חקירה נסיונית של מבנה הזרימה מעל כנף דלתא באמצעות שיטות הדמיה זרימה
Summary
כאן, אנו מציגים פרוטוקול להתבונן זורם טרנדו לא יציב מעל כנף דלתא בטכניקה הדמיית זרימה עשן ששונה ולחקור את המנגנון האחראי על תנודות של המיקומים פירוק מתקדמים מערבולת.
Abstract
זה ידוע כי השדה זרימה מעל כנף דלתא נשלטת על ידי זוג מונה מסתובב הקצה המוביל מערבולות (לב). עם זאת, מנגנון שלהם אינה מובנת היטב. הטכניקה ויזואליזציה הזרימה היא שיטה פולשנית מבטיח כדי להמחיש את שדה זרימה מורכבים במרחב של חנותם. מלכודת הדמיית זרימה בסיסי מורכב לייזר רב עוצמה, עדשות אופטיים כדי ליצור את הגליון בלייזר, מצלמה, מחולל חלקיקים tracer, מעבד נתונים. ההגדרה של מנהרת רוח, המפרט של התקנים מעורב, הגדרות הפרמטר המתאימות תלויים בתכונות זרימה כדי להתקבל.
הדמיית זרימה רגילה תיל עשן משתמש חוט עשן כדי להדגים את זרימת streaklines. עם זאת, הביצועים של שיטה זו הוא מוגבל על ידי רזולוציה מרחבית נמוכה כאשר הוא מתקיים בשדה זרימה מורכבים. לכן, פותחה שיטת הדמיית זרימה משופרת עשן. טכניקה זו ממחישה שדה הזרימה לב גלובלי בקנה מידה גדול ואת המבנה זרימה של שכבה הטיה בקנה מידה קטן במקביל, ומספק הפניה ערך למדידה velocimetry (PIV) תמונה מאוחר יותר מפורט של חלקיקים.
בנייר זה, הוא הפגין את היישום של הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV ללמוד את התופעות זרימה לא יציב מעל כנף דלתא. הליך והתראות לביצוע הניסוי מפורטים, כולל הגדרת מנהרת רוח, חדרי קירור והקפאה של עיבוד נתונים. התוצאות נציג מראים כי שיטות הדמיה אלה זרימה שתי טכניקות אפקטיביות עבור חוקרים את שדה הזרימה תלת מימדי איכותית, באופן כמותי.
Introduction
מדידת שדה באמצעות טכניקות הדמיה היא מתודולוגיה בסיסית בהנדסה נוזלים. בין טכניקות הדמיה שונים, חוט עשן הדמיית זרימה בניסויים מנהרת רוח והדמיה לצבוע בניסויים מנהרת המים הם הנפוצה ביותר כדי להדגים את זרימת מבנים איכותית. PIV לייזר anemometry דופלר (אידה) שתי טכניקות כמותיות טיפוסי1בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד.
הדמיית זרימה תיל עשן, עשן streaklines הם המופקים טיפות שמן על חוט חימום או מוזרק מהגורם החיצוני עשן הגנרטור/במהלך הניסויים. אורות ובעוצמת או גליונות לייזר משמשים כדי להאיר את streaklines עשן. תמונות נרשמים אז לצורך ניתוח נוסף. זה פשוט אבל שימושי מאוד זרימה ויזואליזציה שיטה2. עם זאת, האפקטיביות של שיטה זו מוגבלים על ידי גורמים שונים, כגון משך קצר של חוטים עשן, השדה זרימה תלת מימדי מורכב, המהירות גבוהה יחסית של הזרם, ואת היעילות של עשן דור3.
במדידות PIV, חתך רוחב של שדה זרימה עם חלקיקים entrained הוא מואר על ידי גיליון בלייזר, עמדות מיידית של החלקיקים הזה חתך נלכדים ע י מצלמה במהירות גבוהה. בתוך מאוד קטן. מרווח, נרשם זוג תמונות. על ידי חלוקת התמונות רשת של תחומי חקירה וחישוב התנועה הממוצעת של חלקיקי באזורים חקירה באמצעות פונקציות קרוס-קורלציה, ניתן להשיג את המפה וקטור מהירות מיידי בזו נצפתה בחתך. עם זאת, הוא גם ידוע כי יש להגיע פשרות עבור גורמים, כולל גודל חלון התצפית, הרזולוציה של המפה מהירות, גודל מהירות בתוך המטוס, מרווח הזמן בין זוג תמונות, מהירות אורתוגונלית בסולם ריכטר, את צפיפות החלקיקים4. לכן, ניסויים רבים גישוש עשוי להיות נחוץ כדי למטב את הגדרות ניסיוני. זה יהיה יקר, ודורש זמן לחקור שדה לא ידוע, מורכבים זרימה PIV מדידה לבד5,6. בהתחשב לעיל חששות, אסטרטגיה לשלב הדמיית עשן זרימה PIV מדידה הציע, שמוצג כאן ללמוד את זרימת מורכבים על כנף דלתא ודק.
מחקרים רבים של לב זורם על כנפי דלתא כבר מתנהל7,8, עם טכניקות הדמיה זרימה משמש כלי ראשי. נצפו תופעות רבות זרימה מעניין: ספירלה סוג ובועות הקלד מערבולת קלקולים9,10, הטיה לא יציב שכבה11,התחתי12, תנודות של לב פירוט המיקומים13 , ואת ההשפעות של התנדנדות yaw זוויות14,15,16 על מבנים זרימה. עם זאת, המנגנון הבסיסי של כמה תופעות לא יציב תזרימי כנף דלתא נשאר לא ברור7. בעבודה זו, הדמיית עשן זרימה משופרת באמצעות החלקיקים זריעה אותו בשימוש המדידה PIV, במקום חוט עשן. שיפור זה מאוד מפשט את הפעולה של הפריט החזותי ומגביר את האיכות של התמונות. בהתבסס על התוצאות של הפריט החזותי זרימה משופרת עשן, מדידה PIV מתמקד שדות אלה זרימה עניין לרכוש את המידע כמותית.
. הנה, תיאור מפורט מסופק להסביר איך מבצעים ניסוי הדמיית זרימה במנהרת רוח כדי לחקור תופעות זרימה לא יציב מעל כנף דלתא. שתי שיטות הדמיה, הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV, משמשים יחד בניסוי זה. ההליך כולל הדרכה שלב אחר שלב עבור התאמת פרמטר וההתקנה של התקן. תוצאות טיפוסי מודגמות להראות את היתרון של שילוב של שתי השיטות למדידת שדה זרימה מורכבים במרחב של חנותם.
Protocol
Representative Results
Discussion
מאמר זה מציג את שתי שיטות הדמיה של זרימה, הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV, לחקור מבנה הזרימה מעל הכנף דלתא איכותית, באופן כמותי. ההליכים כללי של הניסוי מתוארים צעד אחר צעד. הכיוונונים של שתי שיטות אלו הם כמעט זהה, בעוד ההתקנים מעורבים הם שונים. העיקרון הבסיסי של שיטות הדמיה אלה שני זרימה הי?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצה להודות המועצה מענקים למחקר הונג קונג (לא. GRF526913), הונג קונג חדשנות וטכנולוגיה (לא. ITS/334/15FP), ואת אותנו למשרד של חיל הים המחקר העולמי (לא. N00014-16-1-2161) עבור תמיכה כספית.
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).
