Étude expérimentale de la Structure d’écoulement sur une aile Delta Via les méthodes de visualisation de flux

Résumé

Nous présentons ici un protocole pour observer les flux tourbillonnaires instables sur une aile delta, en utilisant une technique de visualisation mis à jour le débit de fumée et d’enquêter sur le mécanisme responsable par les oscillations des emplacements ventilation pointe vortex.

Résumé

Il est bien connu que le champ d’écoulement sur une aile delta est dominé par une paire de tourbillons de bord d’attaque tournante compteur (LEV). Cependant, leur mécanisme n’est pas bien compris. La technique de visualisation est une méthode non intrusive prometteuse pour illustrer le champ d’écoulement complexe spatialement et temporellement. Une configuration de visualisation de flux de base se compose d’un laser à haute puissant et lentilles optiques pour générer la feuille de laser, une caméra, un générateur de particules de traceur et un processeur de données. L’installation de la soufflerie, les spécifications des appareils concernés et les paramètres de paramètre correspondants dépendent les caractéristiques de flux d’obtenir.

Visualisation de l’écoulement normal de fil fumée utilise un fil de fumée pour démontrer la streaklines de flux. Cependant, le comportement de cette méthode est limité par faible résolution spatiale lorsqu’elle est effectuée dans un champ complexe. Par conséquent, une technique de visualisation améliorée des fumées a été développée. Cette technique illustre le champ d’écoulement LEV global à grande échelle et la structure de flux de couche de cisaillement à petite échelle dans le même temps, fournissant une référence précieuse pour la mesure de plus tard détaillée particle image velocimetry (PIV).

Dans cet article, l’application de la visualisation de l’écoulement de fumée améliorée et la mesure de la PIV pour étudier les phénomènes d’écoulement non permanent dans une aile delta est démontrée. La procédure et les mises en garde pour mener l’expérience sont énumérés, y compris la soufflerie d’installation, d’acquisition de données et traitement des données. Les résultats représentatifs montrent que ces méthodes de visualisation de deux flux sont des techniques efficaces pour enquêter sur le champ d’écoulement tridimensionnel qualitativement et quantitativement.

Introduction

Mesure de champ du débit par l’intermédiaire de techniques de visualisation est une méthodologie de base en ingénierie fluide. Parmi les techniques de visualisation différents, fumée fil visualisation de l’écoulement dans les expériences de soufflerie et de visualisation de colorant dans les expériences de tunnel d’eau sont les plus couramment utilisées pour illustrer des structures d’écoulement qualitativement. PIV et laser anémométrie Doppler (LDA) sont deux techniques quantitatives typique¹.

Dans la visualisation de l’écoulement fil fumée, fumées streaklines sont générés à partir des gouttelettes d’huile sur un câble chauffant ou injectés dans le générateur/conteneur fumée externe au cours des expériences. Lumières de haute puissance ou des feuilles de laser sont utilisées pour éclairer les streaklines de fumée. Les images sont alors enregistrées pour une analyse ultérieure. Il s’agit d’une simple mais très utile flux visualisation méthode². Cependant, l’efficacité de cette méthode peut être limitée par divers facteurs, tels que la courte durée des fils de la fumée, le champ d’écoulement tridimensionnel complexe, la vitesse relativement élevée de l’écoulement et l’efficacité de la production de fumées³.

Mesures PIV, un échantillon représentatif d’un champ d’écoulement avec des particules entraînées est éclairé par une feuille de laser, en positions instantanées des particules dans cette section sont captées par une caméra à haute vitesse. Dans un très petit intervalle, une paire d’images est enregistrée. En divisant les images dans une grille de zones de l’interrogatoire et en calculant le moyen mouvement des particules dans les zones d’interrogatoire par le biais de fonctions de corrélation croisée, la carte de vecteur vitesse instantanée dans cette coupe transversale observée peut être obtenue. Cependant, on sait aussi que le compromis doivent être atteint pour les facteurs dont la taille de la fenêtre d’observation, la résolution de la carte de la vitesse, l’amplitude de la vitesse dans le plan, l’intervalle de temps entre les deux images, la vitesse orthogonale ampleur et la densité de particules⁴. Par conséquent, beaucoup d’expériences exploratoire peut être nécessaire d’optimiser les paramètres expérimentaux. Il serait long et coûteux enquêter sur un champ de flux inconnu et complexe avec PIV mesure seulement^5,6. Compte tenu des préoccupations ci-dessus, une stratégie visant à combiner la visualisation de l’écoulement de fumée et de la mesure de la PIV est proposée et démontrée ici pour étudier l’écoulement complexe dans une aile delta mince.

