سیم داغ یا هات وایر (Hot Wire) – از صفر تا صد

این مطلب ابتدا به صورت دقیق به بررسی شیوه عملکرد هات وایر می‌پردازد. در ادامه، معایب و مزایای این روش در مقایسه با سایر روش‌های محاسبه سرعت، بیان می‌شود و در انتها نیز روابط حاکم و شیوه کاربرد این ابزار در صنایع مختلف مورد بررسی قرار می‌گیرد.

سرعت سنج سیم داغ یا هات وایر

فیلم آموزش مکانیک سیالات 1 در فرادرس

کلیک کنید

برخی از این دستگاه‌ها با ایجاد یک مدار الکتریکی داخلی، دمای سیم حین عبور سیال را ثابت نگه می‌دارند. در این شرایط، همانطور که بیان شد با افزایش سرعت، میزان انتقال حرارت نیز افزایش می‌یابد و برای ثابت نگه داشتن دمای سیم، نیاز به افزایش ولتاژ جریان داریم و ارتباط مستقیمی بین سرعت سیال و ولتاژ دستگاه محاسبه می‌شود. بنابراین این دستگاه با ایجاد یک ارتباط بین انتقال حرارت و ولتاژ ورودی به سیستم، سرعت سیال را اندازه‌گیری می‌کند.

در برخی از آزمایش‌های صورت گرفته در تونل باد، مهندسان نیاز دارند که توزیع سرعت اطراف مدل و اطلاعات حیاتی دیگری را محاسبه و یا با روش‌های مختلف اندازه‌گیری کنند. این اطلاعات حیاتی با استفاده از ابزارهایی مانند «تپ فشار استاتیک» (Staic Pressure Tap)، «ریک فشار کلی» (Total Pressure Rakes)، «سرعت سنج داپلر لیزری» (Laser Doppler Velocimetry) و پراب‌های محاسبه سرعت سیم داغ یا هات وایر اندازه‌گیری می‌شوند.

این اطلاعات حیاتی که با ابزارهای بیان شده، محاسبه و اندازه‌گیری می‌شوند اطلاعات کلی درباره بازده کلی مدل (برای مثال هواپیما و خودرو) را در اختیار ما قرار نمی‌دهد ولی این اطلاعات کمک بسیار زیادی به مهندسان می‌کند تا شیوه حرکت سیال اطراف و یا درون مدل را به خوبی مورد ارزیابی قرار دهند و از این طریق صحت طراحی انجام شده را بررسی کنند و برای بهینه‌سازی آن، اقدامات لازم را انجام دهند. ابزارهای مختلفی که در بالا معرفی شدند توانایی محاسبه خصوصیات مختلف جریان پایا یا ناپایا اطراف مدل را دارند.

سرعت سنج هات وایر، شامل یک سیم بسیار کوچک که به صورت الکتریکی داغ شده، یک سنسور و یکسری تجهیزات الکترونیکی است. این تجهیزات، وظیفه تبدیل داده‌های سنسور خروجی به سیگنال‌هال الکتریکی مفید را بر عهده دارد. شکل زیر نمای کلی از اجزای هات وایر را به تصویر کشیده است.

تجهیزات و مدار‌های الکترونیکی مذکور، قسمت کوچکی از این وسیله سرعت سنج (سیم داغ یا هات وایر) را تشکیل می‌دهند و تاثیر کاملا مستقیم روی عملکرد و خصوصیات این «پراب» (Probe) دارند. در اینجا، پراب به معنای کاوشگر سرعت یا سرعت سنج در نظر گرفته می‌شود.

هات وایر از سیمی با جنس پلاتین یا تنگستن استفاده می‌کند. سنسور موجود در هات وایر، بسیار کوچک است. قطر رایج سیم داغ برابر با 5 میکرومتر و طول آن برابر با 1 تا 3 میلی‌متر است. بنابراین این ابزار با توجه به اندازه آن، توانایی محاسبه سرعت جریان سیال، به صورت نقطه‌ای را دارد.

