The John Field Laboratory
Mätningar inom strömningsmekanik är avgörande av flera skäl, bland annat:
- Validering av teoretiska modeller och simuleringar: Experimentella data är nödvändiga för att bekräfta noggrannheten i teoretiska modeller och beräkningssimuleringar.
- Design och optimering av tekniska system: Mätningar hjälper till vid design och optimering av ingenjörsmässiga system som pumpar, turbiner och rörledningar.
- Förståelse av flödesfenomen: Detaljerade mätningar är viktiga för att förstå komplexa flödesfenomen som turbulens och virvlande flöden.
- Drivkraft för forskning och innovation: Noggranna mätningar möjliggör utforskning av nya koncept och validering av nya teorier, vilket driver aktuell forskning och innovation framåt.
Många teknologiska utvecklingar, såsom flygplan och vattenturbiner, som uppkom under 1900-talet drevs på av experimentell forskning och utveckling.
Vår utrustning
Nedan följer en kort sammanställning utav delar av vår utrustning. Dessa utgörs till största delen av optiska system, vilka används för att på ett störningsfritt sätt mäta flödeshastigheten i olika tillämpningar.
PIV är en laserbaserad mätmetod av flödeshastighet där området som studeras är upplyst med ett ljusskikt eller en ljusvolym, beroende på mätningens karaktär. Ljuset genereras typiskt av en laser eller en LED. Mätningar kan genomföras av två hastighetskomponenter i två dimensioner, så kallat 2D2C PIV, av tre hastighetskomponenter i två dimensioner (2D3C), eller av tre hastighetskomponenter i tre dimensioner (3D3C). Flödeshastigheten mäts indirekt genom att partiklar av storleken 1-200µm tillsätts i strömningen. En pulsad ljuskälla belyser partiklarna, som sedermera fotograferas av en kamera. Avancerade datoralgoritmer skattar partiklarna förflyttning mellan laser och bilderna, vilket i slutändan kan relateras till flödeshastigheten.
Tomografiskt PIV
Strömningslära har tillgång till ett FlowMaster Tomographic (Tomo) PIV-system från LaVision. Detta är så kallat 3D3C PIV som därmed momentant kan mäta samtliga tre hastighetskomponenter i tre dimensioner. Systemets flexibilitet tillåter också stereoskopiska eller plana mätningar, om flödesfenomenet man studerar inte kräver tredimensionella mätningar.
PIV-systemet har huvudsakligen använts för att studera flödet genom ordnade porösa material.
Stereoskopiskt PIV-system
Under 2023 införskaffade Strömningslära ett stereoskopiskt PIV-system från Dantec Dynamics. Precis som med det tomografiska systemet kan Dantecs system användas för tvåkomponentsmätning i ett plan.
Systemet har använts för att studera tidsberoende strömning i strålar, samt flödet genom en modell av en vattenturbin i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby.
Mikro-PIV
Mikro-PIV är en vidareutveckling av vanlig PIV för studier av små flödesfält; typiskt är flödesfält av storleksordningen mikro- till millimeter. För att möjliggöra studier på en sådan liten skala används ett mikroskop kopplat till kameran som fotograferar flödet. Strömningslära har ett mikro-PIV-system från Dantec Dynamics. Systemet upprustades under 2024 med en LED som belysningskälla. Typiskt så studeras flöden av smörjmedel.
Strömningsläras tomografiska PTV-systemet FlowMaster 4D-PTV / Shake-the-Box från LaVision möjliggör tomografiska mätningar av hastighet. Genom hastighetsmätningarna kan även tidsupplösta uppskattningar av trycket extraheras i samma volym som hastigheten mäts. Vanligtvis kan tryck endast mätas i enstaka punkter på ränderna av en flödesgeometri, så denna skattning av trycket möjliggör en unik inblick i flödet. Detta system belyser volymen som studeras med hjälp av en LED. PTV, som står för particle tracking velocimetry, skiljer sig från PIV. I PIV skattas flödeshastigheten utifrån en stor mängd partiklars rörelse, medan hastigheten i PTV skattas utifrån enskilda partiklars rörelse. Fördelar med LaVisions PTV-system är bland annat en hög noggrannhet för hastighet och acceleration, samt en kortare tid för utvärdering av data.
Systemet har använts i studier av strömning runt skidåkare i Mittuniversitetets klimatvindtunnel i Östersund. Utöver mätningarna i klimatvindtunneln har systemet använts för att studera ekohydrauliska flöden med fri vattenyta, samt efter rörböjar med koppling till vätgastransport.