De nombreuses études sur les flux LEV sur ailes delta ont été menées^7,8, avec les techniques de visualisation utilisé comme les principaux outils. Plusieurs phénomènes de flux intéressants ont été observés : type en spirale et bulle type vortex pannes^9,10, un cisaillement instable couche sous-structure^11,12, oscillations d’emplacements de ventilation LEV¹³ , et les effets de tangage et de lacet angles^14,15,16 sur les structures de flux. Cependant, les mécanismes sous-jacents de certains phénomènes instationnaires dans le flux de l’aile delta demeurent peu claires⁷. Dans cet ouvrage, la visualisation de l’écoulement de fumée est améliorée en utilisant les mêmes particules semis au mesurage de PIV, au lieu d’un fil de fumée. Cette amélioration a grandement simplifie l’opération de la visualisation et augmente la qualité des images. Selon les résultats de la visualisation de l’amélioration de la circulation fumée, mesure PIV met l’accent sur les champs d’écoulement d’intérêt en vue d’acquérir l’information quantitative.

Ici, une description détaillée est fournie pour expliquer comment procéder à une expérience de visualisation de flux dans un tunnel de vent et d’étudier les phénomènes d’écoulement non permanent sur une aile delta. Deux méthodes de visualisation, la visualisation de l’écoulement de fumée améliorée et la mesure de PIV, sont utilisés ensemble dans cette expérience. La procédure comprend un guide étape par étape pour l’installation et paramètre de réglage de l’appareil. Résultats typiques sont démontrés pour montrer l’avantage de combiner ces deux méthodes pour mesurer le champ d’écoulement complexe spatialement et temporellement.

