표면 염료 흐름 시각화: 초음속 흐름 내 흐름맥 패턴을 관찰하는 정성적 방법

염료 유동 시각화에서 유체 입자는 염료로 표시되어 흐름이 도입됨에 따라 입자에 의해 추적되는 경로를 얻습니다. 염료는 형광염염분 입자와 오일의 반점성 혼합물이다. 형광염은 유체 입자를 색칠하고 UV 광원에 의해 흥분될 때 이를 조명하며, 오일은 몸이 더 이상 흐름에 노출되지 않은 후에도 표면의 흐름 패턴을 유지하는 데 도움이 됩니다. 염료 흐름 시각화 기술은 모든 표면에서 흐름 패턴을 분석하는 매우 간단하고 저렴하며 빠른 방법을 제공합니다.

이미징 방법에 따라 염료 흐름 시각화를 사용하여 유체 흐름의 결과로 줄무늬선을 찾을 수 있습니다. 이미지가 장시간 노출되어 촬영되는 경우, 염료를 사용하여 흐름에서 이동할 때 단일 유체 입자가 가져온 경로를 추적할 수 있습니다. 현재 실험에 사용되는 기술에서, 점 또는 영역을 통과하는 모든 유체 입자는 염료로 표시되고, 신체가 활성 흐름에 배치된 후 모든 염색된 입자에 결합하는 선은 줄무늬선이다. 여기서, 유동 시각화 실험의 끝에 포착된 단일 프레임은 신체의 일반적인 표면 흐름을 연구하기에 충분한 정보를 제공한다. 줄무늬선을 통한 염료 시각화는 표면을 따라 흐르는 움직임에 대한 세부 정보를 제공하는 것 외에도 표면 흐름 피쳐를 식별하는 데도 도움이 됩니다. 초음속 흐름에 염료 시각화를 사용하면 체표면을 가로지르는 흐름 분리, 충격 형성 및 움직임의 움직임을 식별할 수 있으며, 모두 신체를 공기역학적으로 최적화하는 데 도움이 되는 기능입니다.

표 1에 나열된 6개 모델 및 조건에 대한 줄무늬 흐름 패턴은 다음과 같습니다. 2D 웨지의 경우, 도 4에도시된 바와 같이, 표면 기형이 있는 영역을 제외하고, 체내에서 균일한 흐름 패턴이 관찰되어 흐름이 분리된다. 12°에서각도를 조정하면 표면을 따라 흐르는 흐름이 위쪽으로 편향됩니다. 이 효과는 모델이 -12°각도로 기울어지면 미러됩니다. 일반적으로 모든 경우 표면 기형 영역을 제외한 전체 표면에 연결된 흐름이 표시됩니다.

그림 4. Ɵ = 0°, 12°및 -12°의 경우 2D 웨지(왼쪽에서 오른쪽)를 통해 줄무늬 흐름 패턴입니다.

도 5의 관측에 따르면 3D 웨지의 중심의 흐름 패턴은 3각 설정에서 2D 웨지에 대해 관찰된 것과 유사하지만, 위쪽 및 하단 모서리 근처의 흐름 패턴은 흐름 편향을 표시합니다. 이것은 쐐기의 가장자리에 있는 팁 vortices에 기인할 수 있습니다. 팁 효과는 2D 웨지에 존재하지만 웨지 중심과 가장자리 사이의 거리가 클수록 팁이 중앙 쐐기 흐름에 미치는 영향을 무효화합니다. 또한 줄무늬라인에흐름 분리가 표시되지 않습니다.

그림 5. Ɵ = 0°, 12°및 -12°에대한 3D 쐐기 (왼쪽에서 오른쪽으로)를 통해 줄무늬 흐름 패턴.

도 6에표시된 콘의 줄무늬 흐름 패턴은 편향 방향으로 휘빙되는 흐름으로 모든 공격 각도에 대해 신체 전체에 걸쳐 유선형의 부착된 흐름을 표시합니다. 우리는 또한 염료가 덩어리가 되는 부위에 의해 표시된 바와 같이, 콘의 끝에서 유동 분리가 발생하는 것을 관찰한다.

