Los autores desean agradecer el Consejo de becas de investigación de Hong Kong (no. GRF526913), Hong Kong innovación y tecnología de la Comisión (no. ITS/334/15FP) y el nos oficina de Naval investigación Global (no. N00014-16-1-2161) apoyo financiero.

1. configuración de túnel de viento de
<ol><li>Modelo de ala delta
	<ol>
<li>Construir un modelo de ala delta de aluminio, con un barrido ángulo φ de 75 °, un acorde longitud c de 280 m m, un palmo de la raíz b de 150 mm y 5 mm de espesor. Tiene dos bordes de ataque biselados a 35°-fijar el punto de separación del17 (véase Figura 1a).</li>
	</ol></li>
	<li>Instalación de túnel de viento
	<ol>
<li>Realizar experimentos en un túnel de viento de baja velocidad de lazo cerrado, con una sección de la prueba de 2,4 m (longitud) × 0,6 m (anchura) × de 0,6 m (altura) que cuenta con paredes de cristal que permiten el acceso óptico durante los experimentos. La intensidad turbulenta de esas instalaciones debe ser inferior a 0,4%. Nota: En este estudio, se utilizó un túnel de viento en la Universidad Politécnica de Hong Kong con las características anteriores. Además, la velocidad de la corriente U∞ varió de 2.64 m/s a 10.56 m/s, correspondiente a un número de Reynolds, Re, de 5 × 104 a 2 × 105, basado en la longitud de la cuerda del ala delta, que es el alcance de vuelo típico de un vehículo aéreo no tripulado (UAV).</li>
		<li>Según sea necesario, utilizar tres diferentes arreglos (ver Figura 1b-d) de la hoja de láser y las cámaras para observar las estructuras del flujo en la sección longitudinal, la sección span-wise y la sección transversal. Esquemas de la instalación se muestran en la Figura 1b. Nota: Este protocolo muestra la configuración y medición en la sección longitudinal en detalle.</li>
	</ol></li>
	<li>Instalar el ala delta
	<ol>
<li>Fijar el borde de fuga del ala delta en la picadura, que se encuentra en una guía de movimiento circular usada para ajustar el ángulo de ataque (AoA), α. El centro de la guía circular está en la línea central de la sección de prueba de túnel de viento. Así, el centro de ala delta puede ser siempre en el centro de la sección de prueba. Ajustar la AoA a α = 34 °.</li>
		<li>Ajuste cuidadosamente el modelo de ala delta para minimizar cualquier ángulo de guiñada y rollo de ángulo, revisando las lecturas de un medidor de ángulo y un nivel de láser de tres ejes. En el estudio actual, la incertidumbre de estos dos ángulos es menor que 0,1 °.</li>
	</ol></li>
	<li>Configurar la hoja laser
	<ol>
<li>Utiliza dos láseres por separado para iluminar las estructuras de flujo para medición PIV y visualización del flujo de humos.<ol>
<li>Para la medición de la PIV, utiliza un láser de pulso dual, con una longitud de onda de 532 nm y una energía máxima de 600 mJ (ajustable) para cada pulso. Controlar con un sincronizador con las señales de la lógica (TTL) de transistor-transistor (véase Figura 1b).</li>
			<li>Para la visualización del flujo del humo, utilice un láser continuo con una longitud de onda de 532 nm y una potencia de 1 w. Este láser continuo funciona de forma independiente. Durante la instalación de la instalación, utilice un filtro de densidad neutra con 10% de transmitancia para filtrar el rayo láser de seguridad.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Gafas láser apropiado.</li>
		<li>Ajustar el espejo de reflexión para introducir el láser en el túnel de viento. El ángulo entre el eje de luz de láser y el espejo es <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq1.jpg"> </img>, para que el rayo láser perpendicular a la superficie de ala delta. Asegúrese de que el rayo láser esté alrededor de la posición x/c ≅ 0,25, que más tarde será el centro del campo de visión (FOV).</li>
		<li>Instalar óptica láser (con el láser continuo, al principio) para formar la hoja láser, como se muestra en la Figura 1b. La lente convexa se utiliza para controlar el tamaño del haz de láser (también el grueso de la hoja). La lente cilíndrica expande el rayo láser a una hoja de laser. Nota: En el estudio actual, la longitud focal de la lente cilíndrica es de 700 mm y el diámetro de la lente cilíndrica es de 12 mm.</li>
		<li>Controlar el espesor de la hoja de láser mediante la medición de la línea de láser en el modelo. Ajustar la ubicación de la lente convexa si el espesor de la chapa de láser no es adecuado (aquí, alrededor de 1 mm, con una anchura eficaz de la hoja de láser en la sección de prueba de aprox. 100 mm). Tenga en cuenta que el espesor de la hoja del laser depende en 1) el componente de velocidad en la dirección normal a la hoja de laser y 2) el intervalo de tiempo entre el par de fotos para la medición de PIV.</li>
