Visualización del flujo de tinte superficial: Un método cualitativo para observar los patrones de las líneas del tramo en un flujo supersónico

La visualización de flujo alrededor o en un cuerpo es una herramienta importante en la investigación aerodinámica. Proporciona un método para estudiar cualitativa y cuantitativamente la estructura de flujo, y también ayuda a los investigadores a teorizar y verificar el comportamiento del flujo de fluidos. La visualización de flujo se puede dividir en dos categorías: visualización fuera de la superficie y visualización de flujo de superficie. Las técnicas de visualización de flujo fuera de la superficie implican determinar las características de flujo alrededor del cuerpo de interés. Incluyen pero no se limitan a la velocimetría de imágenes de partículas (PIV), la imagen Schlieren y la visualización del flujo de humo. Estas técnicas pueden proporcionar datos cualitativos y cuantitativos sobre el flujo alrededor de un cuerpo. Sin embargo, estas técnicas son generalmente costosas y difíciles de configurar. Las técnicas de visualización del flujo de superficie, por otro lado, implican el recubrimiento del cuerpo de interés con un tinte para estudiar el flujo en la superficie. Estas técnicas, que son más invasivas en la práctica, incluyen la visualización del flujo de tinte y, más recientemente, utilizar pintura sensible a la presión, que da una imagen detallada del flujo en la superficie del cuerpo. Esto permite a los investigadores visualizar diferentes entidades de flujo, incluidas burbujas laminares, transiciones de capa de contorno y separación de flujo. La visualización del flujo de tinte, la técnica de interés en el experimento actual, proporciona una imagen cualitativa del flujo de superficie y es uno de los métodos de visualización de flujo de superficie más simples y rentables, específicamente para visualizar flujos gaseosos en un Cuerpo.

En este experimento, el comportamiento del flujo de superficie en seis cuerpos se estudia en flujo supersónico. Los patrones de raya se obtienen utilizando la técnica de visualización del flujo de colorante, y las trayectorias de flujo, el grado de unión y separación del flujo, y la ubicación y el tipo de choques se identifican y estudian a partir de las imágenes de flujo.

En la visualización del flujo de tinte, las partículas fluidas se marcan con un tinte para obtener la trayectoria trazada por las partículas a medida que se introduce el flujo. El tinte es una mezcla semi-viscosa de partículas fluorescentes de tinte y aceite. El tinte fluorescente colorea las partículas fluidas y las ilumina cuando son excitadas por una fuente de luz UV, y el aceite ayuda a mantener los patrones de flujo en la superficie, incluso después de que el cuerpo ya no está expuesto al flujo. La técnica de visualización del flujo de tinte proporciona una forma muy simple, barata y rápida de analizar los patrones de flujo sobre cualquier superficie.

Dependiendo del método de imagen, la visualización del flujo de colorante se puede utilizar para encontrar las rayas como resultado del flujo de fluido. Si la imagen se toma con exposición prolongada, el tinte se puede utilizar para rastrear la trayectoria tomada por una sola partícula de fluido a medida que se mueve en el flujo. En la técnica utilizada en el experimento actual, todas las partículas de fluido que pasan a través de un punto o área se marcan con un tinte, y la línea que une todas las partículas teñidas después de que el cuerpo se ha colocado en un flujo activo es la línea de estrado. Aquí, un solo fotograma capturado al final del experimento de visualización de flujo proporciona suficiente información para estudiar el flujo de superficie general en el cuerpo. La visualización del tinte a través de rayas, además de proporcionar detalles sobre el movimiento del flujo a lo largo de la superficie, también ayuda a identificar las entidades de flujo de superficie. El uso de la visualización del tinte en el flujo supersónico puede identificar la separación del flujo, la formación de choques y el movimiento del flujo a través de la superficie del cuerpo, todas las cuales son características que ayudan a optimizar el cuerpo aerodinámicamente.

1. Observando esrayas en el flujo supersónico
   1. Mezcle el polvo de colorante fluorescente y el aceite mineral en un recipiente de plástico. Añadir pequeñas cantidades de aceite mineral al tinte en incrementos, mezclando continuamente hasta obtener una mezcla semi-viscosa. La mezcla no debe ser moquea.
   2. Monte el aguijón por encima de la cámara de prueba del túnel de viento supersónico y enciérrelo en su lugar. En esta demostración se utilizó un túnel de viento supersónico de soplado con una sección de prueba de 6 en x 4 y un rango de números Mach de funcionamiento de 1,5 a 4, como se muestra en la Figura 1. El número Mach se varía ajustando el ajuste del bloque (cambiando la relación de área de la sección de prueba).
   3. Atornille el modelo de cuña 2D en el soporte de picadura y fije la dirección de la cuña de modo que la superficie de la cuña esté orientada hacia las paredes laterales transparentes de la sección de prueba del túnel de viento. Todos los modelos se muestran en la Figura 2.
   4. Utilice un pincel para aplicar una cantidad suficiente de la mezcla de tinte en el modelo. Asegúrese de que el tinte no gotee del modelo. Vea la figura 3 para la referencia.
   5. Ajuste la configuración del bloque para el número Mach de flujo libre deseado.
   6. Cierre y asegure los paneles del túnel de viento.
   7. Ejecuta el túnel de viento durante 6 segundos.
   8. Una vez finalizada la carrera, haz brillar una luz UV sobre el modelo para iluminar el tinte. Captura la imagen del rayado con una cámara.
   9. Ajuste el ángulo de ataque o el número Mach de acuerdo con la matriz de prueba enumerada en la Tabla 1 para el modelo y repita los pasos 1.4 - 1.9.
   10. Repita los pasos 1.3 - 1.9 para todos los modelos enumerados en la Tabla 1.
   11. Cuando todos los modelos hayan sido probados, apague el túnel de viento y desmonte la configuración.

