Die Autoren möchte Hong Kong Research Grants Council (No. GRF526913), Hong Kong Innovation and Technology Kommission (No. ITS/334/15FP), und die uns Büro von Naval Research Global (No. N00014-16-1-2161) für die finanzielle Unterstützung.

(1) Windkanal-Setup
<ol><li>Deltaflügel-Modell
	<ol>
<li>Bauen Sie ein Delta-Flügel Modell aus Aluminium, mit einem Sweep Winkel φ von 75°, ein Akkord Länge c 280 mm, eine Wurzel Span b 150 mm und einer Dicke von 5 mm. Haben beide Kanten abgeschrägt bei 35°, die Trennung Punkt17 zu beheben (siehe Abbildung 1a).</li>
	</ol></li>
	<li>Windkanal-Anlage
	<ol>
<li>Durchführen Sie Experimente in einem geschlossenen Regelkreis Lowspeed Windkanal mit einer Messstrecke von 2,4 m (Länge) × 0,6 m (Breite) × 0,6 m (Höhe), die mit Glaswänden ausgestattet ist, die optischen während der Experimente Zugriff. Die turbulente Intensität einer solchen Anlage betragen weniger als 0,4 %. Hinweis: In dieser Studie verwendeten wir Windkanal an der Hong Kong Polytechnic University mit den oben genannten Eigenschaften. Auch die filmkühlung Geschwindigkeit U∞ reichten von 2,64 m/s auf 10,56 m/s, entspricht einem Reynolds-Zahl Re, 5 × 104 bis 2 × 105, basierend auf der Sehnenlänge des Delta-Flügel, die die typische Reichweite ist für eine unmanned aerial vehicles (UAV).</li>
		<li>Bei Bedarf nutzen Sie drei unterschiedliche Regelungen (siehe Abbildung 1 b-d) Laser-Blatt und die Kameras, um die Fluss-Strukturen in der Längsrichtung Querschnitt, span-wise Querschnitt und der transversalen Querschnitt zu beobachten. Schaltpläne des Setups sind in Abbildung 1 bdargestellt. Hinweis: Dieses Protokoll zeigt das Setup und die Messung in der Längsrichtung Querschnitt im Detail.</li>
	</ol></li>
	<li>Installieren Sie die Delta-Flügel
	<ol>
<li>Befestigen der Delta-Flügel-Hinterkante auf den Stachel, die auf eine Kreisbewegung-Anleitung zum Einstellen des Anstellwinkels (AoA), αverwendet. Das Zentrum der kreisführung ist auf der Zentrallinie der Windkanal-Messstrecke. So kann der Deltaflügel Zentrum immer im Mittelpunkt der Messstrecke. Passen Sie die AoA zu α = 34 °.</li>
		<li>Stellen Sie vorsichtig das Deltaflügel-Modell, um jede Gierwinkel minimieren und roll-Winkel, indem Sie die Messwerte von einem Winkel Meter und ein drei-Achs-Laser-Wasserwaage überprüfen. In der aktuellen Studie ist die Unsicherheit der diese beiden Winkel weniger als 0,1 °.</li>
	</ol></li>
	<li>Richten Sie den Laser-Blatt
	<ol>
<li>Verwenden Sie zwei Laser getrennt, um die Fluss-Strukturen für PIV-Messungen und Rauch Visualisierung zu beleuchten.<ol>
<li>Für PIV-Messungen, benutzen einen dual Puls-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und eine maximale Energie von 600 mJ (einstellbar) für jeden Puls. Steuern sie mit einem Synchronizer mit Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Signale (siehe Abbildung 1 b).</li>
			<li>Für Rauch Visualisierung, benutzen einen kontinuierlichen Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Leistung von 1 w. Dieser kontinuierliche Laser arbeitet unabhängig. Während der Installation Setup ein Graufilter mit 10 % Durchlässigkeit den Laserstrahl aus Sicherheitsgründen Filtern verwenden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Geeigneten Laser-Schutzbrille zu tragen.</li>
		<li>Passen Sie die Reflexion Spiegel den Laserstrahl in den Windkanal einzuführen. Der Winkel zwischen der Laser-Licht-Achse und der Spiegel ist <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq1.jpg"> </img>, um den Laserstrahl senkrecht zur Fläche Deltaflügel machen. Sicherzustellen, dass der Laserstrahl auf die Position x/c ≅ 0,25, die später das Zentrum der das Sichtfeld (FOV) werden.</li>
		<li>Installieren Sie Laseroptik (mit dem kontinuierlichen Laser, auf den ersten) um die Laser-Blatt zu bilden, wie in Abbildung 1 bgezeigt. Die konvexe Linse dient zur Steuerung der Laserstrahl Größe (auch die Blechstärke). Zylinderlinse erweitert den Laserstrahl auf ein Laser-Blatt. Hinweis: In der aktuellen Studie, die Brennweite der Zylinderlinse ist 700 mm und der Durchmesser der Zylinderlinse beträgt 12 mm.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Laser-Blechstärke durch Messung der Laserlinie auf dem Modell. Ändern Sie die Position der konvexe Linse, wenn die Laser Blechdicke nicht geeignet ist (in diesem Fall etwa 1 mm, mit einer wirksamen Breite von der Laser-Blatt in der Messstrecke von ca. 100 mm). Beachten Sie, dass die Blechdicke Laser (1) die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der normalen Laser-Blatt und (2) das Zeitintervall zwischen den beiden Schnappschüsse in PIV Messung abhängig ist.</li>
