Investigação experimental da estrutura de fluxo ao longo de uma Asa Delta através de métodos de visualização de fluxo

Resumo

Aqui, apresentamos um protocolo para observar os fluxos vortical instáveis sobre uma asa delta utilizando uma técnica de visualização de fluxo de fumaça modificados e investigar o mecanismo responsável por oscilações dos locais de avaria vórtice de ponta.

Resumo

É sabido que o campo de fluxo ao longo de uma asa delta é dominado por um par de vórtices de ponta rotativa de contador (LEV). No entanto, seu mecanismo não é bem compreendido. A técnica de visualização de fluxo é um método não-intrusiva promissor para ilustrar o campo de fluxo complexo espacial e temporalmente. Uma configuração de visualização de fluxo básico consiste em um laser de alta potência e lentes ópticas para gerar a folha do laser, uma câmera, um gerador de partículas de marcador e um processador de dados. A instalação do túnel de vento, as especificações dos dispositivos envolvidos e as configurações de parâmetro correspondente dependem as características de fluxo a ser obtido.

Visualização de fluxo normal fumaça fio usa um fio de fumo para demonstrar a linha de fluxo. No entanto, o desempenho desse método é limitado pela resolução espacial pobre quando ele é conduzido em um campo de fluxo complexo. Por isso, desenvolveu-se uma técnica de visualização melhorada fluxo de fumaça. Esta técnica ilustra o campo de fluxo global de LEV em grande escala e a estrutura de fluxo de camada de cisalhamento em pequena escala ao mesmo tempo, fornecendo uma valiosa referência para medição de Velocimetria (PIV) de imagem posteriormente detalhadas das partículas.

Neste trabalho, é demonstrada a aplicação da visualização melhorada fluxo de fumaça e medição de PIV para estudar os fenômenos de fluxo instável sobre uma asa delta. O procedimento e cuidados para a realização do experimento são listados, incluindo a instalação do túnel de vento, aquisição de dados e processamento de dados. Os resultados representativos mostram que esses métodos de visualização duas fluxo técnicas eficazes para investigar o campo de fluxo tridimensional, qualitativa e quantitativamente.

Introdução

Medição do fluxo de campo através de técnicas de visualização é uma metodologia básica em engenharia de fluidos. Entre as técnicas de visualização diferentes, visualização de fluxo de fio de fumaça em experiências de túnel de vento e visualização de tintura em experiências de túnel de água são os mais utilizados para ilustrar a estruturas de fluxo qualitativamente. PIV e laser Doppler anemometry (LDA) são duas técnicas quantitativas típico¹.

Na visualização fluxo de fio de fumaça, fumaça linha é geradas a partir de gotículas de óleo em um fio de aquecimento ou injectada a partir do gerador de fumo/contêiner externo durante os experimentos. Luzes de alta potência ou folhas do laser são usadas para iluminar a fumaça linha. Imagens então são gravadas para posterior análise. Este é um simples, mas muito útil fluxo visualização método². No entanto, a eficácia desse método pode ser limitada por vários fatores, tais como a curta duração de fios de fumos, o campo de fluxo tridimensional complexo, a velocidade relativamente elevada do fluxo e a eficiência de geração de fumaça³.

Nas medições de PIV, um corte transversal de um campo de fluxo com partículas entranhados é iluminado por uma folha do laser, e posições instantâneas das partículas na presente secção são capturadas por uma câmera de alta velocidade. Dentro de um extremamente pequeno intervalo de tempo, um par de imagens é gravado. Dividindo as imagens em uma grade de áreas de interrogatório e calculando o médio movimento de partículas em áreas de interrogatório por meio de funções de correlação cruzada, o mapa de vetor velocidade instantânea nesta secção observada pode ser obtido. No entanto, também é sabido que os compromissos devem ser atingidos por factores incluindo o tamanho da janela de observação, a resolução do mapa velocidade, a magnitude da velocidade no plano, o intervalo de tempo entre o par de imagens, a velocidade ortogonal magnitude e a partícula densidade⁴. Portanto, muitos experimentos exploratórios podem ser necessários para otimizar as configurações experimentais. Seria caro e demorado para investigar um campo desconhecido e complexo fluxo com PIV medição sozinho^5,6. Tendo em conta as preocupações acima, uma estratégia para combinar a visualização do fluxo de fumaça e medição PIV é proposta e demonstrada aqui para estudar o fluxo complexo sobre uma asa delta Delgada.