그림 6. Ɵ = 0°, 13°및 -13°의 콘(왼쪽에서 오른쪽)을 통해 줄무늬 흐름 패턴.

그림 7은 공격의 세 각도에서 무딘 가장자리를 통해 흐름 패턴을 비교합니다. Ɵ = 0°가 되면 전신에 연결된 흐름이 표시됩니다. Ɵ = 11 및 -11°에서 유동은 바디 주위(표면 윤곽 다음)이지만 염료가 합쳐지는 선을 따라 분리됩니다.

그림 7. Ɵ = 0°, 11°및 -11°의 무딘 코 바디(왼쪽에서 오른쪽)를 통해 줄무늬 흐름 패턴.

미사일 앞면의 흐름 패턴은 무딘 코 본체에서 관찰된 흐름 패턴과 유사하지만, 미사일 지느러미(그림8)의줄무늬는 흥미로운 흐름 특징을 보여준다. Ɵ = 0°에서 상단 및 하단 지느러미의 줄무늬선은 지느러미 끝과 뿌리에서 비롯된 교차 패턴으로 점진적인 분리가 발생하는 지느러미 앞면의 흐름이 표시됩니다. 우리는 또한 흐름이 팁에 비해 지느러미의 뿌리에서 훨씬 일찍 분리되는 것을 관찰합니다. 또 다른 흥미로운 관찰은 중앙 지느러미의 앞가장자리에서 결합 된 염료를 연구함으로써 이루어집니다. 줄무늬 패턴은 염료로 표시된 충격의 모양으로 활 충격을 나타냅니다. 미사일이11°로기울어져 있을 때, 우리는 바닥 지느러미에 완전히 부착된 흐름을 관찰하지만 상부 지느러미의 뿌리에 가깝게 분리된 흐름을 관찰한다. 0° 케이스와 마찬가지로 중앙 지느러미의 존재는 지느러미선에서 활 충격을 일으킵니다.

그림 8. Ɵ = 0° 및 11°의 미사일(왼쪽에서 오른쪽)을 통해 줄무늬 흐름 패턴.

구의 경우 마하 수가 다양하기 때문에 굴절 각도에 관계없이 구 주위의 흐름 패턴은 동일하게 유지되었습니다. 도 9의 관측에 따르면 마하 수가 증가함에 따라 분리 영역(염료가 방해되지 않는 영역으로 표시)이 감소합니다. 이는 속도 흐름이 높을수록 더 많은 모멘텀이 있기 때문에 흐름이 구체에 비해 불리한 압력 그라데이션을 극복할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 마하 수가 증가함에 따라 흐름 부착도가 높아지게 됩니다.

그림 9. 구(왼쪽에서 오른쪽) M = 2, 2.5 및 3을 통해 줄무늬 흐름 패턴.

초음속 흐름에서 6개 이상의 체내에서 줄무늬 흐름 패턴을 표면 염료 유동 시각화를 사용하여 연구되었다. 2D 및 3D 웨지 의 흐름 패턴은 팁 효과가 표면 흐름 구조를 결정하는 데 지배적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 콘 을 통해 흐름은 완전히 ±13 °의 편향 범위에 부착 된 것으로 나타났다. 무딘 코 모델은 미사일의 초기 섹션에서도 관찰된 패턴인 11°의 각도로 편향될 때 명확한 분리 선을 보여주는 최초의 바디였다. 미사일 지느러미의 흐름 패턴은 유동 분리 및 충격 형성과 같은 흥미로운 특징을 나타냅니다. 우리는 또한 지느러미의 앞가장자리에 형성 된 충격 (활 쇼크)의 유형을 추론했습니다. 마지막으로, 구를 통해 흐름에 대한 마하 수를 변경하면 유동 속도가 증가하여 구체에서 유동 분리 지점이 이동한다는 것이 나타났다. 전반적으로, 실험은 더 능률적이고 효율적인 에어로 차량을 얻기 위해 신속한 설계 프로세스에서 항공 우주 엔지니어가 사용하는 기술인 줄무늬 염료 흐름 시각화의 단순성과 효율성을 입증했습니다.