		<li>Poner una placa de la blanco de calibración en el ala delta, con su superficie coincidente a la hoja del laser. Este paso es fundamental porque el campo de visión en el presente estudio no es ortogonal a la coordenada de túnel de viento.</li>
	</ol></li>
	<li>Configuración de la cámara
	<ol>
<li>Apague el láser cuando se configura la cámara. Como con los lasers, utilizar dos cámaras para cada otra parte de este experimento:<ol>
<li>Para la medición de la PIV, utilice una cámara CCD de alta velocidad con una resolución de 2048 × 2048 píxeles. Esta cámara está controlada por el sincronizador y el pulso dual del laser (véase Figura 1b). En esta cámara los datos serán transmitidos directamente a la computadora.</li>
			<li>Para la visualización del flujo del humo, utilice una cámara digital comercial con una resolución de la foto de 4.000 × 6.000 píxeles y grabación de vídeo de 50 Hz resolución de 720 × 1280 píxeles durante la visualización del flujo de humos. Será operado manualmente.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Mover la cámara (cámara digital comercial, al principio) para obtener el campo de visión deseado. Ajustar la lente de la cámara para centrarse en la placa de la blanco de calibración. Asegúrese de que todo el campo se concentra. Si no es así, las coordenadas de la cámara pueden ser ortogonales a la placa de la blanco de calibración. Por lo tanto, ajustar la cámara cuidadosamente la posición18.</li>
		<li>Tomar varios marcos después de que la cámara esté bien configurada. Más tarde, estos marcos de la placa de la blanco de calibración se utilizará para calibrar el factor de escala entre el tamaño real y el pixel de marco y para identificar la posición de referencia en las coordenadas xyz. Luego, retire la placa de la blanco de calibración.</li>
	</ol></li>
	<li>Prenda el túnel de viento a baja velocidad (por ejemplo, 3 m/s) e inyectar partículas de aceite en el túnel de viento. La presión del generador de aerosol a 2,5 bar y operar durante 30 s por el método de visualización de flujo previamente sembradas. Después de esto, el túnel de viento todo va ser sembrado uniformemente con las partículas de aceite en un diámetro normal de alrededor de 1 μm. Nota: En el presente estudio, la concentración de densidad de partículas de petróleo estimado en el túnel de viento es de aproximadamente <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq2.jpg"> en la visualización del flujo del humo; así, el cambio de densidad de flujo total en el túnel de viento es <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/57244/57244eq3.jpg"> </img>.</li>
	<li>Instalación del software de PIV
	<ol>
<li>Controlar el sistema PIV con el software PIV (véase tabla de materiales). Este software puede ordenar el sincronizador para enviar señales TTL al laser y la cámara, como se muestra en la Figura 1b.</li>
		<li>Establecer la frecuencia de muestreo de 5 Hz, con un número de muestreo total de 500. El intervalo de tiempo entre los fotogramas de la PIV es 80 μs. Nota que el intervalo de tiempo es dependiente en el tamaño de la velocidad de flujo y campo visual. Asegúrese que las áreas de interrogatorio en dos marcos sobre una superposición del 50-75%.</li>
	</ol></li>
</ol>2. ejecución del experimento
<ol><li>
Mejora de visualización del flujo de humos
	<ol>
<li>Encienda el túnel de viento a la velocidad deseada de corriente (U = 2.64 m/s). Correr por 10 minutos estabilizar la velocidad de la corriente. En Re = 50.000, la velocidad de la corriente es U = 2.64 m/s.</li>
		<li>Encienda el láser continuo. Utilizar la cámara digital para capturar instantáneas de 5-10 de la estructura de flujo.</li>
		<li>Comprobar si la hoja láser se encuentra en la sección longitudinal de la base LEV (ver la estructura típica se muestra en la figura 3). Si es así, marque esta posición en el modelo de ala delta como una referencia para la medición de PIV más adelante; de lo contrario, cambiar la posición de la hoja del láser mediante el ajuste de la lente óptica y reiniciar la calibración siguiendo pasos 1.4.6 - 1.5.3.</li>
		<li>Revisar las imágenes y comprobar el enfoque y el brillo. Si no es satisfactoria la calidad de imagen, ajuste la abertura de la lente o la configuración ISO.</li>
		<li>Tomar más instantáneas (típicamente alrededor 20) y videos (aproximadamente 40 s) con la configuración adecuada. Apague el láser y transfiera los datos al ordenador.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medición de PIV
