Kontrol dari Jet 2D

 

Deskripsi Proyek:

Tujuan dari proyek ini adalah untuk belajar bagaimana menggunakan kekacauan untuk mengontrol pencampuran gas. Secara khusus, kami menggunakan flaps kecil dipasang di nosel sebuah jet udara untuk selektif meningkatkan atau menekan ketidakstabilan dalam aliran. Tujuan rekayasa adalah untuk mengontrol kacau pencampuran di jet ini, dengan mata terhadap desain injektor bahan bakar, pengurangan drag, dll Semua strategi pengendalian membutuhkan beberapa jenis model, tentu saja, dan pemodelan aliran geser bebas laboratorium bukanlah tugas yang mudah; kami menggunakan model point-vortex dan data asimilasi untuk memecahkan masalah ini.

Ide dasarnya adalah untuk mengkooptasi ketidakstabilan aliran. Gangguan kecil, persis tempat yang tepat, dapat menghasilkan atau menekan skala besar gerakan fluida turbulen: ". Ketergantungan yang sensitif pada kondisi awal" klasik The "tempat yang tepat," untuk tujuan jet udara, adalah lapisan batas di tepi aliran. Mengingat skala panjang dan angka Reynolds yang terlibat, sistem microelectromechanical (MEMS) proses adalah persis teknologi yang tepat dengan yang untuk membangun aktuator untuk tujuan ini. MEMS yang mikrodivais yang menggabungkan komponen listrik dan mekanik dan dengan demikian memungkinkan penginderaan, actuating, dan kemampuan pemrosesan untuk didistribusikan secara luas dalam ruang yang terintegrasi. Misalnya, array mikro-flaps, beberapa ratus mikron tinggi, masing-masing dengan elemen pemrosesan yang terkait kecil, dapat diandalkan diproduksi pada satu chip.

Aparat eksperimental kami terdiri dari jet udara planar dan satu set aktuator MEMS yang dapat digunakan untuk selektif mengganggu lapisan batas lapangan alirannya. Berikut adalah skema dan foto dari jet:

Udara terkompresi menyemburkan ke bagian bawah jet melalui koleksi selang, lima dari yang terlihat dalam gambar di atas. udara mengalir secara vertikal melalui pleno (bagian aluminumtower) dan kontraksi (bagian hitam di atas) dan muncul melalui celah persegi panjang dengan dimensi {2,50 +/- 0.01mm} oleh 400mm, memberikan aspek rasio 160: 1 . nozzle celah berbentuk ini ditunjukkan pada closeup bawah.

Pleno berisi berbagai perangkat aliran udara yang berfungsi untuk mengurangi intensitas turbulen dalam aliran; kontraksi dirancang untuk lebih menekan turbulensi dan mengurangi non-keseragaman dalam profil kecepatan. Karena jet yang dihasilkan begitu lama, medan aliran dapat dianggap dua dimensi di penampang yang berada di pusat; karena sangat sempit, seluruh jet adalah benar-benar sebuah "lapisan batas." geometri ini dipilih untuk membuat masalah setuju untuk eksplorasi analitis, numerik, dan eksperimental simultan. Tiga-cara alami nyata dari pendekatan ini - yang penting untuk setiap resmi skema kontrol extensible, - membuatnya unik dalam literatur kontrol MEMS / aliran.

Sebagian besar percobaan kami telah menggunakan tingkat aliran beberapa meter per detik, sehingga angka Reynolds yang cukup rendah (10-300). Ini hanya dibatasi oleh pasokan udara terkompresi, tidak aparatur, dan kami berencana untuk mengeksplorasi Re tinggi mengalir juga. Menggunakan anemometer hotwire ditangguhkan dalam aliran, seperti yang ditunjukkan di bawah ini, kami telah ditandai aliran, mengukur kecepatan di berbagai titik dalam jet:

  

Hasil penelitian menunjukkan bahwa aliran sepenuhnya dikembangkan di dan dekat nozzle:

 

Sebenarnya ada osilasi kecil di kecepatan, seperti yang Anda lihat dari gambar time-series dari anemometer hotwire:

Di sini, kita merencanakan fluktuasi kecepatan downstream sekitar rata-ratanya. hotwire itu terletak sekitar 0.5mm lepas tengah jet, yang mana fluktuasi ini terbesar. osilasi 16.83Hz ini adalah salah satu dari urutan terendah mode tidak stabil, yang sedang gembira sebentar-sebentar oleh arus udara ruangan. amplitudo bervariasi, dan sangat kecil.