Figura 1. Túnel de viento supersónico.

Figura 2. Modelos de túnel de viento (de izquierda a derecha) cuña 2D, cuña 3D, cono, cuerpo de nariz contundente, esfera y misil.

Tabla 1. Matriz de prueba.

Figura 3. Imagen representativa del tinte fluorescente pintado en la cuña 2D.

A continuación se muestran los patrones de flujo de línea de raya para los seis modelos y condiciones enumerados en la Tabla 1. Para la cuña 2D, se observa un patrón de flujo uniforme sobre el cuerpo, como se muestra en la Figura 4,excepto en la región donde hay una deformidad de superficie, lo que hace que el flujo se separe. Cuando se inclina a12o,el flujo a lo largo de la superficie se desvía hacia arriba. Este efecto se refleja cuando el modelo está en ángulo de-12o. En general, todos los casos muestran un flujo unido a través de toda la superficie, excepto en y detrás de la región de la deformidad de la superficie.

Figura 4. Patrones de flujo de raya sobre la cuña 2D (de izquierda a derecha) para los de 0o, 12o y -12o.

Las observaciones de la Figura 5 muestran que mientras que los patrones de flujo en el centro de la cuña 3D son similares a los que se observaron para la cuña 2D en los tres ajustes de ángulo, los patrones de flujo cerca de los bordes superior e inferior muestran la desviación del flujo. Esto podría atribuirse a los vórtices de punta en los bordes de la cuña. Mientras que los efectos de punta existen para la cuña 2D, la mayor distancia entre el centro de la cuña y el borde niega el efecto de la punta en el flujo de cuña central. Además, las rayas no muestran separación de flujo.

Figura 5. Patrones de flujo de raya sobre la cuña 3D (de izquierda a derecha) para los de 0o, 12o y-12o.

Los patrones de flujo de la línea de raya para el cono, que se muestran en la Figura 6,muestran un flujo aerodinámico y unido a través del cuerpo para todos los ángulos de ataque con el flujo curvado en la dirección de la desviación. También observamos que la separación del flujo se produce al final del cono, como lo indica la región donde el tinte se aglutina.

Figura 6. Patrones de flujo de raya sobre el cono (de izquierda a derecha) para los de 0o, 13o y -13o.

La Figura 7 compara los patrones de flujo sobre un borde romo en tres ángulos de ataque. Cuando se realiza un flujo unido sobre todo el cuerpo. A 11 y -11o, el flujo se curva alrededor del cuerpo (siguiendo el contorno de la superficie) pero se separa a lo largo de la línea donde se une el tinte.

Figura 7. Patrones de flujo de raya sobre el cuerpo de la nariz romo (de izquierda a derecha) para los de 0o, 11o y -11o.

Mientras que los patrones de flujo en la parte delantera del misil son similares a los observados en el cuerpo de la nariz contundente, las líneas de raya en las aletas del misil(Figura 8)muestran características de flujo interesantes. En el valor de 0o, las rayas en las aletas superior e inferior muestran el flujo adjunto en la parte delantera de la aleta con separación gradual que ocurre en un patrón cruzado, que se origina en las puntas y raíces de las aletas. También observamos que el flujo se separa mucho antes en la raíz de las aletas en comparación con las puntas. Otra observación interesante se hace mediante el estudio del tinte fusionado en el borde delantero de la aleta central. Los patrones de raya indican un golpe de arco con la forma del amortiguador marcado por el tinte. Cuando el misil está en ángulo a11o,observamos un flujo completamente unido en la aleta inferior, pero el flujo separado cerca de la raíz de la aleta superior. De forma similar a la caja de0o, la presencia de la aleta central provoca un golpe en el borde delantero de las aletas.

Figura 8. Patrones de flujo de raya sobre el misil (de izquierda a derecha) para los de 0o y 11o.

Para la esfera, como el número Mach era variado, los patrones de flujo alrededor de la esfera seguían siendo los mismos, independientemente del ángulo de desviación. Las observaciones de la Figura 9 muestran que a medida que aumenta el número de Mach, la región de separación (indicada por el área donde el tinte no se altera) disminuye. Esto se debe a que los flujos de velocidad más altos tienen más impulso, lo que a su vez permite que el flujo supere el gradiente de presión adversa sobre la esfera. Esto provoca un mayor grado de conexión de flujo con el aumento del número Mach.

Figura 9. Patrones de flujo de raya sobre la esfera (de izquierda a derecha) M a 2, 2,5 y 3.

Los patrones de flujo de raya en seis cuerpos en flujo supersónico se estudiaron utilizando la visualización del flujo de tinte superficial. Los patrones de flujo sobre las cuñas 2D y 3D mostraron que los efectos de la punta desempeñan un papel dominante en la determinación de la estructura de flujo de superficie. Se demostró que el flujo sobre el cono estaba completamente unido para un rango de desviación de 13o. El modelo de nariz contundente fue el primer cuerpo en mostrar una línea de separación clara cuando se desvió en un ángulo de 11o, un patrón que también se observó en la sección inicial del misil. Los patrones de flujo en las aletas de los misiles indican características interesantes, como la separación de flujo y la formación de impactos. También deducimos el tipo de choque (choque de arco) que se formó en el borde delantero de la aleta. Finalmente, variar el número Mach para el flujo sobre una esfera mostró que el punto de separación de flujo se mueve hacia atrás en la esfera con una velocidad de flujo creciente. En general, el experimento demostró la simplicidad y eficacia de la visualización del flujo de tinte de raya, una técnica utilizada por los ingenieros aeroespaciales en procesos de diseño rápido para obtener vehículos aerodinámicos más eficientes y aerodinámicos.