Surface Dye Flow Visualisierung: Eine qualitative Methode zur Beobachtung von Stromlinien in Überschallströmungen

Die Strömungsvisualisierung um oder an einem Körper ist ein wichtiges Werkzeug in der Aerodynamikforschung. Es bietet eine Methode, um die Strömungsstruktur qualitativ und quantitativ zu untersuchen, und es hilft Forschern auch, das Strömungsverhalten zu theoretisieren und zu überprüfen. Die Flussvisualisierung kann in zwei Kategorien unterteilt werden: die Visualisierung von Oberflächenund-Oberflächen und die Visualisierung des Oberflächenflusses. Off-the-Surface-Flow-Visualisierungstechniken beinhalten die Bestimmung der Strömungseigenschaften um den Körper von Interesse. Dazu gehören, sind aber nicht auf partikelbildalitisch (PIV), Schlieren-Bildgebung und Rauchflussvisualisierung beschränkt. Diese Techniken können sowohl qualitative als auch quantitative Daten über den Fluss um einen Körper liefern. Diese Techniken sind jedoch im Allgemeinen teuer und schwer einzurichten. Die Visualisierungstechniken für den Oberflächenfluss hingegen beinhalten die Beschichtung des Interessenkörpers mit einem Farbstoff, um den Fluss auf der Oberfläche zu untersuchen. Diese Techniken, die in der Praxis invasiver sind, umfassen die Visualisierung des Farbflusses und in jüngerer Zeit die Verwendung druckempfindlicher Farben, die eindetailliertesBild des Flusses auf der Körperoberfläche ergeben. Auf diese Weise können Forscher verschiedene Strömungsmerkmale visualisieren, einschließlich laminarer Blasen, Grenzschichtübergänge und Flusstrennung. Die Dye Flow Visualisierung, die Technik, die für das aktuelle Experiment von Interesse ist, liefert ein qualitatives Bild des Oberflächenflusses und ist eine der einfachsten und kostengünstigsten Oberflächenflussvisualisierungsmethoden, speziell zur Visualisierung gasförmiger Strömungen auf einem körper.

In diesem Experiment wird das Oberflächenflussverhalten an sechs Körpern im Überschallfluss untersucht. Die Streifenmuster werden mit der Farbflussvisualisierungstechnik ermittelt, und die Strömungspfade, der Grad der Strömungsbefestigung und -trennung sowie die Position und Art der Schocks werden anhand der Strömungsbilder identifiziert und untersucht.

In der Farbflussvisualisierung werden Fluidpartikel mit einem Farbstoff markiert, um den Pfad zu erhalten, der von den Partikeln beim Einwerden des Flusses verfolgt wird. Der Farbstoff ist eine halbviskose Mischung aus fluoreszierenden Farbstoffpartikeln und Öl. Der Fluoreszenzfarbstoff färbt die Flüssigkeitspartikel und beleuchtet sie, wenn sie von einer UV-Lichtquelle angeregt werden, und das Öl hilft, die Strömungsmuster auf der Oberfläche zu erhalten, auch wenn der Körper nicht mehr dem Fluss ausgesetzt ist. Die Farbfluss-Visualisierungstechnik bietet eine sehr einfache, kostengünstige und schnelle Möglichkeit, die Strömungsmuster über jede Oberfläche zu analysieren.

Je nach Bildgebungsmethode kann die Farbflussvisualisierung verwendet werden, um die Streifenlinien als Ergebnis des Flüssigkeitsflusses zu finden. Wenn das Bild mit längerer Belichtung aufgenommen wird, kann der Farbstoff verwendet werden, um den Pfad zu verfolgen, der von einem einzelnen Fluidteilchen genommen wird, während es sich im Fluss bewegt. In der im aktuellen Experiment verwendeten Technik werden alle Flüssigkeitspartikel, die durch einen Punkt oder bereich gehen, mit einem Farbstoff markiert, und die Linie, die alle gefärbten Teilchen verbindet, nachdem der Körper in einen aktiven Fluss gelegt wurde, ist die Streakline. Hier liefert ein einzelner Frame, der am Ende des Strömungsvisualisierungsexperiments erfasst wird, genügend Informationen, um den allgemeinen Oberflächenfluss am Körper zu untersuchen. Die Farbvisualisierung über Streifenlinien hilft nicht nur, Details zur Strömungsbewegung entlang der Oberfläche zu liefern, sondern hilft auch dabei, Oberflächenfluss-Features zu identifizieren. Die Verwendung von Farbstoffvisualisierung im Überschallfluss kann Strömungstrennung, Stoßbildung und Bewegung des Flusses über die Körperoberfläche identifizieren, die allesamt Funktionen sind, die helfen, den Körper aerodynamisch zu optimieren.

