Name: experimental investigation of the flow structure over a delta wing via flow visualization methods
Uploaded: 2018-04-23T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods at JoVE.com

Les auteurs tiens à remercier le Conseil de subventions de recherche Hong Kong (no. GRF526913), Hong Kong Innovation et technologie Commission (no. ITS/334/15FP) et la nous Bureau du Naval Research Global (no. N00014-16-1-2161) pour un soutien financier.

1. soufflerie Setup
<ol><li>Modèle d’aile delta
	<ol>
<li>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).</li>
	</ol></li>
	<li>Installation de la soufflerie
	<ol>
<li>R?...

<ol>
	<li>Smits, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).</li><li>Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Low-speed wind tunnel testing. , (1999).</li><li>Merzkirch, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Flow visualization. , (1987).</li><li>Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).</li><li>Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+Image+Velocimetry+for+Complex+and+Turbulent+Flows.">Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows.</a> Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).</li><li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. 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M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Visualization+and+wake+surveys+of+vortical+flow+over+a+delta+wing.">Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing.</a> AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).</li><li>Lowson, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+three+dimensional+vortex+sheet+structure+on+delta+wings.">The three dimensional vortex sheet structure on delta wings.</a> Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).</li><li>Riley, A. J., Lowson, M. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+three-dimensional+free+shear+layer.">Development of a three-dimensional free shear layer.</a> J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).</li><li>Menke, M., Gursul, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unsteady+nature+of+leading+edge+vortices.">Unsteady nature of leading edge vortices.</a> Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).</li><li>Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Yaw+angle+effect+on+flow+structure+over+the+nonslender+diamond+wing.">Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing.</a> AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).</li><li>Menke, M., Gursul, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Nonlinear+response+of+vortex+breakdown+over+a+pitching+delta+Wing.">Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing.</a> J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).</li><li>Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Flow+structure+over+the+yawed+nonslender+diamond+wing.">Flow structure over the yawed nonslender diamond wing.</a> Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).</li><li>Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vortex+breakdown+on+slender+sharp-edged+wings.">Vortex breakdown on slender sharp-edged wings.</a> J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).</li><li>Lu, L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+Particle+Image+Velocimetry+Near+Surfaces.">High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces.</a> J Vis Exp. (76), e50559 (2013).</li><li>Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., D&#233;lery, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Oscillation+of+Vortex+Breakdown+Location+and+Blowing+Control+of+Time-Averaged+Location.">Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location.</a> AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).</li><li>Shen, L., Wen, C. -. y., Chen, H. -. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Asymmetric+Flow+Control+on+a+Delta+Wing+with+Dielectric+Barrier+Discharge+Actuators.">Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators.</a> AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).</li><li>Leibovich, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Structure+of+Vortex+Breakdown.">The Structure of Vortex Breakdown.</a> Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).</li><li>Mitchell, A. M., Molton, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Vortical+Substructures+in+the+Shear+Layers+Forming+Leading-Edge+Vortices.">Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices.</a> AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).</li><li>Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+discrete+vortices+from+a+delta+wing.">The discrete vortices from a delta wing.</a> AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).</li><li>Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanisms+for+generating+coherent+packets+of+hairpin+vortices+in+channel+flow.">Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow.</a> J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).</li><li>Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Analysis+and+interpretation+of+instantaneous+turbulent+velocity+fields.">Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields.</a> Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).</li><li>Yoda, M., Hesselink, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+three-dimensional+visualization+technique+applied+to+flow+around+a+delta+wing.">A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing.</a> Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).</li><li>Greenwell, D. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> RTO AVT Symposium. , (2001).</li><li>Furman, A., Breitsamter, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Turbulent+and+unsteady+flow+characteristics+of+delta+wing+vortex+systems.">Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems.</a> Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).</li><li>Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+flow+visualization+and+tomographic+particle+image+velocimetry+for+vortex+breakdown+over+a+non-slender+delta+wing.">3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing.</a> Exp Fluids. 57 (6), (2016).</li></ol>

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 ...

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 seulement5,6. 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 menées7,8, 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 pannes9,10, un cisaillement instable couche sous-structure11,12, oscillations d’emplacements de ventilation LEV13 , et les effets de tangage et de lacet angles14,15,16 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.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>532 nm Nd:YAG laser</td>
			<td>Quantel Laser</td>
			<td>Evergreen 600mJ</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High speed camera</td>
			<td>Dantec Dynamic</td>
			<td>HiSense 4M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>camera lens</td>
			<td>Tamron</td>
			<td>SP AF180mm F/3.5 Di</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV recording and processing software</td>
			<td>Dantec Dynamic</td>
			<td>DynamicStudio</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cylindrical lens</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>&#934;=12 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>convex lens</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td>f=700 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>neutral density filter</td>
			<td>Newport</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration target</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>aerosol generator</td>
			<td>TSI</td>
			<td>TSI 9307-6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PULSE GENERATOR</td>
			<td>Berkeley Nucleonics Corp</td>
			<td>BNC 575</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>continuous laser</td>
			<td></td>
			<td>APGL-FN-532-1W</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Digital camera</td>
			<td>Nikon</td>
			<td>Nikon D5200</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image processing</td>
			<td>Matlab</td>
			<td></td>
			<td>custom code</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>wind tunnel support</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>custom made</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>laser level</td>
			<td>BOSCH</td>
			<td>GLL3-15X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>angle meter</td>
			<td>BOSCH</td>
			<td>GAM220</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

experimental investigation of the flow structure over a delta wing via flow visualization methods

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.

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 ...

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Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods

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.

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

It is well known that the flow field over a delta wing is dominated by a pair of counter rotating leading edge vortices (LEV). However, their mechanism is ...

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