		<li>Setzen Sie eine Kalibrierung Zieltafel auf dem Delta-Flügel, mit seiner Oberfläche deckungsgleich zu den Laser-Blatt. Dieser Schritt ist notwendig, da die FOV in der vorliegenden Studie nicht orthogonal zu den Windkanal-Koordinate ist.</li>
	</ol></li>
	<li>Kamera-setup
	<ol>
<li>Schalten Sie den Laser beim Einrichten der Kameras. Wie bei den Lasern, verwenden Sie zwei Kameras für jeden separaten Teil dieses Experiments:<ol>
<li>Für PIV Messungen Verwenden einer Highspeed-CCD-Kamera mit einer Auflösung von 2048 × 2048 Pixel. Diese Kamera wird gesteuert von der Synchronizer und dual Puls laser (siehe Abbildung 1 b). Daten in dieser Kamera werden direkt an den Computer übertragen werden.</li>
			<li>Verwenden Sie für Rauch Visualisierung eine kommerzielle digitale Kamera mit einer Snapshot-Auflösung von 4.000 x 6.000 Pixel und einer Videoaufzeichnung 50 Hz Auflösung von 720 × 1280 Pixel während der Rauch Visualisierung. Es wird manuell bedient werden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Bewegen Sie die Position der Kamera (auf den ersten kommerziellen Digitalkamera), die gewünschte FOV zu erhalten. Stellen Sie das Objektiv der Kamera auf die Kalibrierung Zieltafel konzentrieren. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Feld konzentriert. Ist dies nicht der Fall, die Koordinaten der Kamera möglicherweise nicht orthogonal zur Kalibrierung-Zieltafel. Stellen Sie die Kamera positionieren sorgfältig18.</li>
		<li>Nehmen Sie mehrere Frames, nachdem die Kamera gut eingestellt ist. Später werden diese Frames Ziel Kalibrierplatte, den Skalierungsfaktor zwischen der tatsächlichen Größe und Frame-Pixel zu kalibrieren und die Referenzposition in die Xyz-Koordinate zu identifizieren verwendet werden. Dann entfernen Sie die Kalibrierung Zieltafel.</li>
	</ol></li>
	<li>Schalten Sie den Windkanal bei niedriger Drehzahl (z.B. 3 m/s) und injizieren Sie Ölpartikel in den Windkanal zu. Stellen Sie den Druck der Aerosol-Generator bei 2,5 Bar und betreiben Sie es für 30 s für die Pre-gesäten Flow-Visualisierung-Methode. Danach wird die gesamte Windkanal gleichmäßig mit Ölpartikeln bei einem normalen Durchmesser von etwa 1 µm ausgesät. Hinweis: In der aktuellen Studie, die geschätzte Öl Dichte Partikelkonzentration im Windkanal ist etwa <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq2.jpg"> in den Rauch Visualisierung; Somit ist der gesamte Fluss Dichteänderung im Windkanal <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq3.jpg"> </img>.</li>
	<li>PIV-Software-setup
	<ol>
<li>Das PIV-System mit der PIV-Software Steuern (siehe Tabelle der Materialien). Diese Software kann den Synchronizer TTL-Signale an den Laser und die Kamera senden Befehl, wie in Abbildung 1 bgezeigt.</li>
		<li>Legen Sie die Sampling-Frequenz bei 5 Hz, mit einer gesamten Probenahme-Reihe von 500. Das Zeitintervall zwischen den PIV-Frames ist 80 µs. Beachten Sie, dass der zeitliche Abstand abhängig von der Größe der FOV und Flow Geschwindigkeit ist. Stellen Sie sicher, dass die Vernehmung Bereiche in zwei Frames über eine Überlappung von 50-75 %.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Durchführung des Experiments
<ol><li>
Verbesserte Rauch Visualisierung
	<ol>
<li>Schalten Sie den Windkanal die gewünschte filmkühlung Geschwindigkeit (U = 2,64 m/s). Führen sie für 10 min die filmkühlung Geschwindigkeit zu stabilisieren. Bei Re = 50.000, die filmkühlung Geschwindigkeit ist U = 2,64 m/s.</li>
		<li>Schalten Sie den kontinuierlichen Laser. Verwenden Sie die Digitalkamera, um 5-10 Schnappschüsse von der Strömung Struktur zu erfassen.</li>
		<li>Überprüfen Sie, ob der Laser-Blatt längs Querschnitt des LEV-Kern (siehe die typische Struktur, siehe Abbildung 3). Wenn ja, markieren Sie diese Position auf dem Deltaflügel-Modell als Referenz für die späteren PIV-Messung; andernfalls ändern Sie die Position des Laser-Blatt durch die Anpassung der optischen Linse und Zurücksetzen Sie die folgenden Schritte 1.4.6 - 1.5.3 Kalibrierung.</li>
		<li>Überprüfen Sie die Bilder und den Fokus und Helligkeit. Wenn die Bildqualität nicht zufrieden stellend ist, stellen Sie die Blende des Objektivs oder die ISO-Einstellung.</li>
		<li>Weitere Schnappschüsse (in der Regel etwa 20) und Videos (ca. 40 s) mit dem richtigen Setup. Schalten Sie den Laser und übertragen Sie die Daten auf den Computer.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
PIV-Messung
	<ol>
<li>Wählen Sie anhand der Referenzposition bekannt aus Schritt 2.1.3 und die Ergebnisse der Snapshots aus Schritt 2.1.5 ein interessantes Gebiet (X/c≈ 0,3) als die FOV, wo bejubelten Teilstrukturen beobachtet werden. Ersetzen Sie die kontinuierliche Laser und Digitalkamera mit dual Puls Laser und CCD-Kamera für PIV-Messungen.</li>