MEMS aktuator yang kita gunakan untuk mengganggu aliran ini 1mm oleh 0.25mm flaps. Mereka terdiri dari dua lapisan bahan dengan resistensi yang berbeda, dan mereka bergerak melalui efek bimetal; tegangan diterapkan menyebabkan lapisan panas (dan dengan demikian merusak) pada tingkat yang berbeda, sehingga mereka tikungan. Ini terlihat di sisi kiri warna gambar dibawah ini:

    

Flaps sudah terpasang pada 75um tinggi solder "spacer" menggunakan flip-chip solder proses ikatan / keselarasan dikembangkan oleh YC Lee . Flaps tidak benar-benar kaku, sehingga mereka sujud sedikit di tengah. Desain kami kemudian meliputi satu set struktur balok anak-seperti kaku flap dan mencegah hal ini. Ujung defleksi sekitar linier dalam diterapkan tegangan sampai maksimum sekitar 25 mikron. Frekuensi resonansi adalah sekitar 20Hz; flaps dapat didorong lebih cepat, tapi ujung defleksi menurun dengan meningkatnya frekuensi. Plot di bawah ini menunjukkan dua efek dalam aksi:

  

Banyak ketidakstabilan dasar aliran lahir di nya lapisan batas : wilayah di mana kecepatan aliran berubah dengan cepat. Intuisi di balik strategi pengendalian kami adalah bahwa lapisan batas adalah bagian yang paling sensitif dari aliran - dan karena itu adalah tempat yang baik untuk memasang aktuator. Untuk alasan ini, kami me-mount flaps kami sepanjang tepi nosel, sehingga aksi lentur mereka mengusir kepulan kecil udara ke sisi jet, yang perturbs kecepatan. (The thermocouple efek yang mengontrol bending juga memainkan peran di sini, melalui pemanasan flap dan gaya apung yang dihasilkan.)

Dengan memanipulasi flaps ini (misalnya, dalam tahap, antiphase, dll), kita telah mampu membangkitkan kedua ketidakstabilan mendasar (simetris dan antisymmetric) di berbagai frekuensi. Jika kita memaksa aliran (pada satu sisi saja, untuk saat ini) dengan memindahkan flaps MEMS dalam sinusoidal atas / bawah pola pada frekuensi alami 16.83Hz, misalnya, kecepatan aliran jelas menunjukkan bahwa ketidakstabilan antisimetrik sesuai telah bersemangat :

Perhatikan perbedaan dalam skala vertikal dari dua sinyal time-series, dan sifat reguler osilasi di kedua, dibandingkan dengan sinyal nonstasioner dalam sebelumnya image time-series. Di bawah ini adalah spektrum frekuensi dari dua sinyal, yang membuat perbedaan lebih jelas (kiri unforced dan kanan dipaksa). Sekali lagi, perhatikan skala vertikal pada dua plot:

  

Foto-foto ini menunjukkan apa ini tampak seperti mata:

  

Ini adalah pandangan sisi jet; perhatikan posisi perangkat untuk microactuators terlihat di sudut kanan bawah. Gambar kiri menunjukkan perilaku jet ketika tidak ada eksternal memaksa diterapkan. Aliran dalam hal ini adalah laminar dan sifat khusus. Sebaliknya, ketika microactuators digunakan untuk merangsang aliran, vortisitas skala besar dikembangkan, entraining sekitarnya udara ke jet, seperti yang ditunjukkan pada gambar kanan.

Jet merespon dengan baik untuk frekuensi memaksa lainnya; di bawah ini adalah spektrum untuk beberapa contoh lain (5Hz di sebelah kiri dan 50Hz di sebelah kanan):

  

Rentang frekuensi bahwa adalah mungkin untuk merangsang adalah fungsi yang rumit dari Re, geometri, dll

Salah satu aplikasi yang menjanjikan dari ide-ide dan teknik adalah desain ruang pembakaran. Sistem injeksi bahan bakar, yang tujuannya adalah untuk mencampur bahan bakar dan udara seragam, dirancang dalam mode hampir murni eksperimental. Sementara desain yang muncul dari prosedur tersebut dapat melakukan dengan sangat baik, mereka juga sangat spesifik: orang tidak dapat biasanya generalisasi dari sifat mereka untuk memecahkan masalah desain injektor bahan bakar lain. Selain itu, sistem yang dirancang untuk satu set kondisi (misalnya, 55mph) belum tentu optimal untuk situasi yang berbeda (misalnya, I-90 di Montana pada hangat, hari kering). Pengetahuan yang kita peroleh dari proyek penelitian ini diharapkan tidak hanya akan membiarkan kita merancang ruang yang dapat beradaptasi untuk pencampuran optimum dalam kondisi yang berbeda, tetapi juga membantu kita memahami beberapa umum prinsip-prinsip di balik desain ruang bakar.

Ini adalah proyek yang sulit, dan itu menyerukan kepada teknik-teknik canggih dari beberapa bidang yang berbeda:

  • Dinamika fluida
  • Pemodelan numerik dan data asimilasi (viz., menggunakan data sensor untuk melakukan koreksi online model berjalan)
  • Kontrol nonlinear
  • MEMS pengolahan dan desain

Rekayasa ini juga tangguh - nozzle kustom dan angin terowongan, flaps micromachined, Laser aliran visualisasi, akuisisi data dan kontrol melalui PC, dll - tetapi hasil awal yang cukup menjanjikan.

