Experimentelle Untersuchung der Strömung Struktur über eine Delta-Flügel über Flow Visualisierungsmethoden
Summary
Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur instationären bejubelten fließt über eine Delta-Flügel mit einer modifizierten Rauch Fluss Visualisierungstechnik beobachten und untersuchen den Mechanismus für die Schwingungen der führende Wirbel Aufschlüsselung Standorte verantwortlich.
Abstract
Es ist bekannt, dass das Strömungsfeld über eine Delta-Flügel von ein paar Zähler rotierenden Vorderkante Wirbel (LEV) dominiert wird. Ihr Mechanismus ist jedoch nicht gut verstanden. Der Fluss Visualisierungstechnik ist eine vielversprechende berührungslose Methode um das komplexe Strömungsfeld räumlich und zeitlich zu veranschaulichen. Eine grundlegende Fluss Visualisierung Setup besteht aus einem High-Power-Laser und optische Linsen, Laser-Blatt, eine Kamera, ein Tracer-Partikel-Generator und Datenverarbeiter zu generieren. Der Windkanal-Einrichtung, die Spezifikationen der beteiligten Geräte und die entsprechenden Parameter-Einstellungen sind abhängig von der Strömung Funktionen abgerufen werden.
Normal Rauch Draht Visualisierung verwendet einen Rauch Draht fließen streichlinien nachweisen. Allerdings ist die Leistung dieser Methode durch schlechte räumliche Auflösung begrenzt, wenn sie in einem komplexen Feld durchgeführt wird. Daher wurde eine verbesserte Rauch Fluss Visualisierungstechnik entwickelt. Diese Technik zeigt die groß angelegte globale LEV Strömungsfeld und der Schichtaufbau fließen kleine Schere zum gleichen Zeitpunkt bietet ein wertvolles Nachschlagewerk für später detaillierte Particle Image Velocimetry (PIV) Messung.
In diesem Papier zeigt die Anwendung der verbesserten Rauch Visualisierung und PIV-Messung, die Phänomene der instationären Strömung über eine Delta-Flügel zu studieren. Die Verfahren und Hinweise zur Durchführung des Experiments aufgeführt sind, einschließlich der Windkanal Setup, Datenerfassung und Datenverarbeitung. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass diese beiden Fluss Visualisierungsmethoden effektive Techniken für die Untersuchung der dreidimensionales Strömungsfeld, qualitativ und quantitativ.
Introduction
Bereich Durchflussmessung über Visualisierungstechniken ist eine grundlegende Methodik in der Fluidtechnik. Unter den verschiedenen Visualisierungstechniken sind Rauch Draht Visualisierung im Windkanal Experimente und Farbstoff Visualisierung im Tunnel Wasserexperimente die am weitesten verbreitete Fluss Strukturen qualitativ zu veranschaulichen. PIV und Laser Doppler Messung (LDA) sind zwei typische quantitative Techniken1.
In Rauch Draht Visualisierung Rauch streichlinien erzeugt aus Öltröpfchen auf ein Heizdraht oder während der Experimente aus dem äußeren Rauch Generator/Behälter injiziert. Hochleistungs-Licht oder Laser-Blätter werden verwendet, um den Rauch streichlinien beleuchten. Bilder werden dann für die weitere Analyse aufgezeichnet. Dies ist eine einfache, aber sehr nützliche Fluss Visualisierung Methode2. Die Wirksamkeit dieser Methode kann jedoch durch verschiedene Faktoren, wie die kurze Dauer der Rauch Drähte, die komplexe dreidimensionale Strömungsfeld, die relativ hohe Geschwindigkeit der Strömung und die Effizienz der Rauchentwicklung3beschränkt werden.
In PIV-Messungen ein Querschnitt durch ein Strömungsfeld mit mitgeführten Partikel wird durch eine Laser-Blatt beleuchtet und sofortige Positionen der Teilchen in dieser Querschnitt sind von einer Highspeed-Kamera eingefangen. In einer extrem kleinen Zeitintervall wird ein paar Bilder aufgezeichnet. Durch die Bilder in ein Raster von Verhör Bereiche aufzuteilen und die durchschnittliche Bewegung von Teilchen in Verhör Bereichen durch Kreuzkorrelation Funktionen berechnen, erhalten Sie die momentane Geschwindigkeit Vektorkarte in dieser beobachteten Querschnitt. Es ist jedoch auch bekannt, dass Kompromisse für Faktoren wie die Größe des Fensters Beobachtung, die Auflösung der Geschwindigkeit Karte, der geschwindigkeitsbetrag in der Ebene, der zeitliche Abstand zwischen den beiden Bildern, die orthogonal Geschwindigkeit erreicht werden muss Größe, und die Partikel Dichte4. Daher können viele explorative Experimente mussten die experimentelle Einstellungen zu optimieren. Es wäre teuer und zeitaufwändig zu untersuchen, eine unbekannte und komplexe Strömungsfeld mit PIV Messung allein5,6. In Anbetracht der oben genannten Bedenken eine Strategie verbinden Rauch Visualisierung und PIV Messung vorgeschlagen und hier demonstriert, um die komplexe Warenströme über eine schlanke Deltaflügel zu studieren.
Zahlreiche Studien von LEV strömt über Deltaflügel wurden durchgeführte7,8, mit Fluss-Visualisierungs-Techniken als die primären Tools verwendet. Viele interessante Strömungsphänomenen eingehalten worden: Spirale Typ und Blase Typ Vortex Pannen9,10, einer instationären Scherung Schicht Unterkonstruktion11,12, Schwingungen der LEV Aufschlüsselung Standorte13 , und Effekte von Pitch und Yaw Winkel14,15,16 auf die Fluss-Strukturen. Die zugrunde liegenden Mechanismen etwas unsicher Phänomene in der Deltaflügel fließt jedoch unklar7. In dieser Arbeit wird der Rauch Visualisierung verbessert mit der gleichen Ausgangswerten Partikeln in PIV Messung statt Rauch Draht verwendet. Diese Verbesserung stark vereinfacht die Bedienung der Visualisierung und erhöht die Qualität der Bilder. Basierend auf den Ergebnissen aus der verbesserten Rauch Fluss-Visualisierung, PIV Messung konzentriert sich auf die Strömungsfelder von Interesse, die quantitative Informationen zu erwerben.
Hier ist eine detaillierte Beschreibung zu um erklären, wie eine Fluss-Visualisierung-Experiment in einem Windkanal durchzuführen und zu untersuchen, schwankenden Strömungsphänomenen über eine Delta-Flügel. Zwei Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, werden gemeinsam in diesem Experiment verwendet. Das Verfahren beinhaltet Anleitungen für Setup und Parameter Geräteeinstellung. Typische Ergebnisse werden gezeigt, um den Vorteil der Kombination dieser beiden Methoden für die Messung der komplexen Strömungsfeld, räumlich und zeitlich zu zeigen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dieser Artikel stellt zwei Fluss Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, Strömung Struktur über die Deltaflügel qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Die allgemeine Verfahren des Experiments werden Schritt für Schritt beschrieben. Die Setups dieser beiden Methoden sind fast die gleichen, obwohl die beteiligten Geräte unterscheiden. Das Grundprinzip dieser zwei Fluss-Visualisierung-Methoden ist, die Partikel in den Fluss über die Laser-Blatt zu beleuchten. Die verbesserte Rauc…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchte Hong Kong Research Grants Council (No. GRF526913), Hong Kong Innovation and Technology Kommission (No. ITS/334/15FP), und die uns Büro von Naval Research Global (No. N00014-16-1-2161) für die finanzielle Unterstützung.
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).