Numerosos estudos de LEV fluxos sobre asas delta foram realizados^7,8, com técnicas de visualização de fluxo usado como as principais ferramentas. Muitos fenômenos de fluxo interessantes foram observados: tipo espiral e bolha tipo vórtice avarias^9,10, uma tesoura instável camada subestrutura^11,12, oscilações das localizações de esgotamento LEV¹³ , e efeitos de lançamento e guinada ângulos^14,15,16 , nas estruturas de fluxo. No entanto, os mecanismos subjacentes de alguns fenômenos instáveis nos fluxos de asa delta permanecem pouco claras⁷. Neste trabalho, a visualização de fluxo de fumaça é melhorada usando as mesmas partículas semeadura utilizadas na medição de PIV, em vez de um fio de fumaça. Esta melhoria grandemente simplifica a operação da visualização e aumenta a qualidade das imagens. Baseado nos resultados de visualização melhorada fluxo de fumaça, medição de PIV enfoca aqueles campos de fluxo de interesse para adquirir as informações quantitativas.

Aqui, uma descrição detalhada é fornecida para explicar como realizar uma experiência de visualização de fluxo em um túnel de vento e para investigar fenômenos de fluxo instável sobre uma asa delta. Dois métodos de visualização, a visualização melhorada fluxo de fumaça e a medição de PIV, são usados juntos neste experimento. O procedimento inclui orientação passo a passo para instalação e parâmetro de regulação. Resultados típicos são demonstrados para mostrar a vantagem de combinar estes dois métodos para medir o campo de fluxo complexo espacial e temporalmente.

