Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo
Summary
Aquí, presentamos un protocolo para observar corrientes en torbellino inestables sobre un ala de delta usando una técnica de visualización de flujo modificado de humo e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las localizaciones de desglose de vórtice de vanguardia.
Abstract
Es bien sabido que el campo de flujo sobre un ala de delta es dominado por un par de vórtices de punta giratoria de contador (LEV). Sin embargo, su mecanismo no se comprende bien. La técnica de visualización del flujo es un método no invasivo prometedor para ilustrar el campo de flujo complejo espacial y temporal. Una configuración de visualización de flujo básico consiste en un láser de alta potencia y lentes de ópticas para generar la hoja láser, una cámara, un generador de partículas trazadoras y un procesador de datos. La configuración de túnel de viento, las especificaciones de los dispositivos involucrados y los valores correspondientes del parámetro dependen de las características de flujo a obtenerse.
Visualización de flujo de alambre humo normal utiliza un hilo de humo para mostrar la línea de flujo. Sin embargo, los resultados de este método está limitado por la pobre resolución espacial cuando se lleva a cabo en un campo de flujo complejo. Por lo tanto, se ha desarrollado una técnica de visualización de flujo de humo mejorada. Esta técnica ilustra el campo de flujo LEV global a gran escala y la estructura de flujo de cizalla pequeña capa al mismo tiempo, proporcionando una valiosa referencia para la medición de más adelante toda partícula imagen velocimetry (PIV).
En este trabajo se demuestra la aplicación de la visualización mejora flujo de humo y medición PIV para el estudio de los fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. El procedimiento y precauciones para llevar a cabo el experimento aparecen, incluyendo configuración de túnel de viento, adquisición de datos y procesamiento de datos. Los resultados representativos muestran que estos métodos de visualización de dos flujo son técnicas efectivas para investigar el campo de flujo tridimensional cualitativa y cuantitativamente.
Introduction
Medida del campo de caudal mediante técnicas de visualización es una metodología básica en Ingeniería flúida. Entre las técnicas de visualización diferentes, visualización de flujo de alambre humo en túnel de viento experimentos y visualización de tinte en experimentos de túnel de agua son los más utilizados para ilustrar estructuras de flujo cualitativo. PIV y Láser Doppler anemometría (LDA) son dos típicas técnicas cuantitativas1.
En la visualización de flujo de alambre humo, humo línea es generado a partir de gotitas de aceite sobre un alambre de la calefacción o inyectada desde el exterior generador de humo/contenedor durante los experimentos. Luces de alta potencia o laser hojas se utilizan para iluminar la línea de humo. Luego se graban imágenes para su posterior análisis. Este es un sencillo pero muy útil flujo visualización método2. Sin embargo, la efectividad de este método puede verse limitada por diversos factores, como la corta duración de hilos de humo, el campo de flujo tridimensional complejo, la velocidad relativamente alta del flujo y la eficiencia de la generación del humo3.
En las medidas de PIV, un corte transversal de un campo de flujo con partículas arrastradas es iluminada por una hoja de laser y posiciones instantáneos de las partículas en esta sección son capturados por una cámara de alta velocidad. Dentro de un intervalo muy pequeño de tiempo, se registra un par de imágenes. Al dividir las imágenes en una cuadrícula de las áreas de interrogatorio y calcular el movimiento promedio de las partículas en las áreas de interrogatorio a través de funciones de correlación cruzada, puede obtenerse el mapa de vector de velocidad instantánea en este corte transversal observado. Sin embargo, también se sabe que deben alcanzarse compromisos de factores incluyendo el tamaño de la ventana de observación, la resolución del mapa de velocidad, la magnitud de la velocidad en el plano, el intervalo de tiempo entre el par de imágenes, la velocidad ortogonal magnitud y la densidad de partículas4. Por lo tanto, muchos experimentos de exploración pueden ser necesaria para optimizar la configuración experimental. Sería costoso y desperdiciador de tiempo investigar un campo desconocido y complejo flujo con PIV medición solo5,6. Teniendo en cuenta las preocupaciones anteriores, una estrategia para combinar la visualización de flujo de humo y medición PIV es propuesta y demostrada aquí para estudiar el complejo flujo sobre un ala de delta fino.
Numerosos estudios de los flujos de la LEV sobre alas delta han sido realizados7,8, con técnicas de visualización de flujo utilizada como principales herramientas. Se han observado muchos fenómenos interesantes de flujo: tipo espiral y burbuja tipo vórtice averías9,10, un corte inestable capa subestructura11,12, oscilaciones de puntos de ruptura LEV13 , y los efectos de cabeceo y guiñada ángulos14,15,16 sobre las estructuras de flujo. Sin embargo, los mecanismos subyacentes de fenómenos inestables en los flujos de ala delta siendo claro7. En este trabajo, se mejora la visualización de flujo de humo usando el mismo partículas de siembra utilizadas para la medición de PIV, en lugar de un hilo de humo. Esta mejora grandemente simplifica la operación de la visualización y aumenta la calidad de las imágenes. Basado en los resultados de la visualización de flujo de humo mejorada, medición PIV se centra en los campos de flujo de interés para la adquisición de la información cuantitativa.
Aquí, se proporciona una descripción detallada para explicar cómo llevar a cabo un experimento de visualización de flujo en un túnel de viento y para investigar fenómenos de flujo transitorio en un ala delta. Dos métodos de visualización, el flujo de humo mejorada visualización y medición PIV, se utilizan conjuntamente en este experimento. El procedimiento incluye guía paso a paso para el ajuste de la configuración y los parámetros del dispositivo. Se demuestran resultados típicos para mostrar la ventaja de combinar estos dos métodos para medir el campo de flujo complejo espacial y temporal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artículo presenta los dos métodos de visualización de flujo, visualización de flujo de humo mejorada y medición PIV, para investigar la estructura de flujo sobre el ala de delta cualitativa y cuantitativamente. Paso a paso se describen los procedimientos generales del experimento. Las configuraciones de estos dos métodos son casi iguales, mientras que los dispositivos involucrados son diferentes. El principio básico de estos métodos de visualización de dos flujo es iluminar las partículas en el flujo a tra…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer el Consejo de becas de investigación de Hong Kong (no. GRF526913), Hong Kong innovación y tecnología de la Comisión (no. ITS/334/15FP) y el nos oficina de Naval investigación Global (no. N00014-16-1-2161) apoyo financiero.
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 |
Referencias
- 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).