	<ol>
<li>Según la posición de referencia conocida de paso 2.1.3 y los resultados de las instantáneas del paso 2.1.5, elija una región interesante (x/c≈ 0.3) como el campo visual, donde se observan subestructuras en torbellino. Vuelva a colocar el láser continuo y cámara digital con el láser de pulso dual y cámara CCD para la medición de PIV.</li>
		<li>Repita los pasos 1.4.6 - 1.5.3 para registrar la calibración para la medición de PIV.</li>
		<li>Encienda el túnel de viento a la velocidad de la corriente deseada, U = 2.64 m/s. ejecutarlo durante 10 minutos para asegurar que la velocidad de la corriente es estable.</li>
		<li>Ajustar el láser de pulso dual al más alto nivel de energía y a. Utilizar el software para iniciar la adquisición de datos 100 s. Una vez terminada la grabación de datos, apague la cabeza láser.</li>
		<li>Revisar las imágenes adquiridas en el software y comprobar la distribución de la hoja del laser, la densidad de la partícula (generalmente 6-10 partículas en cada área deseada interrogatorio), el enfoque y el desplazamiento de partículas entre los fotogramas dobles (25-50% del interrogatorio área).</li>
		<li>Si la calidad de las imágenes es satisfactoria, como se describe en el paso 2.2.5., guardar los datos en el disco duro de la PC y ejecutar los otros casos, repitiendo los pasos anteriores. De lo contrario, repita los pasos del 1.7 y 2.2 y ajustar cuidadosamente la configuración.</li>
	</ol>
</li>
</ol>3. procesamiento de datos
<ol><li>
Mejor visualización de humo Nota: Los pasos siguientes, 3.1.1-3.1.4, se hace vía código MATLAB automáticamente (véase el Archivo de codificación complementaria).<ol>
<li>Transformar el video en una secuencia de fotogramas. Convertir los marcos de la forma RGB a escala de grises. Gire el marco horizontal para la superficie de ala delta. Elija el área de interés para el proceso posterior (Figura 2a).</li>
		<li>Ajustar el brillo y el contraste para resaltar la estructura de flujo. Aplicar un umbral adaptativo para transformar la imagen gris para una imagen binaria (figura 2b).</li>
		<li>Encuentre la posición en que la suma de repente cambia y sumar los valores binarios de cada columna. Esta posición es la localización de la avería de vórtice (figura 2C).</li>
		<li>Registre las ubicaciones de desglose de vortex y sus tiempos correspondientes. Así, se puede obtener la historia del tiempo de la oscilación de la avería.</li>
		<li>Utilizar el factor de escala de tamaño de píxel real (medido de las imágenes con la placa de la blanco de calibración paso 1.5.3) para transformar la historia de tiempo de píxeles a tamaño real y para identificar la posición de referencia. Trama de la historia del tiempo de la oscilación de la avería.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Medición de PIV
	<ol>
<li>Ejecute el software PIV. Utilice las imágenes adquiridas en paso 2.2.2 para establecer el factor de escala y la posición de referencia de las coordenadas. Procesamiento previo de los datos adquiridos a través de la biblioteca de procesamiento de imagen para resaltar las partículas y reducir ruido18.</li>
		<li>Utilice el método de área adaptativa interrogatorio con un tamaño mínimo de la red de 32 × 32 píxeles y un traslapo mínimo de 50%. Elija el área de imagen y establecer una validación de vector 3 x 3 para las correlaciones de Cruz adaptativas.</li>
		<li>El resultado se da como un campo del vector velocidad, en que los vectores azules están los vectores correcto, los verdes son los vectores sustituidos, y los rojos son malos vectores.</li>
		<li>Aplicar el 3 x 3 método de validación promedio para estimar la velocidad local comparando los vectores en su barrio en movimiento. Sustituir los vectores que se alejan demasiado de sus vecinos con la media de sus vecinos.</li>
		<li>Calcular estadísticas de vector de los mapas de velocidad para obtener las características del flujo en la historia del tiempo, por ejemplo, la velocidad del tiempo-hecha un promedio, la desviación estándar y la correlación cruzada entre los componentes de la velocidad. Calcular los derivados escalares desde el mapa de vectores para demostrar las características internas del campo de flujo, por ejemplo, la vorticidad, tensiones de cizallamiento y fuerza de remolino.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
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Los autores no tienen nada que revelar.