Protocolo

1. instalação túnel de vento

1. Modelo de asa delta
   1. Construa um modelo de asa delta de alumínio, com um ângulo de varredura φ de 75 °, um comprimento de corda c de 280 mm, uma raiz span b de 150 mm e uma espessura de 5 mm. Têm ambos os bordos de ataque chanfrados 35 ° para corrigir o ponto de separação¹⁷ (ver Figura 1a).
2. Facilidade de túnel de vento
   1. Realizar experimentos em um túnel de vento de baixa velocidade de circuito fechado, com uma seção de teste de 2,4 m (comprimento) × 0,6 m (largura) × 0,6 m (altura) que é equipado com paredes de vidro que permitem acesso óptico durante as experiências. A intensidade turbulenta de uma instalação deve ser inferior a 0,4%.
      Nota: Neste estudo, usamos um túnel de vento na Universidade Politécnica de Hong Kong com as características acima. Além disso, a velocidade freestream U_∞ variou de 2.64 m/s a 10.56 m/s, correspondente a um número de Reynolds, Re, de 5 × 10⁴ a 2 × 10⁵, baseia o comprimento da corda da asa delta, que é o intervalo de voo típico para um veículo aéreo não tripulado (UAV).
   2. Conforme necessário, use três arranjos diferentes (ver Figura 1b-d) da folha do laser e câmeras para observar as estruturas de fluxo em seção transversal longitudinal, secção transversal span-wise e a secção transversal. Esquemas da instalação são mostrados na Figura 1b.
      Nota: Este protocolo demonstra a instalação e medição em seção transversal longitudinal em detalhe.
3. Instalar a asa delta
   1. Corrigi o bordo de fuga da asa delta sobre a picada, que é uma guia de movimento circular usada para ajustar o ângulo de ataque (AoA), α. O centro do guia circular está na linha central da seção de teste do túnel de vento. Assim, o centro do asa delta pode ser sempre no centro da seção de teste. Ajustar o AoA para α = 34 °.
   2. Ajuste cuidadosamente o modelo asa delta para minimizar qualquer ângulo de guinada e rolar ângulo, verificando-se as leituras de um medidor de ângulo e um nível de três eixos do laser. No estudo atual, a incerteza destes dois ângulos é inferior a 0,1 °.
4. Configurar a folha do laser
   1. Use dois lasers separadamente para iluminar as estruturas de fluxo para PIV medição e visualização de fluxo de fumaça.
      1. Para medição de PIV, usar um laser de pulso dual, com um comprimento de onda de 532 nm e uma energia máxima de 600 mJ (ajustável) para cada pulso. Controlá-lo com um sincronizador com sinais de transistor-transistor logic (TTL) (ver Figura 1b).
      2. Para visualização de fluxo de fumaça, use um laser contínuo com um comprimento de onda de 532 nm e uma potência de 1 w. Este laser contínuo funciona de forma independente. Durante a instalação da instalação, use um filtro de densidade neutra com 10% de transmitância para filtrar o feixe de laser para segurança.
   2. Use óculos adequados do laser.
   3. Ajuste o espelho de reflexão para introduzir o feixe de laser no túnel de vento. O ângulo entre o eixo de luz do laser e o espelho é , para fazer com que o feixe de laser normal à superfície de asa delta. Certifique-se de que o feixe de laser é em torno da posição x/c ≅ 0,25, que mais tarde será o centro do campo de visão (FOV).
   4. Instale o sistema ótico do laser (com o laser contínuo, em primeiro lugar) para formar a folha do laser, como mostrado na Figura 1b. A lente convexa é usada para controlar o tamanho do feixe de laser (também a espessura da folha). A lente cilíndrica expande o feixe de laser para uma folha do laser.
      Nota: No estudo atual, a distância focal da lente cilíndrica é 700 mm e o diâmetro da lente cilíndrica é 12 mm.
   5. Verificar a espessura da folha do laser medindo-se a linha de laser no modelo. Ajustar a localização da lente convexa se a espessura da folha do laser não é adequada (aqui, em torno de 1 mm, com uma largura efetiva da folha do laser na seção teste de cerca de 100 mm). Observe que a espessura da chapa do laser é dependente 1) o componente de velocidade na direção normal para a folha do laser e 2) o intervalo de tempo entre o par de instantâneos em medição de PIV.
   6. Coloquei uma placa de alvo de calibração na asa delta, com sua superfície coincidente para a folha do laser. Esta etapa é essencial porque o FOV no estudo atual não é ortogonal a coordenada de túnel de vento.
5. Configuração da câmera
   1. Desliga os lasers ao configurar a câmera. Tal como acontece com os lasers, use duas câmeras para cada parte separada deste experimento:
      1. Para medição de PIV, use uma câmera CCD de alta velocidade com uma resolução de 2048 × 2048 pixels. Esta câmera é controlada pelo sincronizador e o duplo pulso do laser (ver Figura 1b). Dados nesta câmera serão transmitidos diretamente para o computador.
      2. Para visualização de fluxo de fumaça, use uma câmera digital comercial com uma resolução de instantâneo de 4.000 × 6.000 pixels e uma resolução de gravação de vídeo de 50 Hz de 720 × 1280 pixels durante a visualização de fluxo de fumaça. Será operado manualmente.
   2. Mova a posição da câmera (comercial câmera digital, em primeiro lugar) para obter o desejado FOV. Ajuste a lente da câmera para focalizar a placa-alvo calibração. Certifique-se de que todo o campo está concentrado. Se não, as coordenadas da câmera podem não ser ortogonais à placa de alvo de calibração. Assim, ajustar a câmera posicione cuidadosamente¹⁸.
   3. Leve vários quadros depois que a câmera é bem definida. Mais tarde, esses quadros da placa alvo de calibração serão usados para calibrar o fator de escala entre o tamanho real e o pixel do quadro e para identificar a posição de referência no quadrante xyz. Em seguida, retire a placa de destino de calibração.
6. Ligue o túnel de vento com uma velocidade baixa (por exemplo, 3 m/s) e injetar partículas de óleo em túnel de vento. Ajustar a pressão do gerador do aerossol 2,5 bar e operá-lo por 30 s para o método de visualização do fluxo pré-propagado. Depois disso, o túnel de vento inteiro será propagado uniformemente com partículas de óleo em um diâmetro normal de cerca de 1 µm.
   Nota: No estudo atual, a concentração de densidade de partículas de óleo estimado no túnel de vento é aproximadamente na visualização fluxo de fumaça; assim, a mudança de densidade de fluxo global no túnel de vento é .
7. Configuração do software PIV
   1. Controlar o sistema PIV com o software PIV (ver tabela de materiais). Este software pode comandar o sincronizador para enviar sinais TTL para o laser e a câmera, como mostrado na Figura 1b.
   2. Defina a frequência de amostragem de 5 Hz, com um número de amostragem total de 500. O intervalo de tempo entre os quadros PIV é 80 µs. Note que o intervalo de tempo é dependente do tamanho da velocidade FOV e fluxo. Certifique-se que as áreas de interrogatório em dois quadros sobre uma sobreposição de 50-75%.