LDV är en teknik som används för att mäta hastigheten hos vätskor eller gaser genom att använda laserljus. Två laserstrålar korsar varandra vid en punkt i flödet, vilket bildar ett interferensmönster. Partiklar som rör sig genom detta mönster sprider ljuset, vilket resulterar i en Dopplerförskjutning i frekvensen på det spridda ljuset proportionell mot deras hastighet (liknande det fenomen som uppstår för ljudet från en ambulans när denna passerar). Denna frekvensförskjutning upptäcks och analyseras för att bestämma partikelns hastighet. LDV är icke-invasiv och möjliggör noggranna mätningar utan att störa flödet. LDV kan användas i en rad olika applikationer inom strömningsmekanik. Tekniken ger hög spatiell och tidsmässig upplösning, vilket gör den idealisk för detaljerad flödesanalys.
Strömningslära har ett LDV-system från TSI, och har tidigare även haft ett system från Dantec Dynamics. Dessa system har bland annat använts för att mäta flödeshastigheten i tidsberoende rörströmning på LTU, sekundärflöden i en förenklad uppställning av en roterande kiln och i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby.
CTA används för att mäta hastighet eller väggskjuvspänning i turbulenta flöden. Givaren som används i CTA, som antingen består av en tunn tråd eller en tunn film, utgör en resistor i en Wheatstone-brygga. När det strömmar runt ett uppvärmt objekt, vilket motsvarar givaren i detta fall, kommer det ske en värmeöverföring från objektet till det flödande mediet. En servoförstärkare ser till att bryggan hålls i balans genom att justera den elektriska strömmen genom givaren så att temperaturen (och därmed resistansen) hålls konstant, oavsett hur snabbt det strömmar över givaren. Den resulterande elektriska spänningen över givaren kan därmed relateras till flödeshastigheten, eller väggskjuvspänningen, genom en kalibrering.
Strömningslära har använt CTA för att studera väggskjuvspänning i tidsberoende rörströmning. Dessa har innefattat både transient och pulserande flödesfall. Mätningarna har genomförts i ett 100 mm rör på LTU vid relativt låga Reynolds tal (Re<50,000), samt i en större uppställning på NTNU i Norge (Re>1,500,000).
Våra uppställningar
I John Field-laboratoriet finns bland annat följande uppställningar. Dessa används både i doktorandprojekt, grundutbildning och av seniora forskare. I dessa uppställningar används de experimentella mätutrustningar som beskrivs ovan. Många av våra uppställningar är kopplade till vattenkraftindustrin. Studier genomförs både av flöde genom vattenturbiner och av miljörelaterade frågeställningar, exempelvis med koppling till fiskvandring. Strömningslära har också flödesceller av ordnade porösa material och en uppställning för tomografisk mätning av flödet efter en rörböj.
En förenklad modell av en vätgasledning finns tillgänglig för att studera flödet efter geometriska förändringar såsom rörböjar, kontraktioner och ventiler. Specifikt studeras fenomenet "swirl-switching", vilket är ett intressant fenomen som uppstår i turbulent rörströmning efter en böj.
Hittills har studier genomförts i en blandning av vatten och glycerol. Detta för att möjliggöra användadet av det tomografiska PTV-systemet som beskrivs ovan.
På längre sikt planeras även studier med vätgas som det flödande mediet. Målsättningen är att dessa ska genomföras i H2-Labs.
Flödesceller som representerar ordnade porösa material har använts i flera studier för att genomföra tomografiska PIV-mätningar. De porösa bäddarna har varit i form av förskjutna och kubiska strukturer. Studerade Reynolds-tal har varit i storleksordningen 10 < Re < 1000, vilket täcker in de laminära, transitionella och turbulenta regimerna av flödet.
En 1:15.5 nerskalad modell av Kaplanturbinen Porjus U9 finns tillgänglig i Strömningsläras laboratorium. Forskningsprojekt genomförda i denna uppställning har i huvudsak fokuserats på det så kallade virvelrepet, ett fenomen som uppstår när vattenturbiner körs vid ett relativt lågt effektuttag. För att optimera användandet av vattenkraft som en källa till reglerkraft är det viktigt att hitta metoder som kan bekämpa de skadliga fenomen som uppstår till följd av virveln. I uppställningen har bland annat stereoskopiska och plana PIV-mätningar, samt LDV-mätningar, genomförts för att karakterisera virvelrepet. Olika metoder för att bekämpa virveln har studerats, och däri har både tryck- och LDV-mätningar genomförts för att undersöka metodernas inverkan på virveln.
Eftersom turbinen är en nerskalad modell av Porjus U9 ges en unik möjlighet att studera skaleffekter. Dels mot prototypen, men även mot den 1:3.875 modellen av Porjus U9 som finns tillgänglig i Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby.
Uppställningen används också i grundutbildningen i kursen Strömningsmaskiner - F7017T.
I Strömningsläras öppna kanal studeras sekundärflöden genererade av olika geometriska former som ska efterlika de hinder som naturligt finns i våra älvar. Målet är att kartlägga de strömningsmekaniska strukturer som genereas av dessa geometriska former, för att i slutändan förstå vilka flödesstrukturer som lockar fiskar i deras vandring uppströms älvar när de ska fortplanta sig.
I denna kanal används framförallt de optiska mätmetoderna PTV och LDV.
