Schlieren-Imaging: Eine Technik zur Visualisierung der Eigenschaften von Überschallströmungen

Quelle: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Militärische Düsenjäger und Projektile können mit unglaublichen Geschwindigkeiten fliegen, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, was bedeutet, dass sie mit einer Überschallgeschwindigkeit reisen. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle durch ein Medium ausbreitet, das 343 m/s beträgt. Mach-Nummern werden verwendet, um die Fluggeschwindigkeit eines Objekts relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen.

Ein Objekt, das mit einer Schallgeschwindigkeit unterwegs ist, hätte eine Mach-Zahl von 1,0, während ein Objekt, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fährt, eine Mach-Zahl größer als 1,0 hat. Die Kompressibilitätseffekte der Luft müssen bei Reisen mit solchen Geschwindigkeiten berücksichtigt werden. Ein Fluss gilt als komprimierbar, wenn die Mach-Zahl größer als 0,3 ist. In dieser Demonstration wird Mach 2.0 Überschallstrom über einen Kegel analysiert, indem die Bildung von Stoßwellen und Kompressionswellen im komprimierbaren Durchfluss mit einem Schlieren-System visualisiert wird.

1. Visualisierung von Stoßwellen mit einem schlierenden Bildgebungssystem

1. Aktivieren Sie die Trocknertürme, um die Luft zu dehydrieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der Luftstrom keine Feuchtigkeit enthält, und verhindert die Eisbildung, wenn die lokale Temperatur im Testabschnitt aufgrund des Überschallflusses sinkt.
2. Öffnen Sie den Testabschnitt und sichern Sie das 15° Halbwinkelkegelmodell an der Stützstruktur.
3. Überprüfen Sie, ob der Testabschnitt frei von Schmutz ode

Bei dieser Demonstration wurde ein Kegel mit einem halber Winkel von 15 Grad einem Überschallfluss bei Mach 2.0 unterzogen. In Abbildung 3 wird ein Schockwecker und ein Expansionslüfter über dem Kegel beobachtet. Theoretisch sollte sich an der Kegeloberfläche in einem Winkel von 33,9° ein schräger Schock bilden. Der Versuchswinkel wurde auf 33,6° gemessen, wie die rote Linie in Abbildung 3B zeigt. Im Vergleich zu den theoretischen Daten lag der prozentuale Fehler bei weniger als 1 ...

Die schlierenbildende Technik ist eine klassische optische Strömungsvisualisierungstechnik, die auf Dichteänderungen in der Flüssigkeit basiert. Es ist ein einfaches System mit konkaven Spiegeln, einer Messerkante und einer Lichtquelle. Mit diesem System können Überschall-Flussfunktionen wie Stoßwellen und Expansionswellen visualisiert werden. Diese Technik hat jedoch Empfindlichkeitsgrenzen für Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit.

Das schlierenbildende Verfahren kann für eine Vi...