Örvénydetektálás henger körüli áramlásban

Kovács Kinga Andrea BSc IV. évf.

e-mail: kovacskinga2000@gmail.com

Konzulens: Dr. Balla Esztella Éva, Áramlástan Tanszék

e-mail: balla.esztella@gpk.bme.hu

A különféle testek körüli áramlás a gyakorlati alkalmazások sokrétűsége miatt rendkívül alaposan tanulmányozásra került az áramlástan története során. Ezeket a testeket két csoportra lehet osztani, áramvonalas testekre (pl. szárnyprofil) és tompa testekre (pl. henger, gömb). Tompa testek esetén a Reynolds-szám adott intervallumára szimmetrikus, periodikus örvényleválás figyelhető meg, ez az ún. Kármán-féle örvénysor [1]. Ezen áramlások periodikus jellege néha nemkívánt rezgéseket okoz. Ez különösen veszélyes lehet, ha az örvényleválási frekvencia megegyezik a testek valamelyik sajátfrekvenciájával [1]. Ebből kifolyólag létfontosságú, hogy a mérnökök figyelembe vegyék az örvényleválást a felhőkarcolók, kémények stb. tervezése során.

Jelen tanulmány fő célja örvénydetektálás henger körüli áramlásban, amely magába foglalja az örvénydetektálási paraméterek optimalizálását is. A detektálás MATLAB R2020b segítségével történt. Maga a henger körüli áramlás szimuláció eredménye, melyet az ANSYS Workbench 2022 R2 segítségével végeztem el. Jelen probléma kétdimenziós voltából kifolyólag a hengert körrel modelleztem. A hálózás során strukturált hálót készítettem, mely kizárólag négyszögelemeket tartalmaz. A szimulációkat az alábbi Reynolds számokra futtattam le: 10, 50, 100 és 1000. Az eredmények validálása azáltal történt, hogy összehasonlítottam alapvető áramlási jellemzőket, ábrákkal és szakirodalomból vett értékekkel [2]. Richardson-féle extrapoláció [3] segítségével becslést adtam a diszkretizációs hiba mértékére, mely segítségével biztosítottam a hálófüggetlenséget. A szimulációs eredmények felhasználásával elvégeztem az örvénydetektálási paraméterek optimalizálását. Általánosságban elmondható, hogy ezek a paraméterek határozzák meg az örvények minimális méretét és megkívánt alakját. A paraméterek hatása számos ábrán keresztül vizsgálható, melyek bemutatják az optimalizálás folyamatát.

Jelen tanulmány több szempontból is hasznos lehet. Először is, az örvénydetektálás révén megfigyelhető az áramlás mikroszerkezete. Illetve, a mérések által végzett örvénydetektálás igazán időigényes eljárás, viszont ezzel a numerikus módszerrel a detektálási idő jelentősen lecsökkenthető. Továbbá, a detektálás lehetővé teszi a leváló örvények pályájának követését is. Például, ha két épület közel helyezkedik el egymáshoz, akkor ezeknek az épületeknek az egymásra gyakorolt hatása az örvényeken keresztül vizsgálható. Ahogy az első bekezdésben is említésre került, a különböző épületek tervezése során elengedhetetlen az örvényleválás figyelembevétele. Az örvénydetektáláson keresztül látható, hogy hol alakulnak ki örvények, így ezekből az adatokból következtetni lehet a szükséges geometriai módosításokra. Végül, de nem utolsó sorban, ismeretes, hogy a Kármán-féle örvénysor okozza a telefonvezetékek ”éneklésének” jelenségét [1], tehát zajt okoz. Ezáltal jelen örvénydetektálási módszer a zajcsökkentés területén is potenciálisan hasznos lehet.

Irodalom:

1. Lajos Tamás. Az áramlástan alapjai. Műegyetemi Kiadó, 2019.

2. Hermann Schlichting, Klaus Gersten. Boundary-Layer Theory. Springer, 2016.

3. Dr. Kristóf Gergely. Áramlások numerikus modellezése. Akadémiai Kiadó, 2019.

szerző

Kovács Kinga Andrea
Mechatronikai mérnöki alapszak (BSc)
alapképzés (BA/BSc)

konzulens

Dr. Balla Esztella Éva
adjunktus, Áramlástan Tanszék

helyezés

II. helyezett