1. Beobachten von Streifenlinien im Überschallfluss
   1. Mischen Sie das fluoreszierende Farbstoffpulver und Mineralöl in einer Kunststoffschüssel. Fügen Sie kleine Mengen Mineralöl in Schritten in den Farbstoff, mischen kontinuierlich, bis eine halbviskose Mischung erhalten ist. Die Mischung sollte nicht runny sein.
   2. Montieren Sie den Stachel über der Überschall-Windkanal-Prüfkammer und verriegeln Sie ihn an Ort und Stelle. In dieser Demonstration wurde ein abblasender Überschall-Windkanal mit einem 6 in x 4 im Testabschnitt und einem Betriebs-Mach-Nummernbereich von 1,5 bis 4 verwendet, wie in Abbildung 1dargestellt. Die Mach-Nummer wird durch Anpassen der Blockeinstellung (Änderung des Flächenverhältnisses des Testabschnitts) variiert.
   3. Schrauben Sie das 2D-Keilmodell auf die Stachelhalterung und fixieren Sie die Richtung des Keils so, dass die Keilfläche den transparenten Seitenwänden des Windkanalprüfabschnitts zugewandt ist. Alle Modelle sind in Abbildung 2dargestellt.
   4. Verwenden Sie einen Pinsel, um eine ausreichende Menge der Farbstoffmischung auf das Modell aufzutragen. Stellen Sie sicher, dass der Farbstoff nicht vom Modell abtropft. Siehe Abbildung 3 als Referenz.
   5. Passen Sie die Blockeinstellung für die gewünschte Freie-Stream-Mach-Nummer an.
   6. Schließen und sichern Sie die Windkanalpaneele.
   7. Führen Sie den Windkanal für 6 Sekunden.
   8. Nach Abschluss des Laufs ein UV-Licht auf das Modell leuchten, um den Farbstoff zu beleuchten. Erfassen Sie das Streakline-Bild mit einer Kamera.
   9. Passen Sie den Angriffswinkel oder die Mach-Zahl entsprechend der in Tabelle 1 für Modell aufgeführten Testmatrix an und wiederholen Sie die Schritte 1.4 - 1.9.
   10. Wiederholen Sie die Schritte 1.3 - 1.9 für alle in Tabelle 1 aufgeführten Modelle.
   11. Wenn alle Modelle getestet wurden, schalten Sie den Windkanal ab und demontieren Sie den Aufbau.

Abbildung 1. Blow-down Überschall-Windkanal.

Abbildung 2. Windkanalmodelle (von links nach rechts) 2D Keil, 3D Keil, Kegel, stumpfe Nase Körper, Kugel und Rakete.

Tabelle 1. Testmatrix.

Abbildung 3. Repräsentatives Bild des fluoreszierenden Farbstoffs, der auf den 2D-Keil gemalt ist.

Die Streifenflussmuster für die sechs in Tabelle 1 aufgeführten Modelle und Bedingungen sind unten dargestellt. Für den 2D-Keil wird ein gleichmäßiges Strömungsmuster über dem Körper beobachtet, wie in Abbildung 4dargestellt, außer in dem Bereich, in dem es eine Oberflächendeformität gibt, wodurch sich der Fluss trennt. Bei einem Winkel von 12°wird der Fluss entlang der Oberfläche nach oben abgelenkt. Dieser Effekt wird gespiegelt, wenn das Modell bei -12°abgewinkelt ist. Im Allgemeinen zeigen alle Fälle einen gebundenen Fluss über die gesamte Oberfläche, außer am und hinter dem Bereich der Oberflächendeformität.

Abbildung 4. Streakline-Flow-Muster über den 2D-Keil (von links nach rechts) für s = 0°, 12° und -12°.

Beobachtungen aus Abbildung 5 zeigen, dass die Strömungsmuster in der Mitte des 3D-Keils zwar denen ähneln, die für den 2D-Keil bei allen drei Winkeleinstellungen beobachtet wurden, die Strömungsmuster in der Nähe der oberen und unteren Ränder jedoch eine Strömungsablenkung aufweisen. Dies könnte auf die Spitzenwirbel an den Rändern des Keils zurückgeführt werden. Während Spitzeneffekte für den 2D-Keil vorhanden sind, negiert der größere Abstand zwischen keilzentriert und randdie Wirkung der Spitze auf den zentralen Keilfluss. Darüber hinaus zeigen die Streifenlinien keine Strömungstrennung.

Abbildung 5. Streakline-Flussmuster über den 3D-Keil (von links nach rechts) für s= 0°, 12° und -12° .

