över vattenströmmens hela tvärsnitt.In addition, according to the invention, it is proposed that the rotor, when used in, for example, a water tunnel, has its axis of rotation placed substantially perpendicular to the direction of flow. In this way, in addition to a simpler construction of the device, which in this case does not need to be provided with any angular gear in the water flow, a more even distribution of the bubbles over the entire cross section of the water flow is also obtained.

Innan orsakerna till den bättre fördelningen med tvärställd rotor be- handlas, bör man något beröra bubbelbildningen vid en rotor med axeln parallell med strömriktningen. Rotorn tänkes ha endast en arm vars av rotationen orsakade hastighet genom vattnet är stor i förhållande till Undertrycket vid armens öppningar ökar Bubbelbildningen blir vattnets strömningshastighet. kvadratiskt med avståndet från rotorns axel. därför liten nära rotorns centrum men ökar starkt mot armens ände. Även om detta gäller speciellt när hålen är Lika stora och jämnt för- .lata delade längs armen, hindrar den starka ökningen av bubbelbildningen mot armens ände, att en jämn fördelning av bublorna över hela tvärsnitts- ytan åstadkommes genom ändring av hålens storlek och fördelning. Ty med en sådan ändring blir bubblorna inte längre homogena. 10 15 20 25 30 35 456 861 Om däremot rotoraxeln placeras vinkelrätt mot strömriktningen, sveper armens yttersta hål, som avger de flesta bubblorna, även över de centrala delarna av tunnelns tvärsnitt. I ett horisontellt skikt av vattenströmmen, som genomfars av armen, tillbringar dessa hål vis- serligen längre tid i de yttre delarna av skiktet som strömmar nära tunnelväggen än i de delar som strömmar vid rotoraxeln. Armens yttersta hål avger därför flest bubblor i dessa yttre delar. Men eftersom bubblor avges även från armens mer centralt belägna hål blir den totala bubbelavgivningen tämligen väl fördelad i skiktet. Res- terande ojämnhet kan kompenseras med en mindre ändring av hålens in- bördes storlek och fördelning längs armen.Before dealing with the reasons for the better distribution with a transverse rotor, one should slightly touch the bubble formation at a rotor with the shaft parallel to the current direction. The rotor is thought to have only one arm whose speed caused by the rotation through the water is large in relation to the negative pressure at the openings of the arm increases. The bubble formation becomes the flow rate of the water. square with the distance from the axis of the rotor. therefore small near the center of the rotor but increases sharply towards the end of the arm. Although this is especially true when the holes are equally large and evenly spaced along the arm, the sharp increase in bubble formation toward the end of the arm prevents an even distribution of the bubbles over the entire cross-sectional area by changing the size and distribution of the holes. Because with such a change, the bubbles no longer become homogeneous. 10 15 20 25 30 35 456 861 If, on the other hand, the rotor shaft is placed perpendicular to the direction of current, the outermost hole of the arm, which emits most of the bubbles, sweeps over the central parts of the tunnel cross section as well. In a horizontal layer of the water flow, which is passed through by the arm, these holes certainly spend more time in the outer parts of the layer which flow near the tunnel wall than in the parts which flow at the rotor shaft. The outermost hole of the arm therefore emits the most bubbles in these outer parts. However, since bubbles are also emitted from the more centrally located holes of the arm, the total bubble emission is fairly well distributed in the layer. The remaining unevenness can be compensated with a minor change in the relative size of the holes and the distribution along the arm.

Av turbulensen bakom armen sprids bubblorna i höjdled, varför armen kan försörja ett tämligen tjockt skikt. Hela tunnelns höjd kan in- delas i ett antal sådana skikt, som vart och ett förses med bubblor från det antal på samma axel fästade rotorarmar som är behövligt för att den nödvändigt jämna bubbelfördelningen i vattenströmmen skall erhållas även i strömriktningen.Due to the turbulence behind the arm, the bubbles spread vertically, so that the arm can supply a rather thick layer. The entire height of the tunnel can be divided into a number of such layers, each of which is provided with bubbles from the number of rotor arms attached to the same shaft which is necessary for the necessary even bubble distribution in the water flow to be obtained also in the flow direction.

När bubblorna fyllt sitt ändamål, förs vattnet t ex till en förråds- tank med tillräckligt stor volym för att bubblorna skall kunna lämna vattnet genom att stiga upp till en fri yta innan vattnet återigen pumpas till provningsföremålet.When the bubbles have fulfilled their purpose, the water is, for example, transferred to a storage tank with a sufficiently large volume for the bubbles to be able to leave the water by rising to a free surface before the water is pumped back to the test object.

Bubblorna kan synliggöras av att ljus reflekteras i bubblorna och be- traktas i ca 90 graders vinkel från ljusets riktning. Reflexerna syns som små väldefinierade ljusstarka punkter väl lämpade för fotografisk registrering.The bubbles can be made visible by the fact that light is reflected in the bubbles and viewed at an angle of about 90 degrees from the direction of the light. The reflectors appear as small well-defined bright dots well suited for photographic recording.

