הדמיה של זרימת צבע פני השטח: שיטה איכותית להתבוננות בדפוסי סטריקלין בזרימה על-קולית

בהדמיית זרימת הצבע, חלקיקי נוזל מסומנים בצבע כדי להשיג את הנתיב שנמצא על ידי החלקיקים עם הזרימה. הצבע הוא תערובת צמיגית למחצה של חלקיקי צבע פלואורסצנטי ושמן. הצבע הפלואורסצנטי צובע את חלקיקי הנוזל ומאיר אותם כאשר הם מתרגשים ממקור אור UV, והשמן מסייע בשמירה על דפוסי הזרימה על פני השטח, גם לאחר שהגוף אינו חשוף עוד לזרימה. טכניקת ההדמיה של זרימת הצבע מספקת דרך פשוטה מאוד, זולה ומהירה לנתח את דפוסי הזרימה על פני כל משטח.

בהתאם לשיטת ההדמיה, ניתן להשתמש בהדמיית זרימת הצבע כדי למצוא את הפסים כתוצאה מזרימת הנוזלים. אם התמונה נלקחת עם חשיפה ממושכת, הצבע יכול לשמש כדי לעקוב אחר הנתיב שנלקח על ידי חלקיק נוזל יחיד כפי שהוא נע בזרימה. בטכניקה המשמשת בניסוי הנוכחי, כל חלקיקי הנוזל העוברים דרך נקודה או אזור מסומנים בצבע, והקו המצטרף לכל החלקיקים הצבועים לאחר שהגוף הוצב בזרימה פעילה הוא הפס. כאן, מסגרת אחת שנלכדה בסוף ניסוי הדמיית הזרימה מספקת מספיק מידע כדי לחקור את זרימת פני השטח הכללית על הגוף. הדמיה של צבע באמצעות פסים, בנוסף למתן פרטים על תנועת הזרימה לאורך פני השטח, מסייעת גם בזיהוי תכונות זרימת פני השטח. שימוש בהדמיית צבע בזרימה על-קולית יכול לזהות הפרדת זרימה, היווצרות הלם ותנועה של זרימה על פני השטח של הגוף, כולם תכונות המסייעות לייעל את הגוף באופן אווירודינמי.

תבניות זרימת הפסים עבור ששת הדגמים והתנאים המפורטים בטבלה 1 מוצגות להלן. עבור טריז דו-ממדי, תבנית זרימה אחידה נצפתה על הגוף, כפי שמוצג באיור 4, למעט באזור שבו יש עיוות פני השטח, שגורם לזרימה להיפרד. כאשר בזווית ב 12°, הזרימה לאורך פני השטח מוטה כלפי מעלה. אפקט זה משוקף כאשר המודל הוא בזווית ב -12°. באופן כללי, כל המקרים מראים זרימה מחוברת על פני השטח כולו, למעט באזור העיוות של פני השטח ומאחוריו.

איור 4. דפוסי זרימת פסים מעל טריז דו-פעמי (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 12° ו- -12°.

תצפיות מאיור 5 מראות שבעוד שדפוסי הזרימה במרכז טריז תלת-ממד דומים לזה שנצפה עבור טריז הדו-ממדי בכל שלוש הגדרות הזווית, דפוסי הזרימה ליד הקצה העליון והתחתון מראים הסטת זרימה. ניתן לייחס זאת ל מערבולות הקצה בשולי היתד. בעוד שקיימים אפקטי קצה עבור טריז הדו-ממדי, המרחק הגדול יותר בין מרכז היתד לקצה שולל את השפעת הקצה על זרימת היתד המרכזית. בנוסף, הפסים אינם מראים הפרדת זרימה.

איור 5. דפוסי זרימה פסים מעל טריז תלת-ממדי (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 12°, ו -12°.

דפוסי זרימת הפסים של החרוט, המוצגים באיור 6, מראים זרימה יעילה ומחוברת לאורך הגוף לכל זוויות ההתקפה, כאשר הזרימה מתעקלת לכיוון הסטיה. אנו גם רואים כי הפרדת זרימה מתרחשת בסוף החרוט, כפי שצוין על ידי האזור שבו הצבע מתקבץ למעלה.

