הפקולטה להנדסה - המגמה להנדסה מכנית

מאי 2002

כיול ואפיון של מנהרת רוח להתקני זרימה זעירים

תקציר לספר ספר הפרוייקטים

פרוייקט גמר

הכין: אלי בן חמו

מנחה: ד"ר אבי זייפרט

תקציר מנהלים

נושא הפרוייקט

מנהרת רוח קטנה הנמצאת בשלבי הקמה אחרונים, המיועדת לאפיון התקני זרימה זעירים (חיישנים, מפעילים והדגמות בקרת זרימה) צריכה לעבור כיול ושיפורים לפי ממצאי הכיול .

אפיון מנהרת הרוח כולל, מדידת מהירויות, טמפרטורה רמת ופרוס טורבולנציה באמצעות מדידי

מהירות מסוג צינורות פיטו וחוטי להט.

מופו אחידות שדה הזרימה, הטמפרטורה והטורבולנציה בחתכים שונים בוצעו שינויים במנהרה בכדי להביא לאופטימום את המהירות ולמינימום את רמת הטורבולנציה ולאחידות מיטבית בשדות הזרימה והטמפרטורה.

ובנוסף, הגדרת אופן פעולתה ותוכנה מתאימה אשר מאפשרת הפעלה ,בקרה ואוטומציה של המנהרה.

מטרת הפרוייקט

מטרת הפרוייקט לסיים הקמת מנהרת הרוח, לכייל את ביצועיה, לקבוע את אופיינה ולאפשר הפעלתה.

הפרוייקט כולל את אפיון המנהרה וכיולה, ביצוע שינויים והוספת רכיבים כנדרש (רשתות השקטת טורבולנציה, הצבת מישרי זרימה מסוג "חלת דבש" ככל שיידרש). הגדרת אופן פעולתה והפעלתה באמצעות תוכנה.

דרישות המנהרה:

1. הפעלת מנהרת הרוח והגעה למהירויות רוח של 5 עד 15 מטר לשנייה .

2. שמירה על שדה זרימה אחיד (בסטיה של עד 1%) ושדה טמפרטורה אחיד ( 1± מעלות צלזיוס)

3. שמירה על רמת טורבולנציה מינימלית.

4. הגדרת אופן ונהלי הפעלה ובקרת איכות בפעולת המנהרה והפעלתה באמצאות חומרה ותוכנה.

תאור המערכת

מנהרת הרוח הינה פתוחה משתמשת באויר ישירות מחלל המעבדה, מנהרה זו נחשבת למנהרת רוח קטנה אורכה הכללי הוא – 2.41 מטר ורוחבה 0.51 מטר. מבנה יתואר בהמשך. מנהרת הרוח הותאמה לעבודה במהירויות רוח של 5 – 15 מטר לשנייה.

מטרתה של מנהרת רוח זו היא לאפיין התקני זרימה זעירים כגון – חיישנים, מפעילים שונים ולהדגמות בקרה.

המבנה הסכמטי של המנהרה מתואר באיור מספר 1, היא מורכבת ממספר חלקים:

1. כונס אויר בכניסה למנהרה.
2. תא יישור מרכזי המכיל בתוכו מפוחים ו"חלת דבש".
3. שני יחידות הנעה של מפוחים אשר כל אחד מהם מורכב מארבעה מפוחים צירים מונעי DC
4. במורד הזרם למפוחים מוצמדת "חלת דבש" ליישור הזרימה.
5. רשת להשקטת טורבולנציה אשר חוברה בשלב מתקדם יותר לפני נחיר ההתכנסות.
6. נחיר התכנסות.
7. חתך יציאה מלבני 5 x 15 cm.
8. מאריך לנחיר היציאה.
9. ספק מתח DC למפוחים.

לאחר ביצוע מספר ניסויים הוחלט על הוספת מספר רכיבים:

1. רשת להשקתת טורבולנציה ( screen) בכניסה לנחיר ההתכנסות (הרשת הורכבה על מנת להוריד את רמת הטורבולנציה וליישור זרימת האויר בקצוות החתך).

2. מאריך ביציאה מנחיר ההתכנסות (הרכבת המאריך נועדה לשיפור שדה זרימת האויר בקצוות החתך עקב אורכו הקצר של הנחיר).

תרשים מנהרת הרוח

איור מס' 1

מהות העבודה

הפעלת המנהרה, אפיונה וכיולה בוצעו באמצעות תוכנת Labview. אמצעי המדידה, מערכת השינוע וספק הכוח מחוברים לכרטיס A/D הנמצא במחשב וע"י תוכנת ה- labview ניתן לבצע מדידות,לכייל את חוט הלהט, להפעיל את מערכת השינוע ואת ספק המתח ע"י VI’s (Virtual Instruments) מתאימות הנכתבו לביצוע משימה זו.

מערך הניסויים:

לצורך אפיון המנהרה בוצעו מספר ניסויים.

מערך הניסויים כולל בתוכו שלושה ניסויים עקריים:

1. קביעת מיקום מפוחים – מטרתו של ניסוי זה הוא קביעת מיקום הצבת המפוחים בתוך תא היישור וקביעת המרחק המיטבי בינהם. תוצאות ניסוי זה הראו כי מיקום המפוחים לא משפיע בצורה ניכרת על מהירות הזרימה היציאה מהנחיר, אולם כאשר המרחק בין שני הסטים של המפוחים קטן מ 20 ס"מ היתה ירידה משמעותית במהירות זרימת האויר.

לאור נתונים אלו הוחלט להציב את המפוחים במרחק של 40 ס"מ בינהם.