Med anordningen enligt uppfinningen nås således fördelarna: Några förorenande ämnen behöver inte användas. Små homogena luft- bubblor, som följer med vattnets elementarströmmar,kan enkelt till- föras med stor jämnhet över hela vattenströmmens tvärsnitt. Vatten- tunnelns tvärsnitt vid provningsföremâlet kan ha vilken symmetrisk form som helst. Genom att välja armarnas längder så att de nästan när fram till tunnelväggarna erhålles jämnhet av bubblor i vatten- strömmen även t ex i hörnen vid ett rektangulärt tvärsnitt hos en 456 861 - 10 15 20 25 30 35 vattentunnel. Bubblorna kan synliggöras som lysande väl definierade punkter. Ä Anordningen är inte begränsad till att bubblorna bildas genom att luft ¿ Bubb- lor kan även alstras med anordningen t ex genom att man till rotoraxeln från atmosfären sugs till undertrycksomrâden vid rotorarmarna. tillför någon trycksatt gas.The device according to the invention thus achieves the advantages: No pollutants need be used. Small homogeneous air bubbles, which follow the elemental currents of the water, can easily be supplied with great uniformity over the entire cross-section of the water stream. The cross section of the water tunnel at the test object can have any symmetrical shape. By choosing the lengths of the arms so that they almost reach the tunnel walls, evenness of bubbles in the water flow is obtained, for example also in the corners at a rectangular cross-section of a water tunnel 456 861 - 10 15 20 25 30 35. The bubbles can be made visible as brilliantly well-defined points. Ä The device is not limited to the bubbles being formed by air ¿Bubbles can also be generated with the device, for example by sucking the rotor shaft from the atmosphere to the pressure areas at the rotor arms. adds some pressurized gas.

Eieycësâkcixnins Ett föredraget utförande skall närmare beskrivas med hänvisning till bifogade ritningar.Eieycësâkcixnins A preferred embodiment will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

Fig I visar i princip en provningsanläggning med en anordning enligt uppfinningen.Fig. 1 shows in principle a test plant with a device according to the invention.

Fig II visar anläggningens provningstunnel med anordningen.Fig. II shows the test tunnel of the plant with the device.

Eë:§§:a9s:_u§Ië:§nës I provningsanläggningen enligt fig I sätts vatten som befinner sig i en rörkrets 1 i rörelse av en pump 2 för att i en provningstunnel 3 med rektangulärt tvärsnitt bilda en vattenström med inställbar has- tighet förbi ett provningsföremâl 4. Hur hastigheten inställs är inte föremål för uppfinningen, men den kan regleras genom att vatten från en utjämningsbehâllare 5 pumpas upp i ett öppet kärl 6 med en överström- ningskant (skibord) 7. Vid användning av provningsanläggningen låter man vatten rinna över denna kant tillbaka ned i utjämningstanken 5.Eë: §§: a9s: _u§Ië: §nës In the test facility according to Fig. I, water located in a pipe circuit 1 is moved by a pump 2 to form a water stream with a adjustable speed in a test tunnel 3 with a rectangular cross-section past a test object 4. How the speed is set is not the subject of the invention, but it can be regulated by pumping water from an equalization tank 5 into an open vessel 6 with an overflow edge (ski table) 7. When using the test system, water is allowed to flow over this edge back down into the leveling tank 5.

Vatten leds till provningstunneln 3 frân det öppna kärlet 6, vilket placeras i ett sådant läge att höjden hos kärlets öppna yta 8 över ut- jämningsbehâllarens öppna yta 9 är så avpassad att den önskade ström- ningshastigheten erhålles. Hastigheten kan inom vissa gränser också ändras med en ventil, som är insatt i rörkretsen 1. Från provningstun- neln 3 âterleds vattnet till utjämningsbehâllaren 5.Water is led to the test tunnel 3 from the open vessel 6, which is placed in such a position that the height of the open surface 8 of the vessel above the open surface 9 of the equalization vessel is adjusted so that the desired flow rate is obtained. The speed can also be changed within certain limits with a valve, which is inserted in the pipe circuit 1. From the test tunnel 3, the water is returned to the equalization tank 5.