Este artículo presenta los dos métodos de visualización de flujo, visualización de flujo de humo mejorada y medición PIV, para investigar la estructura de flujo sobre el ala de delta cualitativa y cuantitativamente. Paso a paso se describen los procedimientos generales del experimento. Las configuraciones de estos dos métodos son casi iguales, mientras que los dispositivos involucrados son diferentes. El principio básico de estos métodos de visualización de dos flujo es iluminar las partículas en el flujo a tra...

Medida del campo de caudal mediante técnicas de visualización es una metodología básica en Ingeniería flúida. Entre las técnicas de visualización diferentes, visualización de flujo de alambre humo en túnel de viento experimentos y visualización de tinte en experimentos de túnel de agua son los más utilizados para ilustrar estructuras de flujo cualitativo. PIV y Láser Doppler anemometría (LDA) son dos típicas técnicas cuantitativas1.
En la visualización de flujo de alambre humo, humo línea es generado a partir de gotitas de aceite sobre un alambre de la calefacción o inyectada desde el exterior generador de humo/contenedor durante los experimentos. Luces de alta potencia o laser hojas se utilizan para iluminar la línea de humo. Luego se graban imágenes para su posterior análisis. Este es un sencillo pero muy útil flujo visualización método2. Sin embargo, la efectividad de este método puede verse limitada por diversos factores, como la corta duración de hilos de humo, el campo de flujo tridimensional complejo, la velocidad relativamente alta del flujo y la eficiencia de la generación del humo3.
En las medidas de PIV, un corte transversal de un campo de flujo con partículas arrastradas es iluminada por una hoja de laser y posiciones instantáneos de las partículas en esta sección son capturados por una cámara de alta velocidad. Dentro de un intervalo muy pequeño de tiempo, se registra un par de imágenes. Al dividir las imágenes en una cuadrícula de las áreas de interrogatorio y calcular el movimiento promedio de las partículas en las áreas de interrogatorio a través de funciones de correlación cruzada, puede obtenerse el mapa de vector de velocidad instantánea en este corte transversal observado. Sin embargo, también se sabe que deben alcanzarse compromisos de factores incluyendo el tamaño de la ventana de observación, la resolución del mapa de velocidad, la magnitud de la velocidad en el plano, el intervalo de tiempo entre el par de imágenes, la velocidad ortogonal magnitud y la densidad de partículas4. Por lo tanto, muchos experimentos de exploración pueden ser necesaria para optimizar la configuración experimental. Sería costoso y desperdiciador de tiempo investigar un campo desconocido y complejo flujo con PIV medición solo5,6. Teniendo en cuenta las preocupaciones anteriores, una estrategia para combinar la visualización de flujo de humo y medición PIV es propuesta y demostrada aquí para estudiar el complejo flujo sobre un ala de delta fino.
Numerosos estudios de los flujos de la LEV sobre alas delta han sido realizados7,8, con técnicas de visualización de flujo utilizada como principales herramientas. Se han observado muchos fenómenos interesantes de flujo: tipo espiral y burbuja tipo vórtice averías9,10, un corte inestable capa subestructura11,12, oscilaciones de puntos de ruptura LEV13 , y los efectos de cabeceo y guiñada ángulos14,15,16 sobre las estructuras de flujo. Sin embargo, los mecanismos subyacentes de fenómenos inestables en los flujos de ala delta siendo claro7. En este trabajo, se mejora la visualización de flujo de humo usando el mismo partículas de siembra utilizadas para la medición de PIV, en lugar de un hilo de humo. Esta mejora grandemente simplifica la operación de la visualización y aumenta la calidad de las imágenes. Basado en los resultados de la visualización de flujo de humo mejorada, medición PIV se centra en los campos de flujo de interés para la adquisición de la información cuantitativa.
Aquí, se proporciona una descripción detallada para explicar cómo llevar a cabo un experimento de visualización de flujo en un túnel de viento y para investigar fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. Dos métodos de visualización, el flujo de humo mejorada visualización y medición PIV, se utilizan conjuntamente en este experimento. El procedimiento incluye guía paso a paso para el ajuste de la configuración y los parámetros del dispositivo. Se demuestran resultados típicos para mostrar la ventaja de combinar estos dos métodos para medir el campo de flujo complejo espacial y temporal.