איור 6. דפוסי זרימת פסים מעל החרוט (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 13° ו- -13°.

איור 7 משווה את דפוסי הזרימה על קצה קהה בשלוש זוויות התקפה. כאשר Ɵ = 0°, אנו רואים זרימה מחוברת על כל הגוף. ב Ɵ = 11 ו -11°, הזרימה מתעקלת סביב הגוף (בעקבות קווי המתאר של פני השטח) אך נפרדת לאורך הקו שבו הצבע מתמזג.

איור 7. דפוסי זרימת פסים מעל גוף האף הקהה (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 11°, ו-11°.

בעוד שדפוסי הזרימה בחלקו הקדמי של הטיל דומים לאלו שנצפו בגוף האף הקהה, הפסים על סנפירי הטילים(איור 8)מראים מאפייני זרימה מעניינים. ב- Ɵ = 0°, הפסים בסנפירים העליונים והתחתונים מראים זרימה מחוברת בחלק הקדמי של הסנפיר עם הפרדה הדרגתית המתרחשת בתבנית צולבת, שמקורה בקצות הסנפיר ובשורשים. אנו גם רואים כי הזרימה מתנתקת הרבה יותר מוקדם בשורש הסנפירים בהשוואה לטיפים. תצפית מעניינת נוספת נעשית על ידי לימוד הצבע המתמזג בקצה המוביל של הסנפיר המרכזי. דפוסי הפסים מצביעים על הלם קשת עם צורת ההלם המסומן על ידי הצבע. כאשר הטיל הוא בזווית ב 11° ,אנו מתבוננים זרימה מחוברת לחלוטין על הסנפיר התחתון אבל זרימה מופרדת קרוב לשורש הסנפיר העליון. בדומה למקרה 0° , נוכחותו של הסנפיר המרכזי גורמת הלם קשת על הסנפירים המובילים.

איור 8. דפוסי זרימת פסים מעל הטיל (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0° ו 11°.

עבור הספירה, מכיוון שמספר ה-Mach היה מגוון, דפוסי הזרימה סביב הכדור נותרו זהים, ללא קשר לזווית הסטה. תצפיות מאיור 9 מראות שככל שמספר המך גדל, אזור ההפרדה (המצוין באזור שבו הצבע אינו מופרע) פוחת. הסיבה לכך היא שלזרימות מהירות גבוהות יותר יש יותר תנופה, מה שמאפשר לזרימה להתגבר על שיפוע הלחץ השלילי מעל הכדור. פעולה זו גורמת לדרגה גבוהה יותר של התקשרות זרימה עם הגדלת מספר Mach.

איור 9. דפוסי זרימה סטרקליניים מעל הכדור (משמאל לימין) M = 2, 2.5 ו- 3.

דפוסי זרימת סטריקלין על פני שישה גופים בזרימה על-קולית נחקרו באמצעות הדמיה של זרימת צבע פני השטח. דפוסי זרימה מעל טריזים דו-ממדיים ותלד הראו שאפקטי קצה ממלאים תפקיד דומיננטי בקביעת מבנה זרימת פני השטח. הזרימה מעל החרוט הוצגה כחיבור מלא לטווח הסטה של ±13°. דגם האף הקהה היה הגוף הראשון שהראה קו הפרדה ברור כאשר הוא מוסטה בזווית של 11 מעלות, תבנית שנצפתה גם בחלק הראשוני של הטיל. דפוסי הזרימה על סנפירי הטיל מצביעים על מאפיינים מעניינים, כגון הפרדת זרימה ויצירת הלם. הסקתנו גם את סוג ההלם (הלם קשת) שנוצר בקצה המוביל של הסנפיר. לבסוף, שינוי מספר האך לזרימה מעל כדור הראה כי נקודת הפרדת הזרימה נעה למעלה על הספירה במהירות זרימה הולכת וגדלה. בסך הכל, הניסוי הדגים את הפשטות והיעילות של הדמיית זרימת צבע פסים, טכניקה המשמשת מהנדסי תעופה וחלל בתהליכי תכנון מהיר כדי להשיג כלי רכב אוויר יעילים ויעילים יותר.