I provningstunneln 3, som utgörs av en sluten kanal av något genomsyn- ns 10 15 20 25 30 35 456 861 ligt material såsom ptexiglas, finns provningsföremålet 4, kring vilket man önskar studera strömningsmönstret, och en anordning 10 en- ligt uppfinningen för alstring av de luftbubblor som skall åskådlig- göra strömningen. Anordningen innefattar en rotor bestående av en i ena änden sluten rörformig axel 11 till vilken sex rörformiga rotor- armar 12 är parvis gastätt fästade, t ex genom Lödning. Rotorn är lagrad i någon av kanalväggarna, företrädesvis i taket, så att dess slutna ände och rotorarmarna kan roteras i vattnet som genomströmmar kanalen medan axelns öppna ände 13 mynnar ut i atmosfären (se även fig II). Varje rotorarm 12 som i rotationsriktningen har strömlinjeformat tvärsnitt med tvärt avslutad bakkant är längs denna bakkant försedd med en smal spalt 14 som står i förbindelse med rotoraxelns inre. När rotorn roteras av en motor 15 med ställbar rotationshastighet uppstår vid bakkanten ett undertryck, varvid genom rotoraxelns öppna ände 13 insugs Luft som bildar bubblor i vattnet bakom rotorarmarna (i fig II visas bakom det nedersta rotorarmsparet bubblor såsom de framträder med hjälp av stroboskopiskt ljus). Den insugna luftmängden kan ställas in med en nålventil 16 i rotoraxelns öppna ände.In the test tunnel 3, which consists of a closed channel of some transparent material such as ptex glass, there is the test object 4, around which it is desired to study the flow pattern, and a device 10 according to the invention for producing the air bubbles that are to illustrate the flow. The device comprises a rotor consisting of a tubular shaft 11 closed at one end to which six tubular rotor arms 12 are attached in pairs in a gas-tight manner, for example by soldering. The rotor is mounted in one of the duct walls, preferably in the ceiling, so that its closed end and the rotor arms can be rotated in the water flowing through the duct while the open end 13 of the shaft opens into the atmosphere (see also Fig. II). Each rotor arm 12 which in the direction of rotation has a streamlined cross-section with a sharply terminated rear edge is provided along this rear edge with a narrow gap 14 which communicates with the interior of the rotor shaft. When the rotor is rotated by a motor 15 at an adjustable rotational speed, a negative pressure arises at the rear edge, whereby air forming through the open end 13 of the rotor shaft is sucked into the water behind the rotor arms (Fig. II shows bubbles as they appear by stroboscopic light). . The amount of air drawn in can be set with a needle valve 16 at the open end of the rotor shaft.

Provningsföremålet 4, en skovel, vilket är tillverkat av ett genomsyn- ligt material i likhet med kanalen, är vridbart fästat i de lodräta sidorna av den rektangulärt formade kanalen.The test object 4, a vane, which is made of a transparent material similar to the channel, is rotatably attached to the vertical sides of the rectangular shaped channel.

För att synliggöra bubblorna används i ett för övrigt mörkt rum en uppåtriktad tunn skivformig ljusstråle 17 vars källa är en under provningstunneln placerad strålkastare 18. Genom att parallellförflytta denna strålkastare kan man få ljusskivan att genomlysa olika lodräta längsgående tunnelskivor 19 vilka sammanfaller med den del av ljusstrålen som begränsas av kanalens tak och botten. I fig II undersökes strömningen kring den del av skoveln som är närmast betraktaren.In order to make the bubbles visible, an upwardly thin disc-shaped light beam 17 is used in an otherwise dark room, the source of which is a headlight 18 placed under the test tunnel. By moving this spotlight in parallel, the light disc can be made to illuminate different vertical longitudinal tunnel discs 19 which coincide with the part bounded by the roof and bottom of the canal. In Fig. II, the flow around the part of the vane closest to the observer is examined.

De bubblor som härvid belyses i denna skiva reflekterar ljuset och bil- dar lysande punkter mot en mörk bakgrund. Från sidan av provnings- anläggningen får man, ifall bubblorna före provningsföremålet erhållit en jämn fördelning över tunnelns tvärsnittsyta, en god föreställning om vattenströmmarnas riktningar och hastigheter kring olika längdsnitt av provningsföremålet genom att sidoförskjuta stråkastaren. På ett 456 861 fotografi visas ett stitlastäende vatten som punkter medan rörligt vatten, pâ grund av rörelseoskärpan, visas som streck paraLLeLla med strömningen, vars hastighet kan utläsas av streckens Längder. 'àThe bubbles that are illuminated in this disc reflect the light and form luminous dots against a dark background. From the side of the test installation, if the bubbles before the test object have received an even distribution over the cross-sectional area of the tunnel, you get a good idea of the directions of the water currents and speeds around different longitudinal sections of the test object by displacing the headlight sideways. In a 456,861 photograph, a stitle-standing water is shown as dots, while moving water, due to motion blur, is shown as a line parallel to the flow, the velocity of which can be read from the lengths of the lines. 'à

Claims

10 15 20 25 456 861 Patent claims:

Device for illustrating with gas bubbles flows in a Liquid of a test plant, such as a water tunnel or a test tank, characterized in that the bubbles are generated by a rotor (10) rotating in the liquid, comprising on the one hand a shaft (13) provided with a duct to which a gas can be supplied and on the one hand one or more arms (12) which are attached to the shaft and whose outer surfaces have one or more openings (14) which are connected to the duct.

Device according to claim 2, characterized in that the arm (12) has a streamlined cross-section with a sharply terminated trailing edge and that the opening (14) has the shape of a gap in the trailing edge.

Device according to claim 2, characterized in that the rotor (10) is placed in the liquid with the rotor shaft substantially at right angles to the flow direction of the liquid.

Device according to claim 2, characterized in that the channel (13) of the rotor shaft is arranged to be supplied with air from the atmosphere.

Device according to claim 2 or 5, characterized in that the rotational speed of the rotor (10) is adjustable to enable an adjustment of the number and size of the bubbles.

Device according to claim 2 or S, characterized in that the supply of gas to the rotor channel is adjustable with, for example, a valve (16) to enable an adjustment of the number and size of the bubbles.