Visualisation de l'écoulement dans un tunnel hydrodynamique : Observation d'un tourbillon sur une aile Delta

L'aile delta, montrée dans la figure 1D, est un design populaire dans les avions à grande vitesse en raison de ses superbes performances dans les régimes de vol transsoniques et supersoniques. Ce type d'aile a un petit rapport d'aspect et un angle de balayage élevé, ce qui réduit la traînée à des régimes de vol subsoniques, transsoniques et supersoniques élevés. Le rapport d'aspect est défini comme la portée de l'aile divisée par l'accord moyen.

Un avantage important de l'aile delta est son angle de décrochage élevé. Le décrochage d'une aile delta est retardé par rapport au décrochage d'une aile à rapport d'aspect élevé. C'est parce que l'ascenseur d'une aile delta est renforcée par le vortex d'avant-garde au-dessus de l'aile.

Un moyen efficace d'observer ce phénomène d'écoulement du vortex et d'étudier la dégradation du vortex dans une aile delta est de visualiser le débit dans un tunnel d'eau. En injectant du colorant dans le flux entourant un modèle à partir de ports de teinture à la fine pointe, on peut observer le développement et la dégradation du vortex et mesurer sa position. Les données peuvent également être utilisées pour estimer l'angle de décrochage.

Figure 1. Formes typiques de plandif ile : A) Rectangulaire, avec l'accord constant le long de la travée, B) elliptique, C) conique, avec l'accord variable le long de la travée, et D) aile delta, une aile arrière balayée avec le rapport de cône zéro.

Lorsqu'une aile delta est soumise à des angles d'attaque légèrement plus élevés, généralement des angles supérieurs à 7 degrés, une séparation d'écoulement se produit à l'avant-garde. Au lieu que la séparation du débit se produise en aval près du bord de fuite, comme cela se produirait dans une aile rectangulaire, le roulis des tourbillons d'avant-garde, comme le montre la figure 2, induise une faible pression sur la surface supérieure de l'aile et améliore l'ascenseur. Ce phénomène est appelé ascenseur vortex et contribue à un angle de décrochage élevé retardé par rapport à l'angle de décrochage d'une aile rectangulaire.

Figure 2. Formation de vortex au-dessus d'une aile delta à un angle modéré d'attaque. A) Vue du haut avec une ligne de stries bleues montrant le noyau et le vortex formant à l'apex de l'aile, et la ligne de stries vertes montrant le rouleau de vortex à partir du bord d'avant à la moitié de l'accord. B) Vue latérale avec le rouleau de vortex. Le vortex provenant de l'apex (colorant bleu) interagit avec le vortex généré à demi-accord (teinture verte).

Ces tourbillons commencent au sommet de l'aile et progressent en aval où, à un moment donné, ils éclatent (rupture du vortex) en raison d'un gradient de pression défavorable élevé. Une fois que la panne de vortex se produit, le vortex ne peut plus induire la basse pression. Pour les angles d'attaque relativement faibles, la dégradation du vortex se produit en aval du bord de fuite. Toutefois, lorsque l'angle d'attaque augmente, l'emplacement de la dégradation du vortex se déplace en amont, à un point où la panne se produit sur la majeure partie de la surface de l'aile. Cela réduit l'ascenseur et provoque le décrochage de l'aile.

Ces modèles de vortex peuvent être observés à l'aide de la visualisation du débit avec du colorant dans un tunnel d'eau. Un flux régulier de colorant est libéré par les ports à des endroits appropriés sur le modèle près du bord d'avant. Le colorant se mélange à l'eau et suit le débit permettant la visualisation des lignes de stries. Le flux teint est suivi, et la formation, le développement et l'interaction de vortex avec d'autres tourbillons et structures d'écoulement sont observés jusqu'à la rupture du vortex.

Le colorant et l'eau dans le tunnel devraient avoir des propriétés physiques similaires, et la pression de rejet à l'ouverture du port devrait être la même que la pression d'écoulement locale pour minimiser les perturbations du débit. Les stries, formées par le colorant, mettent en évidence diverses structures d'écoulement, telles que les tourbillons, les régions laminaires, les régions turbulentes et les régions en transition. Ces structures peuvent être observées et utilisées pour comparer les effets de différentes géométries ou attitudes modèles sur le flux.

Figure 3. Configuration expérimentale de l'aile Delta. A) Aile delta montée dans la poutreC à l'intérieur d'une section d'essai du tunnel d'eau. B) Connexion C-Strut aux murs du tunnel d'eau. C) Récipients de teinture, approvisionnement en air sous pression et trois soupapes pour contrôler le débit de teinture.

1. Préparation du tunnel d'eau

1. Obtenir trois contenants de 500 ml et remplir chaque contenant au moins à moitié plein de colorant. Il devrait y avoir un récipient avec la teinture bleue, un avec le colorant vert et un avec le colorant rouge. La concentration n'est pas importante parce que le débit de colorant sera ajusté en conséquence.
2. Installer l'aile delta sur son support dans le tunnel d'eau. Fixez le support C-strut au tunnel d'eau avec des vis, en gardant l'angle de lacet à zéro. Voir Figure 3.
3. Remplissez le tunnel d'eau d'eau.
4. Placez une caméra pour capturer une vue supérieure de l'aile, et une deuxième caméra pour capturer la vue latérale.