		<li>Wiederholen Sie die Schritte 1.4.6 - 1.5.3 die Kalibrierung für PIV Messungen aufzeichnen.</li>
		<li>Schalten Sie den Windkanal die gewünschte filmkühlung Geschwindigkeit, U = 2,64 m/s. führen Sie es für 10 Minuten, um sicherzustellen, dass die filmkühlung Geschwindigkeit stabil ist.</li>
		<li>Die dual Impuls-Laser auf der höchsten Leistungsstufe einstellen und stehen. Mithilfe der Software starten Sie die Datenerfassung für 100 s. Sobald die Datenaufzeichnung beendet ist, schalten Sie den Laserkopf.</li>
		<li>Überprüfen Sie die aufgenommenen Bilder in der Software und überprüfen Sie die Laser-Blatt-Verteilung, die Teilchendichte (in der Regel 6 bis 10 Partikel in jedem gewünschten Verhör-Bereich), im Mittelpunkt und die Partikel-Verschiebung zwischen den doppelten Rahmen (25-50 % der Vernehmung Bereich).</li>
		<li>Wenn die Qualität der Bilder zufriedenstellend, ist wie unter Punkt 2.2.5 beschrieben., sichern Sie die Daten auf die Festplatte des PCs und anderen Fällen von wiederholen Sie die obigen Schritte ausgeführt. Andernfalls wiederholen Sie die Schritte 1.7 und 2.2 und passen Sie sorgfältig das Setup an.</li>
	</ol>
</li>
</ol>(3) die Verarbeitung der Daten
<ol><li>
Verbesserte Rauch Visualisierung Hinweis: Die folgenden Schritte, 3.1.1-3.1.4, erfolgen automatisch über MATLAB-Code (siehe Zusätzliche Codierung Datei).<ol>
<li>Verwandeln Sie das Video in einer Sequenz von Frames. Umwandeln Sie die Bilder aus dem RGB-Formular in Graustufen. Drehen Sie den Rahmen um die Deltaflügel Oberfläche horizontal auszurichten. Wählen Sie den gewünschten Bereich für die spätere Verarbeitung (Abbildung 2a).</li>
		<li>Passen Sie die Helligkeit und den Kontrast die Strömung Struktur hervorheben. Anwenden einer adaptiven Schwellenwerts um das graue Bild, um ein binäres Bild (Abb. 2 b) zu verwandeln.</li>
		<li>Addieren Sie die binäre Werte in jeder Spalte und finden Sie die Position, an der die Summe plötzlich ändert. Diese Position ist die Wirbel Aufschlüsselung Lage (Abbildung 2 c).</li>
		<li>Aufzeichnen der Wirbel Aufschlüsselung Standorte und ihre entsprechenden Zeiten. So erhalten Sie der zeitlichen Verlauf der Aufschlüsselung Oszillation.</li>
		<li>Verwenden Sie die Pixel-Real Größe Maßstabsfaktor (gemessen von den Bildern mit der Kalibrierung Zieltafel im Schritt 1.5.3), um den zeitlichen Verlauf von Pixeln in Originalgröße zu verwandeln und die Referenzposition zu identifizieren. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Aufschlüsselung Oszillation.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
PIV-Messung
	<ol>
<li>Die PIV-Software ausführen. Verwenden Sie die Bilder erwarb Schritt 2.2.2 der Skalierungsfaktor und die Referenzposition der Koordinaten festlegen. Vorverarbeitung der erfassten Daten durch die Bild-Verarbeitung-Bibliothek markieren die Partikel zu reduzieren Lärm18.</li>
		<li>Verwenden Sie die adaptive Verhör Bereich Methode mit einer minimalen Rastergröße von 32 × 32 Pixel und eine minimale Überlappung von 50 %. Wählen Sie den Bildbereich und legen Sie eine 3 x 3-Vektor-Validierung für die adaptive Cross-Korrelationen.</li>
		<li>Das Ergebnis wird als ein Vektor Geschwindigkeitsfeld gegeben, in denen die blauen Vektoren die richtigen Vektoren sind, die Grünen sind die ersetzten Vektoren und die roten sind schlechte Vektoren.</li>
		<li>Gelten Sie die 3 x 3 bewegen durchschnittliche Validierungsmethode, die lokale Geschwindigkeit durch den Vergleich der Vektoren in seiner Nachbarschaft zu schätzen. Ersetzen Sie Vektoren, die zu viel von ihren Nachbarn mit dem Durchschnitt ihrer Nachbarn abweichen.</li>
		<li>Berechnen Sie Vektor-Statistiken in der Geschwindigkeit Karten um die Fließeigenschaften im Zeitverlauf, z. B.die Zeit gemittelte Geschwindigkeit, die Standardabweichung und die Kreuzkorrelation zwischen Geschwindigkeitskomponenten zu erhalten. Berechnen Sie die skalare Derivate aus der Vektorkarte, die Innenausstattung des Strömungsfeldes, z. B.die Vorticity, Schubspannungen und wirbelnden Stärke zu demonstrieren.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).</li><li>Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low-speed wind tunnel testing. , (1999).</li><li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization. , (1987).</li><li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).</li><li>Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. 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Die Autoren haben nichts preisgeben.