<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 bien sabido que el campo de flujo sobre un ala de delta es dominado por un par de vórtices de punta giratoria de contador (LEV). Sin embargo, su mecanismo no se comprende bien. La técnica de visualización del flujo es un método no invasivo prometedor para ilustrar el campo de flujo complejo espacial y temporal. Una configuración de visualización de flujo básico consiste en un láser de alta potencia y lentes de ópticas para generar la hoja láser, una cámara, un generador de partículas trazadoras y un procesador de datos. La configuración de túnel de viento, las especificaciones de los dispositivos involucrados y los valores correspondientes del parámetro dependen de las características de flujo a obtenerse.
Visualización de flujo de alambre humo normal utiliza un hilo de humo para mostrar la línea de flujo. Sin embargo, los resultados de este método está limitado por la pobre resolución espacial cuando se lleva a cabo en un campo de flujo complejo. Por lo tanto, se ha desarrollado una técnica de visualización de flujo de humo mejorada. Esta técnica ilustra el campo de flujo LEV global a gran escala y la estructura de flujo de cizalla pequeña capa al mismo tiempo, proporcionando una valiosa referencia para la medición de más adelante toda partícula imagen velocimetry (PIV).
En este trabajo se demuestra la aplicación de la visualización mejora flujo de humo y medición PIV para el estudio de los fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. El procedimiento y precauciones para llevar a cabo el experimento aparecen, incluyendo configuración de túnel de viento, adquisición de datos y procesamiento de datos. Los resultados representativos muestran que estos métodos de visualización de dos flujo son técnicas efectivas para investigar el campo de flujo tridimensional cualitativa y cuantitativamente.