2. Visualiser les lignes de stries au-dessus d'une aile delta

1. Réglez l'angle d'attaque à zéro en ajustant l'angle sur le C-strut.
2. Fixez la vitesse d'écoulement du tunnel d'eau à 4 po/s et laissez le débit se stabiliser.
3. Fournir la pression aux réservoirs de teinture à l'aide de la pompe.
4. Observez les stries de colorant, puis ajustez le débit de colorant au besoin pour avoir une strie continue. Il n'y a pas de débit fixé pour le colorant. Appliquer toutes les couleurs en même temps. Chaque couleur est appliquée à une région différente de l'aile pour visualiser les interactions vortex. Voir Figure 2.
5. Appuyez sur l'enregistrement sur chaque caméra pour commencer à capturer des images. Observez les interactions vortex et identifiez le redéploiement du vortex et le noyau de vortex primaire.
6. Enregistrer au moins 10 s du vortex.
7. Augmentez l'angle d'attaque à 5 degrés, attendez que le débit et les lignes de stries se stabilisent et enregistrez les tourbillons à 10 s.
8. Répétez l'expérience en augmentant l'angle d'attaque de 5 degrés par incréments de 0 à 55 degrés.
9. Si l'eau devient trop trouble, ce qui rend les stries ternes, fermez l'alimentation en colorants, arrêtez le tunnel et remplacez-le par de l'eau douce avant de procéder.
10. Lorsque tous les essais ont été effectués, éteignez les caméras et fermez l'alimentation en colorant.
11. Éteignez le tunnel, égouttez l'eau du réservoir et lavez les restes de teinture des parois du tunnel.

À partir de l'expérience, nous pouvons identifier la dégradation du vortex, telle qu'illustrée dans la figure 4. La distance entre l'apex de l'aile et la dégradation du vortex peut être mesurée à l'aide de l'échelle dessinée dans l'aile (figure 4B). Au cours de l'expérience, l'angle d'attaque de l'aile a été augmenté progressivement, et l'emplacement de la dégradation du vortex, l_b, en ce qui concerne l'apex de l'aile, a été mesuré. L'emplacement de la panne, x/c, en ce qui concerne le bord de fuite de l'aile a été graphique ment par rapport à l'angle d'attaque, comme le montre la figure 5. Lorsqu'il s'agit d'une position moyenne en temps de la ventilation du vortex de pointe, on se situe au bord de la fuite de l'aile delta. Avec une augmentation de l'angle d'attaque, l'emplacement de la panne de vortex s'est progressivement déplacé en amont. Au moment où le vortex est à 40 degrés, la rupture du vortex s'est produite à 96 % de l'emplacement de l'accord à partir du bord de fuite, presque au sommet de l'aile delta. À cette attitude, l'aile delta connaît un décrochage complet, une perte totale de portance.

Figure 4. Identification de panne de Vortex. A) Vue latérale de la dégradation du vortex et de la distance de la dégradation du vortex de l'apex de _{l'aile l b}. B) Vue supérieure de la panne de vortex et de la distance de l'apex d'aile _{l b}.

Figure 5. Emplacement de panne de Vortex. Pour les angles d'attaque de l'ilt; 10 degrés, la rupture du vortex s'est produite en aval de l'aile. Pour les angles d'attaque de 40 degrés, le débit se sépare à l'extrémité de l'aile.

En utilisant la visualisation du débit dans un tunnel d'eau, les emplacements de dégradation du vortex pour divers angles d'attaque dans une aile delta ont été identifiés. La visualisation des débits dans un tunnel d'eau est effectuée en injectant du colorant à des endroits spécifiques du champ d'écoulement. Le colorant suit le flux, ce qui nous permet d'observer les lignes de stries de flux. Cette méthode est similaire à la technique de visualisation de la fumée qui est utilisée dans une soufflerie. Cependant, la possibilité d'utiliser plusieurs couleurs de colorant sécolores différentes a permis une visualisation facile des structures de flux et des interactions. Un autre avantage de cette méthode est qu'il s'agit d'une technique à faible coût qui fournit des informations 3D du champ de flux.

L'injection de colorant pour la visualisation de flux est une méthode classique avec de nombreuses applications. Par exemple, la célèbre expérience Reynolds sur la turbulence dans le flux des tuyaux a été exécutée à l'aide de colorant pour la visualisation, et elle a identifié des régions d'écoulement laminaires et turbulentes dans des tuyaux circulaires. Cette technique peut être utilisée non seulement pour identifier les régions turbulentes, mais peut également être utilisée pour étudier le mélange qui est favorisé par la turbulence pour étudier d'autres structures de débit.

Les structures de flux, telles que les tourbillons et les bulles de séparation, fournissent des informations importantes sur les phénomènes de la physique qui gouvernent, y compris l'ascenseur vortex. Par conséquent, cette méthode peut être utilisée pour la visualisation des flux pour faciliter la conception et l'optimisation des dispositifs affectés par les champs d'écoulement, tels que les automobiles, les navires, les bâtiments de grande hauteur et les longs ponts.