Strategi pengendalian membutuhkan model, tetapi model numerik untuk memprediksi aliran fluida dan sistem kompleks lainnya memiliki tuntutan komputasi berat dan tidak dapat melacak efek termodelkan seperti gangguan atau drift. Meteorologi sering mengatasi masalah pelacakan ini dengan "asimilasi" data ke model numerik mereka untuk menjaga mereka di jalur. Kami menggunakan teknologi ini untuk model jet kami, mengoreksi model point-vortex 2D dengan posisi dan kekuatan dari vortisitas aktual di jet, diambil dari data PIV yang ditunjukkan di atas.

Menjelajahi Data asimilasi di laboratorium menarik & penting karena dua alasan. Pertama, sementara percobaan simulasi dengan kebisingan baik ditandai --- "sempurna model eksperimen" yang umum dalam literatur data asimilasi --- sangat berguna, efek dunia nyata seperti melayang hampir selalu melanggar harapan seseorang dan intuisi. Karena tugas asimilasi data untuk membantu pemecah melacak jenis-jenis efek, pemahaman mereka --- tidak menentu simulasi dari mereka --- sangat penting. Kedua, di lingkungan kita dikontrol, kita dapat mengisolasi, mengeksplorasi, dan meniru efek fisik dan numerik.Setiap model yang bisa, berpotensi, dikoreksi dengan data dalam rangka untuk mengimbangi perkiraan yang melekat, tetapi melakukan hal ini membutuhkan pemahaman menyeluruh tentang bagaimana berbagai pemecah bereaksi terhadap suntikan data dinamis.

Lihat makalah yang tercantum di bawah untuk rincian lebih lanjut tentang hal ini.

Orang-orang:

  •  Tom Peacock dan Liz Bradley
    Tom adalah Postdoc di Colorado dari 1/98 melalui 5/00; Saat ini ia adalah seorang Associate Professor Teknik Mesin di MIT.
  • Jean Hertzberg , Associate Professor Teknik Mesin, adalah guru cairan proyek.
  • YC Lee , Profesor Teknik Mesin, dan Ph.D. mahasiswa Zhichun Ma dirancang, dibangun, dan dipasang tutup MEMS.
  • Seorang awak indah mahasiswa di Teknik Mesin dan Dirgantara membantu keluar di laboratorium, termasuk Matt Culbreth, John Giardino, Jesse Negretti, Sven Nuesken, John Nord, Jeremy Ralph, Alex Renger, dan Roscoe Schenk.
  • Natalie Ross selesai gelar Ph.D. Mei 2008 pada model jet. Dia menggunakan model point-vortex dan mengembangkan strategi data asimilasi baru untuk memperbaiki model yang secara real time dengan menggunakan data PIV dari jet.
  • Matius Schwieterman dan John Giardino bekerja pada proyek ini untuk gelar MS dalam Teknik Mesin.

Mendukung:

 

  • Bahan ini didasarkan pada pekerjaan yang didukung oleh National Science Foundation di bawah Nomor Hibah 0083004 dan CTS-0114109, hibah peralatan dari Agilent, dan oleh Packard Fellowship di Science and Engineering dari David dan Lucile Packard Foundation. Setiap pendapat, temuan, dan kesimpulan atau rekomendasi yang diungkapkan dalam bahan ini adalah dari penulis (s) dan tidak mencerminkan pandangan dari organisasi-organisasi ini.

Makalah dan abstrak:

 

  • J. Giardino, J. Ertsberg, dan E. Bradley, "Prosedur Kalibrasi untuk Milimeter-Skala Stereomicroscopic Partikel Gambar Velocimetry," di tekan, Eksperimen di Cairan
  • Z. Ma, E. Bradley, T. Peacock, J. Ertsberg, dan YC. Lee, "Solder-dirakit flaps MEMS besar untuk pencampuran cairan," Transaksi IEEE pada Advanced Packaging , 26 268-276 (2003)
  • T. Peacock, J. Ertsberg, YC. Lee, dan E. Bradley, "Memaksa Planar Jet Aliran dengan MEMS," Percobaan di Cairan 37 : 22-28 (2004)
  • N. Ross, E. Bradley, dan J. Ertsberg, "Dinamika-Informed data Asimilasi dalam Kualitatif Cairan Model," QR-06 (20 International Workshop on Penalaran Kualitatif tentang Sistem Fisik) , Hanover NH; Juli 2006
  • N. Ross, Memahami Dinamika Point-Vortex data Asimilasi Ph.D. tesis, University of Colorado, Mei 2008.
  • N. Ross, J. Ertsberg, dan E. Bradley, "Diskritasi vortisitas Bidang sebuah planar Jet," Percobaan di Cairan 49 : 1161--1.175 (2010)

link:

 

Copyright 2000, Elizabeth Bradley dan Thomas Merak.