Protocole

1. soufflerie Setup

1. Modèle d’aile delta
   1. Construire un modèle d’aile delta en aluminium, avec un angle de balayage φ de 75 °, d’une longueur de corde c de 280 mm, une étendue racine b de 150 mm et une épaisseur de 5 mm. Avoir les deux bords biseautés à 35° pour fixer le point de séparation¹⁷ (voir Figure 1 a).
2. Installation de la soufflerie
   1. Réaliser des expériences dans une boucle fermée basse vitesse soufflerie, avec une section d’essai de 2,4 m (longueur) de 0,6 m (largeur) × 0,6 m (hauteur) qui est équipée de parois en verre qui permettent l’accès optique au cours des expériences. L’intensité turbulente d’une telle installation devrait être inférieur à 0,4 %.
      Remarque : Dans cette étude, nous avons utilisé une soufflerie à l’Université Polytechnique de Hong Kong avec les caractéristiques ci-dessus. En outre, la vitesse freestream U_∞ varie de 2,64 m/s à 10,56 m/s, correspondant à un nombre de Reynolds Re, de 5 × 10⁴ à 2 × 10⁵, basée sur la longueur de la corde de l’aile delta, qui représente la plage de vol typique pour un véhicules aériens sans pilote (UAV).
   2. Au besoin, utiliser trois différentes modalités (voir Figure 1 b-d) de la feuille de laser et les caméras d’observer les structures d’écoulement dans la section transversale longitudinale, la coupe longitudinalement et la section transversale. Schémas de l’installation sont indiquées dans la Figure 1 b.
      Remarque : Ce protocole montre la configuration et la mesure de la section transversale longitudinale en détail.
3. Installer l’aile delta
   1. Fixer le bord de fuite des ailes delta sur la piqûre, qui se trouve sur un guide de mouvement circulaire utilisé pour ajuster l’angle d’attaque (AoA), α. Le centre du guide circulaire est sur la ligne centrale de la section test de soufflerie. Ainsi, le centre de l’aile delta peut toujours être au centre de la section de l’essai. Ajuster l’angle d’attaque α = 34 °.
   2. Ajustez soigneusement le modèle aile delta afin de réduire au minimum n’importe quel angle de lacet et roulis angle, en vérifiant les valeurs d’un compteur d’angle et d’un niveau laser gyroscopique. Dans la présente étude, l’incertitude de ces deux angles est inférieure à 0,1 °.
4. Mettre en place la feuille laser
   1. Utilisez deux lasers séparément pour éclairer les structures de flux pour la mesure de la PIV et visualisation de l’écoulement de fumée.
      1. Pour la mesure de PIV, utiliser un laser à impulsions double, avec une longueur d’onde de 532 nm et une énergie maximum de 600 mJ (réglable) pour chaque impulsion. Contrôler avec un synchronisateur avec transistor-transistor logic (TTL) signaux (voir Figure 1 b).
      2. Pour la visualisation de l’écoulement fumée, utiliser un laser continu avec une longueur d’onde de 532 nm et une puissance de 1 w. Ce laser continu fonctionne indépendamment. Lors de l’installation de la configuration, utilisez un filtre de densité neutre avec transmission de 10 % pour filtrer le faisceau laser pour la sécurité.
   2. Porter des lunettes de protection laser approprié.
   3. Ajuster le miroir de réflexion pour introduire le faisceau laser dans la soufflerie. L’angle entre l’axe de lumière laser et le miroir est , pour rendre le faisceau laser perpendiculairement à la surface de l’aile delta. Faire en sorte que le faisceau laser est autour de la position x/c ≅ 0,25, qui sera plus tard le centre du champ de vision (FOV).
   4. Installer optique laser (avec le laser continu, dans un premier temps) pour former la feuille de laser, comme illustré dans la Figure 1 b. La lentille convexe est utilisée pour contrôler la taille du faisceau laser (également l’épaisseur de la feuille). La lentille cylindrique élargit le faisceau laser à une feuille de laser.
      Remarque : Dans la présente étude, la distance focale de la lentille cylindrique est de 700 mm et le diamètre de la lentille cylindrique est de 12 mm.
   5. Vérifiez l’épaisseur de tôle de laser en mesurant la ligne laser sur le modèle. Régler la position de la lentille convexe si l’épaisseur de tôle de laser n’est pas adapté (ici, environ 1 mm, avec une largeur effective de la feuille de laser dans la section d’essai d’environ 100 mm). Notez que l’épaisseur de la tôle de laser dépend 1) la composante de vitesse dans la direction normale à la feuille de laser et 2) l’intervalle de temps entre la paire de captures instantanées dans la mesure du PIV.
   6. Mettre une plaque de mire d’étalonnage sur l’aile delta, avec sa surface qui coïncide à la feuille de laser. Cette étape est essentielle car le champ de vision dans la présente étude n’est pas orthogonale à la coordonnée de la soufflerie.
5. Configuration de la caméra
   1. Désactiver les lasers lors du paramétrage de la caméra. Comme avec les lasers, utiliser deux caméras pour chaque partie distincte de cette expérience :
      1. Pour la mesure de PIV, utilisez une caméra CCD à haute vitesse avec une résolution de 2048 × 2048 pixels. Cette caméra est contrôlée par le synchroniseur et la double impulsion laser (voir Figure 1 b). Données de cet appareil seront transmises directement à l’ordinateur.
      2. Pour la visualisation de l’écoulement fumée, utiliser un appareil de photo numérique commerciale avec une résolution de capture instantanée de 4 000 × 6 000 pixels et une résolution d’enregistrement vidéo 50Hz de 720 × 1280 pixels lors de la visualisation de l’écoulement de fumée. Il sera exploité manuellement.
   2. Déplacer la position de la caméra (caméra numérique commerciale, dans un premier temps) afin d’obtenir le champ de vision souhaité. Ajuster la lentille de la caméra de se concentrer sur la plaque de mire d’étalonnage. Veillez à ce que tout le champ est concentré. Si ce n’est pas le cas, les coordonnées de la caméra n’est peut-être pas orthogonales à la plaque cible d’étalonnage. Ainsi, réglez l’appareil photo positionner soigneusement¹⁸.
   3. Prendre plusieurs images après que l’appareil est bien réglé. Plus tard, ces cadres de la plaque cible de calibrage servira à calibrer le facteur d’échelle entre la taille réelle et le pixel de l’image et à identifier la position de référence dans les coordonnées xyz. Ensuite, retirez la plaque de mire d’étalonnage.
6. Allumez la soufflerie à basse vitesse (par exemple, 3 m/s) et injecter des particules d’huile dans la soufflerie. Régler la pression du générateur aérosol à 2,5 bars et faire fonctionner durant 30 s pour la méthode de visualisation des flux préalablement ensemencée. Après cela, l’ensemble de la soufflerie sera uniformément amorcée avec des particules d’huile à un diamètre normal d’environ 1 µm.
   Remarque : Dans la présente étude, la concentration de densité de particule huile estimée dans la soufflerie est environ dans la visualisation de l’écoulement de fumée ; ainsi, la variation totale de la densité de flux dans la soufflerie est .
7. Configuration du logiciel PIV
   1. Contrôler le système PIV avec le logiciel PIV (voir Table des matières). Ce logiciel peut commander le synchronisateur d’envoyer des signaux TTL pour le laser et la caméra, comme illustré dans la Figure 1 b.
   2. Définissez la fréquence d’échantillonnage à 5 Hz, avec un nombre total d’échantillonnage de 500. L’intervalle de temps entre les membrures PIV est 80 µs. Note que l’intervalle de temps dépend de la taille de la vitesse du champ de vision et de débit. S’assurer que les zones d’interrogatoire dans deux cadres ont tout un chevauchement de 50 à 75 %.