در شکل زیر، نسبت ابعاد سیم داغ و جهت جریان ورودی به تصویر کشیده شده است. مشاهده می‌شود که بهترین حالت برای قرار دادن این وسیله در جریان، حالتی است که جریان ورودی به صورت عمود بر سیم داغ قرار داشته باشد.

توجه شود که از هات وایر برای محاسبه سرعت در جریان‌های یک‌ بعدی، دو بعدی و سه بعدی استفاده می‌شود. در صورتی که از هات وایر برای محاسبه سرعت جریان یک بعدی استفاده شود، سیم داغ به شکل بالا در سیستم قرار داده می‌شود. این مورد در شکل زیر  هم به تصویر کشیده شده است.

برای محاسبه سرعت جریان سیال در جریان‌های دو بعدی از هات وایر به شکل زیر استفاده می‌شود.

زمانی که هدف پژوهش محاسبه سرعت جریان سیال در جریان سه‌بعدی است، می‌توان از سیم داغ به شکل زیر استفاده کرد.

سرعت سنج سیم داغ یا هات وایر چگونه کار می‌کند؟

همانطور که اشاره شد، سیم داغ ابزاری است که از آن برای اندازه‌گیری سرعت جریان سیال در آزمایش‌های تجربی استفاده می‌شود. همانطور که از نام هات وایر پیداست، این وسیله از یک سیم بسیار نازک در انتهای پراب تشکیل شده که این سیم در میسر جریان سیال قرار داده می‌شود. شکل زیر یک نمونه از سیم داغ را به تصویر کشیده است. در این شکل، خط کشی را نیز برای نمایش اندازه این سیم ترسیم کرده‌ایم.

اشاره شد که ابتدا جریان الکتریکی در این ابزار ایجاد می‌شود و در نتیجه با توجه به مقاوتی که سیم دارد، گرما تولید می‌شود. این موضوع را می‌توان با توجه به قانون اهم به صورت دقیق بیان کرد. با عبور جریان هوا از روی این سیم داغ، درجه حرارت سیم نیز کاهش می‌یابد و انتقال حرارت بین سیم و هوا صورت می‌پذیرد.

نکته بسیار مهمی که باید به آن اشاره کرد این است که مقدار انتقال حرارت با سرعت سیال متناسب است. بنابراین هرچه سرعت جریان هوا از روی سیم داغ بیشتر باشد، میزان انتقال حرارت بیشتری نیز بین هوا و سیم داغ خواهیم داشت. در هات وایر با استفاده از یک مدار فیدبک، می‌توان دمای پراب یا جریان عبوری از آن را مقدار ثابتی نگه داشت. بنابراین در حالتی که دما ثابت نگه داشته می‌شود، با توجه به افزایش انتقال حرارت و افت دما هنگام افزایش سرعت سیال، برای ثابت نگه داشتن دمای سیم داغ، ولتاژ عبوری از سیستم باید متناسب با سرعت سیال تغییر کند.

در این شکل، جریان سیال از یک نازل عبور می‌کند که میزان جریان جرمی سیال عبوری از آن معلوم است. بنابراین با توجه به شرایط داده شده، سرعت در مرکز «جت» (Jet) معلوم است. با استفاده از به دست آوردن یک ارتباط میان ولتاژ پراب و سرعت سیال، این هات وایر کالبیره می‌شود و می‌توان از خروجی‌های آن در این تونل باد استفاده کرد.

نکته مهم دیگری که در هات وایرها دیده می‌شود و باید آن را بیان کرد این است که سیم استفاده شده در هات وایر بسیار نازک است و در نتیجه پاسخ به تغییرات سرعت در هات وایر بسیار سریع و فرکانس آن در حدود 50 کیلو هرتز است. بنابراین می‌توان از این ابزار، می‌توان برای محاسبه سرعت لحظه‌ای در جریان‌های توربولانس و ناپایا نیز استفاده کرد.