Dieser Artikel stellt zwei Fluss Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, Strömung Struktur über die Deltaflügel qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Die allgemeine Verfahren des Experiments werden Schritt für Schritt beschrieben. Die Setups dieser beiden Methoden sind fast die gleichen, obwohl die beteiligten Geräte unterscheiden. Das Grundprinzip dieser zwei Fluss-Visualisierung-Methoden ist, die Partikel in den Fluss über die Laser-Blatt zu beleuchten. Die verbesserte Rauc...

Bereich Durchflussmessung über Visualisierungstechniken ist eine grundlegende Methodik in der Fluidtechnik. Unter den verschiedenen Visualisierungstechniken sind Rauch Draht Visualisierung im Windkanal Experimente und Farbstoff Visualisierung im Tunnel Wasserexperimente die am weitesten verbreitete Fluss Strukturen qualitativ zu veranschaulichen. PIV und Laser Doppler Messung (LDA) sind zwei typische quantitative Techniken1.
In Rauch Draht Visualisierung Rauch streichlinien erzeugt aus Öltröpfchen auf ein Heizdraht oder während der Experimente aus dem äußeren Rauch Generator/Behälter injiziert. Hochleistungs-Licht oder Laser-Blätter werden verwendet, um den Rauch streichlinien beleuchten. Bilder werden dann für die weitere Analyse aufgezeichnet. Dies ist eine einfache, aber sehr nützliche Fluss Visualisierung Methode2. Die Wirksamkeit dieser Methode kann jedoch durch verschiedene Faktoren, wie die kurze Dauer der Rauch Drähte, die komplexe dreidimensionale Strömungsfeld, die relativ hohe Geschwindigkeit der Strömung und die Effizienz der Rauchentwicklung3beschränkt werden.
In PIV-Messungen ein Querschnitt durch ein Strömungsfeld mit mitgeführten Partikel wird durch eine Laser-Blatt beleuchtet und sofortige Positionen der Teilchen in dieser Querschnitt sind von einer Highspeed-Kamera eingefangen. In einer extrem kleinen Zeitintervall wird ein paar Bilder aufgezeichnet. Durch die Bilder in ein Raster von Verhör Bereiche aufzuteilen und die durchschnittliche Bewegung von Teilchen in Verhör Bereichen durch Kreuzkorrelation Funktionen berechnen, erhalten Sie die momentane Geschwindigkeit Vektorkarte in dieser beobachteten Querschnitt. Es ist jedoch auch bekannt, dass Kompromisse für Faktoren wie die Größe des Fensters Beobachtung, die Auflösung der Geschwindigkeit Karte, der geschwindigkeitsbetrag in der Ebene, der zeitliche Abstand zwischen den beiden Bildern, die orthogonal Geschwindigkeit erreicht werden muss Größe, und die Partikel Dichte4. Daher können viele explorative Experimente mussten die experimentelle Einstellungen zu optimieren. Es wäre teuer und zeitaufwändig zu untersuchen, eine unbekannte und komplexe Strömungsfeld mit PIV Messung allein5,6. In Anbetracht der oben genannten Bedenken eine Strategie verbinden Rauch Visualisierung und PIV Messung vorgeschlagen und hier demonstriert, um die komplexe Warenströme über eine schlanke Deltaflügel zu studieren.
Zahlreiche Studien von LEV strömt über Deltaflügel wurden durchgeführte7,8, mit Fluss-Visualisierungs-Techniken als die primären Tools verwendet. Viele interessante Strömungsphänomenen eingehalten worden: Spirale Typ und Blase Typ Vortex Pannen9,10, einer instationären Scherung Schicht Unterkonstruktion11,12, Schwingungen der LEV Aufschlüsselung Standorte13 , und Effekte von Pitch und Yaw Winkel14,15,16 auf die Fluss-Strukturen. Die zugrunde liegenden Mechanismen etwas unsicher Phänomene in der Deltaflügel fließt jedoch unklar7. In dieser Arbeit wird der Rauch Visualisierung verbessert mit der gleichen Ausgangswerten Partikeln in PIV Messung statt Rauch Draht verwendet. Diese Verbesserung stark vereinfacht die Bedienung der Visualisierung und erhöht die Qualität der Bilder. Basierend auf den Ergebnissen aus der verbesserten Rauch Fluss-Visualisierung, PIV Messung konzentriert sich auf die Strömungsfelder von Interesse, die quantitative Informationen zu erwerben.
Hier ist eine detaillierte Beschreibung zu um erklären, wie eine Fluss-Visualisierung-Experiment in einem Windkanal durchzuführen und zu untersuchen, schwankenden Strömungsphänomenen über eine Delta-Flügel. Zwei Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, werden gemeinsam in diesem Experiment verwendet. Das Verfahren beinhaltet Anleitungen für Setup und Parameter Geräteeinstellung. Typische Ergebnisse werden gezeigt, um den Vorteil der Kombination dieser beiden Methoden für die Messung der komplexen Strömungsfeld, räumlich und zeitlich zu zeigen.