Figura 2d muestra las historias de tiempo de los lugares de distribución LEV. La curva negra indica el LEV de babor y la curva roja indica el estribor LEV. La escala de tiempo es nondimensionalized por la velocidad y acorde la longitud de la corriente libre. El coeficiente de correlación entre estas dos historias de momento es r = −0.53, lo que indica una fuerte interacción anti simétrica de las oscilaciones de localización de avería LEV. Est...

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

Aquí, presentamos un protocolo para observar corrientes en torbellino inestables sobre un ala de delta usando una técnica de visualización de flujo modificado de humo e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las localizaciones de desglose de vórtice de vanguardia.

Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo

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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10.5K vistas.  Hong Kong Polytechnic University. Aquí, presentamos un protocolo para observar corrientes en torbellino inestables sobre un ala de delta usando una técnica de visualización de flujo modificado de humo e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las localizaciones de desglose de vórtice de vanguardia.

Video: 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.

Investigación De La Separación De Flujo Tridimensional Inducida Por Un Pólipo Modelo De Pliegue Vocal

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

Investigación

Bioingeniería

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.

Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

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

Ingeniería

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.

Comportamiento de la superficie aerodinámica: Distribución de la presión en un ala Clark Y-14

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

Educación

JoVE Science Education

Ingeniería aeronáutica

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

Método esfera de turbulencia: Evaluación de la calidad del flujo del túnel de viento

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

Flujo cilíndrico transversal: medición de la distribución de la presión y estimación de los coeficientes de arrastre

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

Fotografías de Schlieren: Una técnica para visualizar las características del flujo supersónico

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

Visualización del flujo en un túnel de agua: Observación del vórtice en el borde de ataque sobre un ala Delta

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

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

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

Medición de flujos turbulentos

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

Ingeniería mecánica

Visualization of Flow Past a Bluff Body

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East Lansing, MI
Owing to the non-linear nature of its governing laws, fluid motion induces complicated flow patterns. Understanding the nature of these patterns has been the subject of intense scrutiny for centuries. Although personal computers and supercomputers are extensively used to deduce fluid flow patterns, their capabilities are still insufficient to determine the exact flow behavior for complex geometries or highly inertial flows (e.g. when momentum dominates over viscous resistance). With this in mind, a multitude of experimental techniques to make flow patterns evident have been developed that can reach flow regimes and geometries inaccessible to theoretical and computational tools.
This demonstration will investigate fluid flow around a bluff body. A bluff body is an object that, due to its shape, causes separated flow over most of its surface. This is in contrast to a streamlined body, like an airfoil, which is aligned in the stream and causes less flow separation. The purpose of this study is to use hydrogen bubbles as a method of visualizing flow patterns. The hydrogen bubbles are produced via electrolysis using a DC power source by submerging its electrodes in the water. Hydrogen bubbles are formed in the negative electrode, which needs to be a very fine wire to ensure that the bubbles remain small and track fluid motion more effectively. This method is suitable for steady and unsteady laminar flows, and is based on the basic flow lines that describe the nature of the flow around objects. [1-3]
This paper focuses on describing the implementation of the technique, including details about the equipment and its installation. Then, the technique is used to demonstrate the use of two of the basics flow lines to characterize the flow around a circular cylinder. These flow lines are used to estimate some important flow parameters like flow velocity and the Reynolds number, and to determine flow patterns.

Flow Around a Bluff Body, Bubbles and Von Karman Vortex Street

Visualización de flujo más allá de un cuerpo no fuselado

Source: Ricardo Mejia-Alvarez, Hussam Hikmat Jabbar and Mahmoud N. Abdullatif, Department of Mechanical Engineering, Michigan State University, East ...