Streakline-Flussmuster für den Kegel, dargestellt in Abbildung 6, zeigen einen stromlinienförmigen, angefügten Fluss über den Körper für alle Angriffswinkel mit der Strömungskrümmung in Richtung der Umlenkung. Wir beobachten auch, dass die Strömungstrennung am Ende des Kegels stattfindet, wie durch den Bereich angezeigt wird, in dem der Farbstoff verklumpt.

Abbildung 6. Streakline-Flussmuster über den Kegel (von links nach rechts) für - = 0°, 13° und -13°.

Abbildung 7 vergleicht die Strömungsmuster über eine stumpfe Kante in drei Angriffswinkeln. Wenn es sich um ein Wert von = 0° geht, sehen wir einen gebundenen Fluss über den ganzen Körper. Bei s = 11 und -11° krümmt sich der Fluss um den Körper (nach der Oberflächenkontur), trennt sich aber entlang der Linie, wo der Farbstoff zusammenfließt.

Abbildung 7. Streakline-Flow-Muster über den stumpfen Nasenkörper (von links nach rechts) für s = 0°, 11° und -11°.

Während die Strömungsmuster an der Vorderseite der Rakete denen ähneln, die auf dem stumpfen Nasenkörper beobachtet werden, zeigen die Streifenlinien auf den Raketenflossen (Abbildung 8) interessante Strömungsmerkmale. Die Streifenlinien an der oberen und unteren Flossen zeigen an der Vorderseite der Flosse einen gebundenen Fluss mit einer allmählichen Trennung, die in einem Kreuzmuster auftritt, das von den Flossenspitzen und Wurzeln stammt. Wir beobachten auch, dass sich der Fluss viel früher an der Wurzel der Flossen im Vergleich zu den Spitzen löst. Eine weitere interessante Beobachtung wird durch das Studium des koalierten Farbstoffs an der Vorderkante der Mittelflosse gemacht. Die Streakline-Muster weisen auf einen Bogenschock mit der Form des Schocks hin, der durch den Farbstoff gekennzeichnet ist. Wenn die Rakete bei 11°abgewinkelt ist, beobachten wir den vollständig befestigten Fluss auf der unteren Flosse, aber getrennten Fluss in der Nähe der Wurzel der oberen Flosse. Ähnlich wie beim0°-Gehäuse verursacht das Vorhandensein der Mittelflosse einen Bogenschock an der Flossenvorderkante.

Abbildung 8. Streakline-Flow-Muster über der Rakete (von links nach rechts) für s = 0° und 11°.

Für die Kugel, da die Mach-Zahl variiert wurde, blieben die Strömungsmuster um die Kugel gleich, unabhängig vom Umlenkwinkel. Die Beobachtungen aus Abbildung 9 zeigen, dass mit zunehmender Mach-Zahl der Trennungsbereich (angezeigt durch den Bereich, in dem der Farbstoff nicht gestört wird) abnimmt. Dies liegt daran, dass höhere Geschwindigkeitsströme mehr Schwung haben, was wiederum dem Fluss erlaubt, den negativen Druckgradienten über der Kugel zu überwinden. Dies führt zu einem höheren Grad an Strömungsbindung mit steigender Mach-Zahl.

Abbildung 9. Streakline-Flussmuster über die Kugel (von links nach rechts) M = 2, 2.5 und 3.

Streakline-Flussmuster über sechs Körper im Überschallfluss wurden mithilfe der Visualisierung von Oberflächenfarbstoffströmungen untersucht. Strömungsmuster über die 2D- und 3D-Keile zeigten, dass Spitzeneffekte eine dominierende Rolle bei der Bestimmung der Oberflächenflussstruktur spielen. Der Durchfluss über den Kegel wurde bei einem Umlenkbereich von 13° als vollständig befestigt gezeigt. Das stumpfe Nasenmodell war der erste Körper, der eine klare Trennlinie zeigte, wenn es in einem Winkel von 11° abgelenkt wurde, ein Muster, das auch im ersten Abschnitt der Rakete beobachtet wurde. Die Strömungsmuster auf den Raketenflossen weisen auf interessante Merkmale wie Strömungstrennung und Stoßbildung hin. Wir leiteten auch die Art des Schocks (Bogenschock), der sich an der Vorderkante der Flosse gebildet hat. Schließlich zeigte die Variation der Mach-Zahl für den Fluss über eine Kugel, dass sich der Punkt der Strömungstrennung mit zunehmender Strömungsgeschwindigkeit nach hinten auf die Kugel bewegt. Insgesamt demonstrierte das Experiment die Einfachheit und Wirksamkeit der Visualisierung von Streifenfarbstoffströmungen, einer Technik, die von Luft- und Raumfahrtingenieuren in Schnelldesignprozessen eingesetzt wird, um schlankere und effizientere Aerofahrzeuge zu erhalten.