כאשר המפוחים נמצאים קרוב לחתך הכניסה עוצמת הרעש הנשמע גבוהה וכמו כן יש סכנה להפגע מהלהבים לכן הוחלט למקם את המפוח הראשון במרחק של 50 ס"מ מהכניסה והסט השני במרחק של 90 ס"מ מהכניסה. (ראה איור מס' 1).

2. אפיון הזרימה בחתך יציאה מנחיר ההתכנסות - מטרתו של שלב זה בניסוי הוא אפיון משטר הזרימה (מהירות וטורבולנציה) בחתך היציאה . מניתוח התוצאות רואים כי קבלנו שדה זרימה אחיד, עבור כל הפרופילים. אופי הזרימה בכל מרחק נשאר קבוע עבור המתחים השונים. שדה המהירות נשמר אחיד לכל מרחק וכמו כן גם רמת הטורבולנציה. מהירות האויר דרך חתך היציאה נעה בין 2 ל- 15 מטר לשניה. המהירות המינימלית שנמדדה היא 2 מטר לשנייה, וזאת עקב סף מתח של 6 וולט לתחילת סיבוב של המפוחים. שדה המהירות הינו אחיד ובעל סטייה של 0.4 – 0.3 אחוז בהתאם למרחק מפתח היציאה. רמת הטורבולנציה בליבה היא כ – 0.4 אחוז וככל שמתרחקים מחתך היציאה היא עולה עד ל – 5 אחוז (עקב מעבר מזרימה למינרית לטורבולנטית בסילון חופשי).

3. ניסוי המשך 1 – אפיון זרימה לאחר הוספת רשת בכניסה לנחיר היציאה - מטרתו של ניסוי זה הוא אפיון משטר הזרימה (מהירות, טורבולנציה) בחתך היציאה , תוך השוואה למאפייני הזרימה ללא רשת. שדה המהירות נשמר אחיד לכל מרחק וכמו כן גם רמת הטורבולנציה. המהירות ירדה ב 1.5% עם הרשת וזאת עקב נפילת הלחץ הסטטי. הרשת הצליחה לשפר במעט את רמת הטורבולנציה (ירידה נוספת של 0.1%) לעומת מאפייני הזרימה ללא רשת.
4. ניסוי המשך 2 - אפיון זרימה לאחר הארכת נחיר ההתכנסות - מתוך התוצאות שקבלנו בניסויים קודמים הוחלט על הארכת נחיר ההתכנסות. תפקידו של מאריך זה הוא לבטל את עליית המהירות, ובנוסף להוריד את רמת הטורבולנציה ולשפר את הסימטריות. הוספת מאריך זה כמעט וביטלה את תופעת עליית המהירות בקצוות. קיבלנו שדה מהירות אוויר אחיד יותר עם סטייה של 1% לעומת 3% במהירות שולי הליבה לפני הרכבת המאריך, כמו כן רמת הטורבולנציה ירדה ב – 0.1% , עם סימטריות כמעט מלאה.

ביצוע שיפורים

במהלך העבודה וכמסקנות מהניסויים בוצעו מספר שיפורים במערכת.

1. הצבת המפוחים וקיבועם בתוך תא היישור.

2. בכניסה למנהרת הרוח הוצב כונס אויר.

3. הוצבה רשת להשקטת טורבולנציה בכניסה לנחיר ההתכנסות.

4. הוצב מאריך ביציאה מנחיר ההתכנסות.

5. המערכת עברה שיפורים המאפשרים הפעלה אוטומטית של כל חלקיה באמצעות מחשב.

מסקנות

• הגעה למהירויות רוח של 2-15 מטר לשנייה.
• שדה המהירות הינו אחיד ובעל סטייה של 0.3 – 0.4 אחוז (ירידה של 0.3% מלפני ביצוע השיפורים).
• הסימטריות לאורך החתך נשמרה עבור כל החתכים והמהירויות. אופי הזרימה נשמר אחיד לכל חתך.
• קרוב מאוד לחתך היציאה (1 ס"מ), כמעט ובוטלה התופעה של עלייה במהירות בקצוות , מהירות הסילון בקצוות גבוהה בכ- 1% מאשר בליבה
• אורך הליבה נע באופן לינארי בין 15 ל–47 מ"מ, בהתאם למרחק מחתך היציאה.
• רמת הטורבולנציה בליבה היא כ – 0.3 – 0.4 אחוז וככל שמתרחקים מחתך היציאה היא עולה עד ל – 2 אחוז.
• הטורבולנציה הינה סימטרית לאורך כל הפרופילים וניתן לראות כי בחלקו העליון של חתך היציאה ישנה עלייה קלה בטורבולנציה לעומת חלקו התחתון, של כ- 1 אחוז.
• הטמפרטורה עבור כל החתכים בכל המהירויות נשמרה אחידה וזהה לטמפרטורת החדר. רואים כי הטמפרטורה לא עלתה בחתך היציאה מהכונס גם לאחר זמן הפעלה ממושך, נתון זה מעיד על חיכוך נמוך ואי התחממות המערכת. מערכת מיזוג האוויר מצליחה לייצב טמפרטורה בחדר.
• •המנהרה עמדה בכל הדרישות שנקבעו מראש.

נתונים טכניים של מנהרת הרוח

• סוג המנהרה – מנהרה פתוחה עם חתך יציאה פתוח
• חתך יציאה – חתך מלבני 5 x 15 [cm²]
• מהירות מקסימלית - 15 [m/sec]
• מהירות מינימלית - 2 [m/sec]
• רמת טורבולנציה – 0.3 – 0.4 %
• מס' ריינולדס מירבי - 8.33*10⁵ [1/m] (בהתבסס על T=20^oc , υ=1.8*10^-5 [m²/sec])
• זמן הפעלה – לא מוגבל.
• זמן התייצבות למדידה – שניות ספורות.

תצלום מנהרת הרוח