2. execução do experimento

1. Visualização melhorada fluxo de fumaça
   1. Ligue o túnel de vento a velocidade desejada freestream (U = 2.64 m/s). Executá-lo por 10 min estabilizar a velocidade freestream. No Re = 50.000, a velocidade de freestream é U = 2.64 m/s.
   2. Ligue o laser contínuo. Use a câmera digital para capturar instantâneos de 5-10 da estrutura de fluxo.
   3. Verificar se a folha do laser é na secção transversal longitudinal do núcleo LEV (ver a típica estrutura mostrada na Figura 3). Em caso afirmativo, marque esta posição no modelo asa delta como uma referência para a medição de PIV posterior; caso contrário, alterar a posição da folha do laser ajustando a lente óptica e redefinir a calibração seguindo passos 1.4.6 - 1.5.3.
   4. Rever essas imagens e verificar o foco e o brilho. Se a qualidade da imagem não é satisfatória, ajuste a abertura da lente ou a configuração ISO.
   5. Tirar mais instantâneos (tipicamente em torno de 20) e vídeos (aproximadamente 40 s) com a configuração adequada. Desligue o laser e transferir os dados para o computador.
2. Medição de PIV
   1. Com base na posição de referência da etapa 2.1.3 e os resultados de instantâneos da etapa 2.1.5, escolha uma região interessante (x/c≈ 0,3) como o FOV, onde se podem observar as subestruturas vortical. Substitua a contínua do laser e uma câmera digital com o laser de pulso dual e câmera CCD para medição de PIV.
   2. Repita as etapas de 1.4.6 - 1.5.3 para gravar a calibração para medição do PIV.
   3. Ligue o túnel de vento a velocidade desejada freestream, U = 2.64 m/s. executá-lo por 10 minutos garantir que a velocidade de freestream é estável.
   4. Ajustar o laser de pulso dual ao mais alto nível de energia e aguarde. Usar o software para iniciar a aquisição de dados por 100 s. Assim que terminar a gravação de dados, desliga a cabeça do laser.
   5. Rever as imagens adquiridas no software e verificar a distribuição de folha do laser, a densidade das partículas (geralmente 6-10 partículas em cada área de interrogatório desejado), o foco e o deslocamento da partícula entre os quadros duplos (25-50% do interrogatório área).
   6. Se a qualidade das imagens é satisfatória, conforme descrito na etapa 2.2.5., salvar os dados no disco rígido do PC e executar os outros casos, repetindo os passos acima. Caso contrário, repita as etapas de 1,7 e 2,2 e ajustar cuidadosamente a instalação.