مزایا و معایب هات وایر

یکی از ابزارهایی که به کمک آن می‌توان سرعت جریان سیال را بدون ورود به سیال، اندازه‌گیری کرد سیستم «سرعت سنجی داپلر لیزی» (Laser Doppler Velocimetry) و «سرعت سنجی تصویری ذرات» (Particle Image Velocimetry) است. این دو روش به ترتیب با نماد خلاصه شده LDV و PIV نمایش داده می‌شوند. LDV و PIV روش‌های «غیر نفوذی» (Non-Intrusive) محاسبه سرعت جریان سیال هستند یعنی سرعت سیال را بدون وارد کردن جسمی به آن، اندازه‌گیری می‌کنند. روش هات وایر نسبت به این دو روش بسیار روش ارزان‌تری است و قابلیت اندازه‌گیری سرعت سیال محدوده گسترده‌ای را دارد. علاوه بر این، سیم داغ یا هات وایر، تنها ابزاری است که می‌تواند سرعت جریان سیال را در رنج گسترده‌ای از فرکانس‌های نوسان محاسبه کند.

یکی از معایب روش هات وایر این است که این روش بسیار شکننده است. دلیل این موضوع حضور سیم داغ بسیار نازک در این مجموعه است. بنابراین اگر جریان درون تونل باد، کثیف باشد و ذرات جامدی نیز در آن حضور داشته باشند، سیم داغ پاره می‌شود و باید سیم آن را تعویض کرد. توجه کنید که تعویض سیم هات وایر امری بسیار حساس است و این سیم با استفاده از ابزار مخصوص جوش داده می‌شود.

اصول عملکرد و روابط حاکم بر هات وایر

هات وایر یا سیم داغ نازکی را مطابق شکل طوری در نظر بگیرید که روی تکیه‌گاه قرار دارد و تحت تاثیر جریان سیال با سرعت U قرار می‌گیرد.

فیلم آموزش مکانیک سیالات 1 در فرادرس

کلیک کنید

زمانی که جریان از سیم نازک عبور می‌کند، با توجه به مقاومتی که سیم دارد، گرما در آن تولید می‌شود. این گرما با استفاده از رابطه $$I^2 R_W$$ قابل محاسبه است. در قسمت‌های قبل توضیح داده شد که این گرما باید با میزان انتقال حرارت سیم داغ در اثر عبور جریان آزاد برابر باشد.

بنابراین به صورت کلی می‌توان بیان کرد که اگر سرعت جریان آزاد افزایش یابد، میزان انتقال حرارت جابه‌جایی نیز افزایش می‌یابد و در نتیجه دمای سیم تغییر می‌کند و پس از مدتی به مقدار ثابتی می‌رسد.

مطالعات اولیه برای تحلیل خنک‌کاری استوانه‌ها (در اینجا سیم داغ) توسط King انجام شد. میزان انتقال حرارت در شرایط مذکور به سرعت و خواص فیزیکی سیال، اختلاف دما میان سیال و سیم (استوانه) و خواص فیزیکی سیم بستگی دارد.

معادله حاکم انتقال حرارت در حالت کلی برای هات‌ وایرها به شکل زیر بیان می‌شود.

E انرژی حرارتی که در سیم ذخیره می‌شود را بیان می‌کند که با استفاده از رابطه زیر قابل بیان است.

در این رابطه C_w مقدار ظرفیت حرارتی سیم را نمایش می‌دهد و W میزان توان تولید شده توسط جریان درون سیم را بیان می‌کند که مقدار آن با استفاده از رابطه زیر قابل محاسبه است.

I در رابطه بالا جریان الکتریکی را نشان می‌دهد و R_W نیز نشان دهنده مقاومت سیم است که مقدار آن به دمای سیم بستگی دارد. این موضوع با استفاده از رابطه زیر نشان داده شده است.

