Experimentele onderzoek van de structuur van de stroom over een Delta vleugel Via stroom visualisatie methoden
Summary
Hier presenteren we een protocol om de wankele vortical stroomt over een delta vleugel met behulp van een gemodificeerde rook stroom visualisatie techniek observeren en onderzoeken van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de trillingen van de toonaangevende vortex verdeling locaties.
Abstract
Het is algemeen bekend dat het veld van de stroom over een delta vleugel wordt gedomineerd door een paar teller roterende voorrand vortices (LEV). Echter hun mechanisme niet goed wordt begrepen. De stroom visualisatie techniek is een veelbelovende onopvallende methode ter illustratie van het veld van de complexe informatiestroom, ruimtelijk en tijd. Een basisstappen visualisatie installatie bestaat uit een hoog vermogen laser en optische lenzen voor het genereren van het blad van de laser, een camera, een tracer deeltje generator en een data-processor. De windtunnel setup, de specificaties van de apparaten en de bijbehorende parameterinstellingen zijn afhankelijk van de functies van de stroom worden verkregen.
Normaal rook draad stroom visualisatie maakt gebruik van een rook draad om aan te tonen van de streaklines van de stroom. De prestaties van deze methode wordt echter beperkt door slechte ruimtelijke resolutie wanneer het wordt uitgevoerd in een veld van de complexe informatiestroom. Daarom is een betere rook flow visualisatie techniek heeft ontwikkeld. Deze techniek illustreert de grootschalige globaalveld voor LEV stroom en de kleinschalige schuintrekken lagenstructuur stroom op hetzelfde moment, het verstrekken van een waardevolle referentie voor later gedetailleerde particle image velocimetry (PIV) meting.
In dit document, wordt de toepassing van de betere rook flow visualisatie en de PIV meting op de wankele stroom verschijnselen bestuderen over een delta vleugel aangetoond. De procedure en de waarschuwing voor het uitvoeren van het experiment staan, met inbegrip van de windtunnel setup, data acquisitie en verwerking van gegevens. De representatieve resultaten laten zien dat deze twee stromen visualisatie methoden effectieve technieken voor het onderzoeken van de drie-dimensionale stroom veld kwalitatief en kwantitatief.
Introduction
Veld Stroommeting via visualisatietechnieken is een fundamentele methodologie in vloeibare techniek. De verschillende visualisatietechnieken behoren rook draad stroom visualisatie in windtunnel experimenten en visualisatie van de kleurstof in water tunnel experimenten tot de meest gebruikte om te illustreren stroom structuren kwalitatief. PIV en laser Doppler anemometry (LDA) zijn twee typische kwantitatieve technieken1.
In rook draad stroom visualisatie, zijn rook streaklines gegenereerd op basis van olie druppels op de draad van een verwarming of geïnjecteerd vanuit de buitenste rook generator/container tijdens de experimenten. High-Power licht of laser bladen worden gebruikt voor het verlichten van de rook streaklines. Beelden worden vervolgens opgenomen voor verdere analyse. Dit is een eenvoudige maar zeer nuttige stroom visualisatie methode2. De effectiviteit van deze methode kan echter worden beperkt door verschillende factoren, zoals de korte duur van rook draden, het veld van de complexe driedimensionale stroom, de relatief hoge snelheid van de stroming en de efficiëntie van de rookproductie3.