<table><tbody><tr><td>532 nm Nd:YAG laser</td><td>Quantel Laser</td><td>Evergreen 600mJ</td><td></td></tr><tr><td>High speed camera</td><td>Dantec Dynamic</td><td>HiSense 4M</td><td></td></tr><tr><td>camera lens</td><td>Tamron</td><td>SP AF180mm F/3.5 Di</td><td></td></tr><tr><td>PIV recording and processing software</td><td>Dantec Dynamic</td><td>DynamicStudio</td><td></td></tr><tr><td>cylindrical lens</td><td>Newport</td><td></td><td>&amp;Phi;=12 mm</td></tr><tr><td>convex lens</td><td>Newport</td><td></td><td>f=700 mm</td></tr><tr><td>neutral density filter</td><td>Newport</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Calibration target</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>aerosol generator</td><td>TSI</td><td>TSI 9307-6</td><td></td></tr><tr><td>PULSE GENERATOR</td><td>Berkeley Nucleonics Corp</td><td>BNC 575</td><td></td></tr><tr><td>continuous laser</td><td></td><td>APGL-FN-532-1W</td><td></td></tr><tr><td>Digital camera</td><td>Nikon</td><td>Nikon D5200</td><td></td></tr><tr><td>Image processing</td><td>Matlab</td><td></td><td>custom code</td></tr><tr><td>wind tunnel support</td><td></td><td></td><td>custom made</td></tr><tr><td>laser level</td><td>BOSCH</td><td>GLL3-15X</td><td></td></tr><tr><td>angle meter</td><td>BOSCH</td><td>GAM220</td><td></td></tr></tbody></table>

experimental investigation of the flow structure over a delta wing via flow visualization methods