2. exécution de l’expérience

1. Visualisation de l’amélioration de la circulation fumée
   1. Allumez la soufflerie à la vitesse désirée freestream (U = 2,64 m/s). Exécutez-le pour 10 min stabiliser la vitesse de freestream. À Re = 50 000, la vitesse de freestream est U = 2,64 m/s.
   2. Allumer le laser continu. Utilisez l’appareil photo numérique pour capturer des instantanés de 5 à 10 de la structure de flux.
   3. Vérifier si la feuille de laser est à la coupe longitudinale de l’âme LEV (voir la structure typique, illustrée à la Figure 3). Dans l’affirmative, marquer cette position sur le modèle d’aile delta comme référence pour la mesure de PIV ultérieure ; Sinon, modifiez la position de la feuille de laser en ajustant la lentille optique et rétablir le tarage suivant étapes 1.4.6 - 1.5.3.
   4. Revoir les images et vérifier la mise au point et la luminosité. Si la qualité d’image n’est pas satisfaisante, régler l’ouverture de la lentille ou le programme d’installation de l’ISO.
   5. Prendre plusieurs instantanés (généralement autour de 20) et vidéos (environ 40 s) avec la configuration appropriée. Éteindre le laser et transférer les données vers l’ordinateur.
2. Mesure de PIV
   1. Basé sur la position de référence connue à l’étape 2.1.3 et les résultats des snapshots de l’étape 2.1.5, choisissez une région intéressante (x/c≈ 0,3) comme le champ de vision, où vous pourrez observer des sous-structures tourbillonnaires. Remplacer le laser continu et l’appareil photo numérique avec le laser à double impulsion et la caméra CCD pour la mesure de la PIV.
   2. Répétez les étapes 1.4.6 - 1.5.3 pour enregistrer l’étalonnage pour la mesure de la PIV.
   3. Allumez la soufflerie à la vitesse désirée freestream, U = 2,64 m/s. exécuter pendant 10 minutes pour que la vitesse de freestream soit stable.
   4. Régler le laser double impulsion au plus haut niveau de puissance et stand-by. Utiliser le logiciel pour démarrer l’acquisition de données pour 100 s. Une fois l’enregistrement de données terminée, éteignez la tête laser.
   5. Revoir les images acquises dans le logiciel et de vérifier la distribution de feuilles de laser, la densité de particule (généralement 6 à 10 particules dans chaque zone d’interrogatoire désirée), la mise au point et le déplacement de particules entre les images doubles (25 à 50 % de l’interrogatoire zone).
   6. Si la qualité des images est satisfaisante, comme indiqué au point 2.2.5., sauvegarder les données sur le disque dur de l’ordinateur et exécuter les autres cas en répétant les étapes ci-dessus. Sinon, répétez les étapes 1,7 et 2,2 et ajuster soigneusement la configuration.