Tryck-tid-metoden är en så kallad primär metod för att bestämma flödet i vattenturbiner. Flödet bestäms genom att mäta trycket mellan två tvärsnitt i ett cirkulärt rör. Enligt den internationella standarden IEC60041 ställs vissa krav på mätsektionen för att resultaten ska vara av tillräcklig noggrannhet.
I Strömningsläras laboratorium finns en uppställning för att studera tryck-tid-metoden vid förhållanden som inte uppfyller kraven enligt IEC60041. Svenska vattenkraftverk har ofta låg fallhöjd viket gör att de sällan uppfyller kraven i IEC-standarden. För att göra metoden mer användbar vid förhållanden som råder i svenska vattenkraftverk krävs det därför att metoden utvecklas. I uppställningen flödar vatten mellan två tankar som är förskjutna 3.6 meter i höjdled. Vattnet pumpas kontinuerligt tillbaka mellan tankarna, och så kallade överfall säkerställer att vattennivåerna alltid är vid samma höjd i de båda tankarna. Det maximala flödet i systemet ligger på 15 l/s. Bland annat undersöks möjligheten att utveckla tryck-tid-metoden att gälla när flödet strömmar genom en rörböj, eller en kontraktion.
Fältstudier och externa mätkampanjer
Strömningslära bedriver forskning i nära samarbete med industriella partners och andra lärosäten. Nedan visas ett axplock av studier som genomförts i fullskaliga fältuppställningar och i andra laboratorier.
Mitigering av flödesvirvel i fullskaliga vattenkraftverk
Det så kallade virvelrepet som kan uppstå när vattenturbiner körs vid ett relativt lågt effektuttag begränsar vattenkraftens förmåga att bidra med reglerkraft. Inom projektet AFC4Hydro, som avslutades 2023, genomfördes tester för mitigering av det skadliga virvelrepet i två fullskaliga vattenturbiner. Dels i Porjus U9 som är en 10 MW Kaplanturbin, samt i en 230 MW Francisturbin i Norska Oksla.
Bildbaserad mätning av ytflödesstrukturer i Bodens kraftverk
Bildbaserade mättekniker har använts för att mäta ythastigheter och ytmönster nedströms Bodens vattenkraftstation. Multipla kameror användes, och 3D-mätningar på älvens yta genomfördes med "Lagrangian Pattern Tracking Velocimetry and Large-scale Particle Image Velocimetry". Vattenföringen under dessa storskaliga tester nådde nästan 1000 kubikmeter per sekund.
Flödet runt längdskidåkare har studerats vid Mittuniversitetets klimatvindtunnel i Östersund med hjälp av det tomografiska PTV-system. Aerodynamik spelar en avgörande roll inom sport eftersom luftmotstånd är en av de motståndskrafter som motverkar rörelse i många discipliner, såsom längdskidåkning, cykling och skridskoåkning.
Studien i klimatvindtunneln fokuserade på den flödesvak som bildas bakom skidåkaren under åkningen. I alla sammanhang där luftmotstånd har stor betydelse är flödesvaken särskilt intressant. Vakens egenskaper påverkar den totala mängden genererat luftmotstånd, och detaljerade mätningar av dessa egenskaper ger en unik inblick i det luftmotstånd som genereras av skidåkare
Strömningslära har i mer än 15 års tid bedrivit forskning vid Vattenfalls laboratorie i Älvkarleby.
Turbinmodell
Ett flertal studier har genomförts i en modell av forskningsturbinen Porjus U9, belägen 5 mil norr om Jokkmokk. Ofta har laserbaserade metoder som PIV och LDV använts, men även höghastighetsfotografering och tryckmätningar har genomförts för att förbättra förståelsen för strömningen i olika delar av turbinen.
Vattenbyggnadshydraulik
Här har studier i kanaler med råa ytor genomförts för att efterlikna flödet i utsprängda bergtunnlar. Till studierna har optiska metoder som PIV använts, men även den akustiska metoden Acoustic Doppler Velocimetry (ADV) har nyttjats. Även flödet i utskov har studerats med hjälp av ADV.
Investeringar
Strömningslära strävar ständigt efter att ha tillgång till den senaste tekniken för avancerade mätningar av strömningsmekaniska fenomen. Vårt lab tillhör Sveriges modernaste och bäst utrustade för strömningsmekaniska studier, i huvudsak genom optiska mätmetoder. De senaste åren har vi satsat på:
- Stereoskpiskt PIV-system från Dantec Dynamics (2023).
- Tomografiskt PTV-system från LaVision (2021).
- Tomografiskt PIV-system från LaVision (2018).
Finansiering
Medel för dessa satsningar kommer i huvudsake från Kempestiftelserna och LTU:s labbfond, men även från följande finansiärer:
- Vetenskapsrådet
- EU
- Svenskt Vattenkraftcentrum
- Vinnova
Uppdaterad:
Sidansvarig: Kontakta oss