Een dwarsdoorsnede van een veld van de stroom met meegesleepte deeltjes wordt verlicht door een laser-blad in PIV metingen, en instant posities van de deeltjes in deze doorsnede zijn gevangen genomen door een high-speed camera. Binnen een uiterst kleine tijdsinterval, is een paar afbeeldingen opgenomen. Door de beelden te verdelen in een raster van ondervraging gebieden en de berekening van de gemiddelde beweging van deeltjes in de ondervraging gebieden door middel van cross-correlatie functies, kan de momentane snelheid vector kaart in deze waargenomen doorsnede worden verkregen. Het is echter ook bekend dat er compromissen moeten worden bereikt voor factoren met inbegrip van de grootte van het kijkvenster, de resolutie van de kaart van de snelheid, de omvang van de snelheid in het vliegtuig, het tijdsinterval tussen het paar van beelden, de orthogonale snelheid omvang en de partikel dichtheid4. Daarom kunnen veel verkennend experimenten nodig zijn voor het optimaliseren van de experimentele instellingen. Het zou duur en tijdrovend om te onderzoeken van een onbekende en complexe stroom veld met PIV meting alleen5,6. Rekening houdend met de bovengenoemde problemen, is een strategie te combineren rook stroom visualisatie en PIV meting voorgesteld en hier gedemonstreerd te bestuderen van de complexe informatiestroom over een slanke delta vleugel.
Talrijke studies van LEV stromen over deltavleugels geweest transiënte7,8, met stroom visualisatietechnieken gebruikt als de primaire hulpmiddelen. Veel interessante stroom verschijnselen zijn waargenomen: spiraal type en bubble type vortex storingen9,10, een wankele schuintrekken laag substructuur11,12, oscillaties van LEV verdeling locaties13 , en effecten van pitching en yaw hoeken14,15,16 op de structuren van de stroom. De onderliggende mechanismen van enkele wankele verschijnselen in de delta vleugel stromen blijven echter onduidelijk7. In dit werk, is de rook stroom visualisatie verbeterd met behulp van de dezelfde seeding deeltjes in PIV meting, in plaats van een rook draad gebruikt. Deze verbetering sterk vereenvoudigt de werking van de visualisatie en verhoogt de kwaliteit van de beelden. Op basis van de resultaten van de betere rook flow visualisatie, PIV meting richt zich op die gebieden van de stroom van belang om de kwantitatieve informatie te verwerven.
Hier is een gedetailleerde beschrijving gegeven uit te leggen hoe uit te voeren van een stroom visualisatie experiment in een windtunnel en te onderzoeken wankele stroom verschijnselen over een delta vleugel. Twee visualisatie methoden, de betere rook flow visualisatie en de PIV meting, worden samen gebruikt in dit experiment. De procedure omvat stapsgewijze instructies voor het apparaat instellen en parameter aanpassing. Typische resultaten worden te tonen het voordeel van het combineren van deze twee methoden voor het meten van het veld van de complexe informatiestroom, ruimtelijk en stoffelijk gedemonstreerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel presenteert de twee stroom visualisatie methoden, de betere rook flow visualisatie en de PIV meting, om te onderzoeken van stroom structuur over de delta vleugel, kwalitatief en kwantitatief. De algemene procedures van het experiment worden stap voor stap beschreven. De opstellingen van deze twee methoden zijn bijna hetzelfde, terwijl de betrokken apparaten verschillend zijn. Het basisprincipe van deze twee stromen visualisatie methoden is voor het verlichten van de deeltjes in de stroom via de laser-blad. De…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank Hong Kong subsidies Onderzoeksraad (nr. GRF526913), Hong Kong-innovatie en technologie Commissie (nr. ITS/334/15FP), en het ons kantoor van Naval Research Global (nr. N00014-16-1-2161) voor financiële steun.
Materials
| 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 |
References
- Smits, A. J. . Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).
- Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. . Low-speed wind tunnel testing. , (1999).
- Merzkirch, W. . Flow visualization. , (1987).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).
- Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows. Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
- Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
- Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
- Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
- Payne, F. M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing. AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).
- Lowson, M. V. The three dimensional vortex sheet structure on delta wings. Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).
- Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
- Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
- Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing. AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).
- Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
- Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
- Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
- Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
- Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., Délery, J. Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location. AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).
- Shen, L., Wen, C. -. y., Chen, H. -. A. Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators. AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).
- Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
- Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
- Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
- Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
- Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
- Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
- Greenwell, D. I. . RTO AVT Symposium. , (2001).
- Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
- Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. 3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing. Exp Fluids. 57 (6), (2016).