3. processamento de dados

1. Melhor visualização de fuma
   Nota: As etapas a seguir, 3.1.1-3.1.4, são feitas por meio do código MATLAB automaticamente (consulte o Arquivo de codificação suplementar).
   1. Transforme o vídeo em uma sequência de quadros. Converta os quadros do formulário do RGB em tons de cinza. Gire o quadro para tornar a superfície de asa delta horizontal. Escolha a área de interesse para processamento posterior (Figura 2a).
   2. Ajuste o brilho e o contraste para realçar a estrutura de fluxo. Aplica um limiar adaptativo para transformar a imagem cinza em uma imagem binária (Figura 2b).
   3. Somar os valores de binários em cada coluna e encontrar a posição em que a soma de repente muda. Esta posição é a localização de avaria do vórtice (Figura 2C).
   4. Grave os locais de esgotamento de vórtice e seus tempos correspondentes. A história do tempo da oscilação do colapso, portanto, pode ser obtida.
   5. Use o fator de escala de tamanho de pixel-real (medido a partir das imagens com a placa-alvo calibração na etapa 1.5.3) para transformar a história do tempo dos pixels de tamanho real e identificar a posição de referência. Traça a história do tempo da oscilação do colapso.
2. Medição de PIV
   1. Execute o software do PIV. Use as imagens adquiridas na etapa 2.2.2 para definir o fator de escala e a posição de referência das coordenadas. Pré-processa os dados adquiridos através da biblioteca de processamento de imagem para realçar as partículas e reduzir o ruído¹⁸.
   2. Use o método de área de interrogatório adaptável com um tamanho de grade mínima de 32 × 32 pixels e uma sobreposição mínima de 50%. Escolha a área de imagem e definir um vetor de 3 x 3 validação para as correlações cruzadas adaptativas.
   3. O resultado é dado como um campo vetorial de velocidade, em que os vetores de azuis são os vetores corretos, os verdes são os vectores substituídos e os vermelhos são vetores ruins.
   4. Aplica o 3 x 3 movendo-se método de validação média para estimar a velocidade local comparando os vetores no seu bairro. Substitua os vetores que desviar-se muito de seus vizinhos com a média de seus vizinhos.
   5. Calcule estatísticas de vetor nos mapas de velocidade para obter as características de fluxo na história do tempo, por exemplo, a velocidade média de tempo, o desvio padrão e a correlação cruzada entre os componentes da velocidade. Calcule os escalares derivados do mapa para demonstrar os recursos internos do campo de fluxo, por exemplo, a vorticidade, tensões de cisalhamento e roda força vetor.

Resultados

Figura 2d mostra as histórias do tempo dos locais avaria LEV. A curva preta indica o LEV a bombordo e a curva vermelha indica o estibordo LEV. A escala de tempo é adimensional pelo comprimento de velocidade e acordes de fluxo livre. O coeficiente de correlação entre essas duas histórias do tempo é r = −0.53, indicando uma forte interação antisimétrica das oscilações de localização de avaria da LEV. Este resultado concorda bem com o tra...

Discussão

Este artigo apresenta a dois métodos de visualização de fluxo, a visualização melhorada fluxo de fumaça e a medição de PIV, para investigar a estrutura de fluxo sobre a asa delta, qualitativa e quantitativamente. Os procedimentos gerais da experiência são descritos passo a passo. As configurações desses dois métodos são quase a mesma coisa, enquanto os dispositivos envolvidos são diferentes. O princípio básico desses métodos de visualização dois fluxo é para iluminar as partículas do fluxo através ...

Materiais

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