T_W دمای سیم در هنگام انجام آزمایش برای محاسبه سرعت جریان سیال را نشان می‌دهد. H نیز در رابطه کلی انتقال حرارت سیم (رابطه ۱)، نرخ انتقال حرارت به محیط اطراف را نمایش می‌دهد. این مقدار به انتقال حرارت جابه‌جایی بین سیم و سیال، انتقال حرارت «رسانش» (Conduction) بین تکیه‌گاه و انتقال حرارت «تشعشع» (Radiation) سیم بستگی دارد. انتقال حرارت جابه‌جایی بین سیم و جریان سیال با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

میزان انتقال حرارت رسانش بین جریان سیم و تکیه‌گاه به عوامل مختلفی بستگی دارد که این عوامل در رابطه زیر نشان داده شده‌اند.

انتقال حرارت تشعشع در هات وایر یا سیم داغ نیز به تفاوت توان چهارم دمای سیم و دمای سیال بستگی دارد. این موضوع در رابطه زیر به خوبی بیان شده است.

در شرایط تعادل میزان ذخیره شدن گرما برابر با صفر خواهد بود. در این شرایط، رابطه زیر برقرار است.

بنابراین میزان انتقال حرارت در اثر عبور جریان با میزان انتقال حرارت جابه‌جایی بین سیم و سیال برابر است. در این رابطه فرض شده است که انتقال حرارت رسانش و تشعش سهم بسیار اندکی در انتقال حرارت از سیم را ایفا می‌کنند. یکی دیگر از فرضیات اعمال شده در این روابط این است که مقدار دمای سیم در طول سنسور (سیم داغ) برابر با مقداری ثابت باشد.

فرض بسیار مهم دیگر در بررسی روابط بالا این است که سرعت به صورت عمود بر سیم داغ برخورد می‌کند و مقدار آن در تمام طول سیم ثابت و بسیار کمتر از سرعت صوت است. نکته دیگری که باید به آن توجه کرد این است که در این روابط، دما و چگالی سیال ثابت فرض شده است.

توجه کنید که این روابط برای حالت «زیر صوت» (Subsonic) بیان شدند، در حالت «بالای صوت» (Supersonic) نیز روابط مربوطه قابل بیان هستند و انواع مختلف هات وایر به صورت رایج در این سرعت‌ها استفاده می‌شوند.

بنابراین با استفاده از روابط و فرضیات بالا می‌توان ارتباط بین سرعت سیال و ولتاژ جریان را محاسبه کرد. نکته دیگر این است که برای استفاده از هات وایر ابتدا باید آن را در جریان‌ و شرایط آزمایشگاهی مورد نظر کالیبره کرد و در نهایت با استفاده از کالیبراسیون انجام شده، سرعت سیال را با توجه به ولتاژ هات وایر محاسبه کرد. شکل زیر نمونه‌ای از نمودارهای رسم شده در فرایند کالیبراسیون هات وایر را به تصویر کشیده است.

فیلم آموزش کالیبراسیون تجهیزات اندازه‌گیری در فرادرس

کلیک کنید

این مطلب، ابتدا مفاهیم پایه و شیوه عملکرد سیم داغ یا هات وایر را به صورت دقیق مورد ارزیابی قرار داده است. در ادامه، معایب و مزایای این روش در مقایسه با سایر روش‌های سرعت سنجی به صورت دقیق بیان شدند و در نهایت نیز روابط پایه حاکم بر این روش اندازه‌گیری سرعت ارائه گردید و شیوه کالیبراسیون این دستگاه مورد ارزیابی قرار گرفت.

• مجموعه آموزش‌های دروس مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی مکانیک
• آموزش کالیبراسیون تجهیزات اندازه گیری
• آیرودینامیک (Aerodynamics) چیست؟ — از صفر تا صد
• لوله پیتوت (Pitot Tube) — به زبان ساده
• تونل باد (Wind Tunnel) در مهندسی مکانیک — از صفر تا صد
• معادلات ناویر استوکس (Navier Stokes) - از صفر تا صد
• توربوماشین (Turbomachinery) - به زبان ساده