Es ist bekannt, dass das Strömungsfeld über eine Delta-Flügel von ein paar Zähler rotierenden Vorderkante Wirbel (LEV) dominiert wird. Ihr Mechanismus ist jedoch nicht gut verstanden. Der Fluss Visualisierungstechnik ist eine vielversprechende berührungslose Methode um das komplexe Strömungsfeld räumlich und zeitlich zu veranschaulichen. Eine grundlegende Fluss Visualisierung Setup besteht aus einem High-Power-Laser und optische Linsen, Laser-Blatt, eine Kamera, ein Tracer-Partikel-Generator und Datenverarbeiter zu generieren. Der Windkanal-Einrichtung, die Spezifikationen der beteiligten Geräte und die entsprechenden Parameter-Einstellungen sind abhängig von der Strömung Funktionen abgerufen werden.
Normal Rauch Draht Visualisierung verwendet einen Rauch Draht fließen streichlinien nachweisen. Allerdings ist die Leistung dieser Methode durch schlechte räumliche Auflösung begrenzt, wenn sie in einem komplexen Feld durchgeführt wird. Daher wurde eine verbesserte Rauch Fluss Visualisierungstechnik entwickelt. Diese Technik zeigt die groß angelegte globale LEV Strömungsfeld und der Schichtaufbau fließen kleine Schere zum gleichen Zeitpunkt bietet ein wertvolles Nachschlagewerk für später detaillierte Particle Image Velocimetry (PIV) Messung.
In diesem Papier zeigt die Anwendung der verbesserten Rauch Visualisierung und PIV-Messung, die Phänomene der instationären Strömung über eine Delta-Flügel zu studieren. Die Verfahren und Hinweise zur Durchführung des Experiments aufgeführt sind, einschließlich der Windkanal Setup, Datenerfassung und Datenverarbeitung. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass diese beiden Fluss Visualisierungsmethoden effektive Techniken für die Untersuchung der dreidimensionales Strömungsfeld, qualitativ und quantitativ.

Abb. 2d zeigt die Zeitverläufe der LEV Aufschlüsselung lagen. Die schwarze Kurve zeigt die Backbordseite LEV und die rote Kurve zeigt die Steuerbord LEV. Die Zeitskala ist nondimensionalized durch die kostenlosen Online Stream Geschwindigkeit und Akkord-Länge. Der Korrelationskoeffizient zwischen diesen beiden Zeitverläufe ist R = −0.53, zeigt eine starke Anti-symmetrische Interaktion der LEV Aufschlüsselung Lage Schwingungen. Dieses Ergebnis ...

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Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur instationären bejubelten fließt über eine Delta-Flügel mit einer modifizierten Rauch Fluss Visualisierungstechnik beobachten und untersuchen den Mechanismus für die Schwingungen der führende Wirbel Aufschlüsselung Standorte verantwortlich.

Experimentelle Untersuchung der Strömung Struktur über eine Delta-Flügel über Flow Visualisierungsmethoden

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is ...

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Serie: Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Forschung

Biotechnik

Experimental Investigation of Secondary Flow Structures Downstream of a Model Type IV Stent Failure in a 180&#176; Curved Artery Test Section

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and tortuosity). Secondary flow structures are vortical flow patterns that occur in curved arteries due to the combined action of centrifugal forces, adverse pressure gradients and inflow characteristics. Such flow morphologies are greatly affected by pulsatility and multiple harmonics of physiological inflow conditions and vary greatly in size-strength-shape characteristics compared to non-physiological (steady and oscillatory) flows 1 - 7.
Secondary flow structures may ultimately influence the wall shear stress and exposure time of blood-borne particles toward progression of atherosclerosis, restenosis, sensitization of platelets and thrombosis 4 - 6, 8 - 13. Therefore, the ability to detect and characterize these structures under laboratory-controlled conditions is precursor to further clinical investigations.
A common surgical treatment to atherosclerosis is stent implantation, to open up stenosed arteries for unobstructed blood flow. But the concomitant flow perturbations due to stent installations result in multi-scale secondary flow morphologies 4 - 6. Progressively higher order complexities such as asymmetry and loss in coherence can be induced by ensuing stent failures vis-&#224;-vis those under unperturbed flows 5. These stent failures have been classified as &#34;Types I-to-IV&#34; based on failure considerations and clinical severity 14.
This study presents a protocol for the experimental investigation of the complex secondary flow structures due to complete transverse stent fracture and linear displacement of fractured parts (&#34;Type IV&#34;) in a curved artery model. The experimental method involves the implementation of particle image velocimetry (2C-2D PIV) techniques with an archetypal carotid artery inflow waveform, a refractive index matched blood-analog working fluid for phase-averaged measurements 15 - 18. Quantitative identification of secondary flow structures was achieved using concepts of flow physics, critical point theory and a novel wavelet transform algorithm applied to experimental PIV data 5, 6, 19 - 26.