3. traitement des données

1. Meilleure visualisation fumée
   Remarque : Les étapes suivantes, 3.1.1-3.1.4, se font via le code MATLAB automatiquement (voir le Fichier de codage supplémentaires).
   1. Transformer la vidéo en une séquence d’images. Convertir les images de la forme RVB en niveaux de gris. Faire pivoter l’image afin de rendre la surface de l’aile delta horizontale. Choisissez la zone d’intérêt pour traitement ultérieur (Figure 2 a).
   2. Ajuster la luminosité et le contraste pour mettre en évidence la structure de flux. Appliquer un seuil adaptatif pour transformer l’image de gris d’une image binaire (Figure 2 b).
   3. Additionner les valeurs binaires dans chaque colonne et trouver la position à laquelle la somme change brusquement. Cette position est l’emplacement de ventilation de vortex (Figure 2c).
   4. Enregistrer les lieux de rupture de vortex et leurs temps correspondants. L’évolution temporelle de l’oscillation de ventilation peut ainsi être obtenue.
   5. Utiliser le facteur d’échelle de taille de pixel-real (mesuré à partir des images avec la plaque de mire de calibrage à l’étape 1.5.3) pour transformer l’histoire de temps de pixels à taille réelle et pour identifier la position de référence. Tracer l’évolution temporelle de l’oscillation de la ventilation.
2. Mesure de PIV
   1. Lancez le logiciel PIV. Les images obtenues à l’étape 2.2.2 permet de définir le facteur d’échelle et la position de référence des coordonnées. Pré-traiter les données acquises par le biais de la bibliothèque de traitement d’image pour mettre en évidence les particules et réduire le bruit,¹⁸.
   2. Utilisez la méthode adaptative interrogatoire avec une taille de grille minimum de 32 × 32 pixels et un chevauchement minimum de 50 %. Choisissez la zone de l’image et une validation de 3 x 3 vecteur pour les corrélations croisées adaptatives.
   3. Le résultat est donné comme un champ de vecteur vitesse, dans laquelle les vecteurs bleus sont les vecteurs correctes, les verts sont les vecteurs substitués et les rouges sont des vecteurs de mauvais.
   4. Appliquer le 3 x 3 méthode de validation moyen pour estimer la vitesse locale en comparant les vecteurs dans son quartier en mouvement. Remplacer les vecteurs qui s’écartent trop de leurs voisins avec la moyenne de leurs voisins.
   5. Calculer des statistiques de vecteur dans les cartes de vitesse afin d’obtenir les caractéristiques d’écoulement dans l’histoire de temps, par exemple, la vitesse moyenne temporelle, l’écart type et la corrélation croisée entre les composantes de la vitesse. Calculer les dérivées scalaires de la carte de vecteur pour démontrer les caractéristiques internes du champ d’écoulement, par exemple, le tourbillon, les contraintes de cisaillement et force tourbillonnante.

Résultats

Figure 2d montre les histoires du temps des emplacements ventilation LEV. La courbe noire indique le LEV bâbord et la courbe rouge tribord LEV. L’échelle de temps est adimensionnée par la longueur de vélocité et corde de flux libre. Le coefficient de corrélation entre ces deux histoires de temps est r = −0.53, ce qui indique une forte interaction anti-symétrique des oscillations emplacement ventilation LEV. Ce résultat concorde bien avec ...

Discussion

Cet article présente les deux méthodes de visualisation des flux, la visualisation de l’amélioration de la circulation fumée et la mesure PIV, d’enquêter sur la structure de l’écoulement au-dessus de l’aile delta qualitativement et quantitativement. Les procédures générales de l’expérience sont décrites étape par étape. Les configurations de ces deux méthodes sont presque les mêmes, alors que les appareils concernés sont différents. Le principe de base de ces méthodes de visualisation de deux ...

matériels

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