Stent implants in stenosed arterial curvatures are prone to "Type IV" failures involving the complete transverse fracture of stents and linear displacement of the fractured parts. We present a protocol for detection of secondary flow (vortical) structures in a curved artery model, downstream of clinically relevant "Type IV" stent failures.

Experimentelle Untersuchung von Sekundärströmungsstrukturen hinter einem Modell Typ IV Stent Failure in einem 180 ° Curved Artery Test Sektion

The arterial network in the human vasculature comprises of ubiquitously present blood vessels with complex geometries (branches, curvatures and ...

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine micro-organisms, and/or sediments in the ocean, or fluidized bed reactors and combustion processes in engineered systems. In order to study the effect of turbulence on the kinematics of particles in such flows, simultaneous measurements of both the flow and particle kinematics are required. Non-intrusive, optical flow measurement techniques for measuring turbulence, or for tracking particles, exist but measuring both simultaneously can be challenging due to interference between the techniques. The method presented herein provides a low cost and relatively simple method to make simultaneous measurements of the flow and particle kinematics. A cross section of the flow is measured using a particle image velocimetry (PIV) technique, which provides two components of velocity in the measurement plane. This technique utilizes a pulsed-laser for illumination of the seeded flow field that is imaged by a digital camera. The particle kinematics are simultaneously imaged using a light emitting diode (LED) line light that illuminates a planar cross section of the flow that overlaps with the PIV field-of-view (FOV). The line light is of low enough power that it does not affect the PIV measurements, but powerful enough to illuminate the larger particles of interest imaged using the high-speed camera. High-speed images that contain the laser pulses from the PIV technique are easily filtered by examining the summed intensity level of each high-speed image. By making the frame rate of the high-speed camera incommensurate with that of the PIV camera frame rate, the number of contaminated frames in the high-speed time series can be minimized. The technique is suitable for mean flows that are predominantly two-dimensional, contain particles that are at least 5 times the mean diameter of the PIV seeding tracers, and are low in concentration.

The technique described herein offers a low cost and relatively simple method to simultaneously measure particle kinematics and turbulence in flows with low particle concentrations. The turbulence is measured using particle image velocimetry (PIV), and particle kinematics are calculated from images obtained with a high-speed camera in an overlapping field-of-view.

Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

Ingenieurwesen

Airfoil Behavior: Pressure Distribution over a Clark Y-14 Wing

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An airfoil is a 2-dimensional wing section that represents critical wing performance characteristics. The pressure distribution and lift coefficient are important parameters that characterize the behavior of airfoils. The pressure distribution is directly related to the lift generated by airfoils. A Clark Y-14 airfoil, which is used in this demonstration, has a thickness of 14% and is flat on the lower surface from 30% of chord length to the back.
Here we will demonstrate how the pressure distribution around an airfoil is measured using a wind tunnel. A Clark Y-14 airfoil model with 19 pressure ports is used to collect pressure data, which is used to estimate the lift coefficient.

Verhalten der Tragflächen: Druckverteilung über einem Clark Y-14-Flügel

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
An ...

Lehre

JoVE Science Education

Flugzeugbau

Turbulence Sphere Method: Evaluating Wind Tunnel Flow Quality

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful in the design of vehicles and structures that are subjected to airflow during their use. Wind tunnel data are generated by applying a controlled air flow to a model of the object being studied. The test model usually has a similar geometry but is a smaller scale compared to the full-sized object. To ensure accurate and useful data is collected during low speed wind tunnel tests, there must be a dynamic similarity of the Reynolds number between the tunnel flow field over the testing model and the actual flow field over the full-sized object.
In this demonstration, wind tunnel flow over a smooth sphere with well-defined flow characteristics will be analyzed. Because the sphere has well-defined flow characteristics, the turbulence factor for the wind tunnel, which correlates the effective Reynolds number to the test Reynolds number, can be determined, as well as the free-stream turbulence intensity of the wind tunnel.

Turbulence Measurements at Varying Air Speeds

Turbulence Sphere-Methode: Bewertung der Strömungsqualität im Windkanal

Source: Jose Roberto Moreto and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Wind tunnel tests are useful ...

Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
The pressure distributions and drag estimations for cross cylindrical flow have been investigated for centuries. By ideal inviscid potential flow theory, the pressure distribution around a cylinder is vertically symmetric. The pressure distribution upstream and downstream of the cylinder is also symmetric, which results in a zero-net drag force. However, experimental results yield very different flow patterns, pressure distributions and drag coefficients. This is because the ideal inviscid potential theory assumes irrotational flow, meaning viscosity is not considered or taken into account when determining the flow pattern. This differs significantly from reality.
In this demonstration, a wind tunnel is utilized to generate a specified airspeed, and a cylinder with 24 ports of pressure is used to collect pressure distribution data. This demonstration illustrates how the pressure of a real fluid flowing around a circular cylinder differs from predicted results based on the potential flow of an idealized fluid. The drag coefficient will also be estimated and compared to the predicted value.

Cross Cylindrical Flow: Pressure Distribution &amp; Drag Coefficients

Querzylindrische Strömung: Messung der Druckverteilung und Einschätzung des Strömungswiderstandskoeffizient

Source: David Guo, College of Engineering, Technology, and Aeronautics (CETA), Southern New Hampshire University (SNHU), Manchester, New Hampshire
The ...

Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

Source: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Military jet fighters and projectiles can fly at incredible speeds that exceed the speed of sound, which means they are traveling at a supersonic speed. The speed of sound is the speed at which a sound wave propagates through a medium, which is 343 m/s. Mach numbers are used to gauge the flight speed of an object relative to the speed of sound.
An object traveling at the speed of sound would have a Mach number of 1.0, whereas an object traveling faster than the speed of sound has a Mach number greater than 1.0. The compressibility effects of air must be accounted for when traveling at such speeds. A flow is considered compressible when the Mach number is greater than 0.3. In this demonstration, Mach 2.0 supersonic flow over a cone will be analyzed by visualizing the formation of shock waves and compression waves in compressible flow using a Schlieren system.

Schlieren Imaging: Visualization of Supersonic Flow Features

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

Source: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA
Military jet ...

Flow Visualization in a Water Tunnel: Observing the Leading-edge Vortex Over a Delta Wing

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The delta wing, shown in Figure 1D, is a popular design in high-speed airplanes due to its superb performance in transonic and supersonic flight regimes. This type of wing has a small aspect ratio and high sweep angle, which reduces drag at high subsonic, transonic and supersonic flight regimes. The aspect ratio is defined as the wing span divided by the average chord <img align="middle" src="/files/ftp_upload/10459/10459eq1a.jpg" />.
An important advantage of the delta wing is its high stall angle. The stall of a delta wing is delayed compared to the stall of a high aspect ratio wing. This is because the lift of a delta wing is enhanced by the leading-edge vortex over the wing.
An effective way to observe this vortex flow phenomenon and study the vortex breakdown in a delta wing is by visualizing the flow in a water tunnel. By injecting dye in the flow surrounding a model from dye ports on the leading-edge, the vortex development and breakdown can be observed and its position measured. The data can also be used to estimate the stall angle.
<img src="/files/ftp_upload/10459/10459fig1.jpg" />
Figure 1. Typical wing planform shapes: A) Rectangular, with constant chord along span, B) elliptical, C) tapered, with variable chord along the span, and D) delta wing, an aft-swept wing with zero taper ratio.

Flow in a Water Tunnel: Leading-edge Vortex over a Delta Wing

Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel: Beobachtung des Vorderkantenwirbels über einem Deltaflügel

Source: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs and Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, California
The ...

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

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

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...

Measuring Turbulent Flows

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows exhibit very high frequency fluctuations that require instruments with high time-resolution for their appropriate characterization. Hot-wire anemometers have a short enough time-response to fulfill this requirement. The purpose of this experiment is to demonstrate the use of hot-wire anemometry to characterize a turbulent jet.
In this experiment, a previously calibrated hot-wire probe will be used to obtain velocity measurements at different positions within the jet. Finally, we will demonstrate a basic statistical analysis of the data to characterize the turbulent field.

Measuring Turbulent Flows Using Hot-Wire Anemometers

Messung turbulenter Strömungen

Source: Ricardo Mejia-Alvarez and Hussam Hikmat Jabbar, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Turbulent flows ...