التحقيق التجريبية في هيكل التدفق عبر جناح دلتا عن طريق أساليب التصور تدفق
Summary
نقدم هنا، وضع بروتوكول لمراقبة تدفقات دوامة متقلب على جناح دلتا استخدام تقنية تصور تعديل تدفق دخان والتحقيق الآلية المسؤولة عن الذبذبات لمواقع توزيع دوامة الرائدة.
Abstract
فمن المعروف جيدا أن مجال التدفق عبر جناح دلتا يهيمن على زوج من عداد الدورية الرائدة الدوامات (ليف). غير أن هذه الآلية ليست مفهومة جيدا. تقنية التصور تدفق طريقة غير تدخلية واعدة لتوضيح مجال التدفق معقدة مكانياً وزمنياً. إعداد تصور تدفق أساسي يتكون من ليزر ذات الطاقة العالية والعدسات البصرية لتوليد الورقة الليزر وكاميرا ومولد جسيمات الراسم ومعالج البيانات. إعداد نفق الرياح ومواصفات الأجهزة المعنية، وإعدادات المعلمة المقابلة تعتمد على ميزات التدفق للحصول عليها.
ويستخدم سلك الدخان العادي تدفق التصور سلك دخان لإثبات خط التدفق. ومع ذلك، يقتصر أداء هذا الأسلوب القرار المكانية الفقيرة عندما يجري في حقل تدفق معقدة. ولذلك، تم تطوير أسلوب تصور تحسين تدفق دخان. هذا الأسلوب يوضح مجال التدفق ليف العالمية الواسعة النطاق والهيكل تدفق طبقة القص الصغيرة في الوقت نفسه، يوفر مرجعاً قيماً لقياس فيلوسيميتري (PIV) الصورة في وقت لاحق مفصل الجسيمات.
ويتجلى في هذه الورقة، والتطبيق لتحسين تدفق الدخان التصور والقياس PIV دراسة الظواهر تدفق متقلب على جناح دلتا. يتم سرد الإجراءات ويحذر لإجراء التجربة، بما في ذلك إعداد نفق الرياح، والحصول على البيانات، وتجهيز البيانات. وتبين النتائج الممثل أن هذه الأساليب التصور تدفق اثنين تقنيات فعالة للتحقيق في مجال التدفق ثلاثي الأبعاد كما وكيفا.
Introduction
قياس تدفق الحقل عن طريق تقنيات التصور منهجية أساسية في هندسة السوائل. بين تقنيات مختلفة التصور، سلك الدخان تدفق التصور في تجارب نفق الرياح وصبغ التصور في تجارب نفق المياه هي الأكثر استخداماً لتوضيح تدفق هياكل نوعيا. PIV والليزر دوبلر أنيموميتري (LDA) على اثنين من التقنيات الكمية النموذجية1.
في التصور تدفق الدخان الأسلاك، ولدت من قطرات النفط على سلك تدفئة خط الدخان أو حقن من الدخان الخارجي المولد/الحاوية خلال التجارب. وتستخدم مصابيح عالية الطاقة أو أوراق الليزر لإلقاء الضوء على خط الدخان. ثم يتم تسجيل الصور لمزيد من التحليل. هذه بسيطة ولكنها مفيدة جداً تدفق التصور الأسلوب2. بيد أن فعالية هذا الأسلوب قد تكون محدودة بعوامل مختلفة، مثل مدة قصيرة من الأسلاك الدخان، مجال التدفق ثلاثي الأبعاد المعقدة، وسرعة التدفق عالية نسبيا، وكفاءة توليد الدخان3.
في القياسات PIV، قطاعا عريضاً حقل التدفق مع جزيئات مجرور مضاءة بورقة ليزر، ومواقف فورية للجسيمات في هذا المقطع العرضي يتم التقاطها بواسطة كاميرا عالية السرعة. ضمن فاصل زمني الصغيرة جداً، يتم تسجيل زوج من الصور. تقسيم الصور إلى شبكة مجالات التحقيق، وحساب متوسط حركة الجسيمات في مجالات الاستجواب من خلال وظائف عبر الارتباط، يمكن الحصول على خريطة ناقل السرعة الفورية في هذا المقطع العرضي الملاحظة. ومع ذلك، من المعروف أيضا أنه يجب التوصل إلى حلول توفيقية لعوامل بما في ذلك حجم إطار المراقبة، القرار خارطة السرعة، ومدى السرعة في الطائرة، الفاصل الزمني بين زوج الصور، سرعة متعامد حجم و كثافة الجسيمات4. ولذلك، قد تحتاج العديد من التجارب الاستكشافية تحسين إعدادات التجريبية. أنها ستكون مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً للتحقيق في حقل تدفق غير معروف ومعقدة مع PIV القياس وحدها5،6. في ضوء الشواغل المذكورة أعلاه، يقترح استراتيجية الجمع بين التصور تدفق الدخان وقياس PIV وأثبت هنا لدراسة تدفق المعقدة على جناح دلتا مرهف.
وكانت العديد من الدراسات من تدفقات ليف على أجنحة دلتا أجرى7،8، مع تدفق التصور التقنيات المستخدمة كالأدوات الأولية. وقد لوحظ العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام في التدفق: اكتب نوع دوامة وفقاعة دوامة الانهيار9،10، قص متقلب طبقة محيطة11،12، ذبذبات ليف انهيار المواقع13 ، وآثار الترويج وياو زوايا14،،من1516 في بنيات التدفق. ومع ذلك، تظل الآليات الكامنة لبعض الظواهر متقلب في تدفقات الجناح دلتا غير واضحة7. في هذا العمل، وتحسين تدفق الدخان التصور استخدام الجسيمات بذر نفسها المستخدمة في قياس PIV، بدلاً من سلك دخان. هذا التحسن إلى حد كبير يبسط عملية التصور ويزيد من جودة الصور. استناداً إلى النتائج من التصور تحسين تدفق الدخان، قياس PIV يركز على مجالات تدفق تلك الفائدة للحصول على المعلومات الكمية.
هنا، يرد وصف مفصل لشرح كيفية إجراء تجربة تصور تدفق في نفق الرياح للتحقيق في ظاهرة تدفق متقلب على جناح دلتا. يتم استخدام أسلوبين من أساليب التصور، تصور تحسين تدفق الدخان وقياس PIV، معا في هذه التجربة. ويشمل الإجراء إرشادات خطوة بخطوة لتعديل المعلمة والإعداد للجهاز. وأظهرت النتائج النموذجية لإظهار ميزة الجمع بين هاتين الطريقتين لقياس مجال التدفق معقدة مكانياً وزمنياً.
Protocol
Representative Results
Discussion
تعرض هذه المقالة طريقتين التصور تدفق وتحسين تدفق الدخان التصور والقياس PIV، للتحقيق في هيكل التدفق عبر الجناح دلتا كمياً ونوعيا. ويرد وصف الإجراءات العامة للتجربة خطوة بخطوة. الأجهزة من هاتين الطريقتين هي نفسها تقريبا، في حين الأجهزة المعنية المختلفة. المبدأ الأساسي لهذه الأساليب التصور ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أود أن أشكر “مجلس هونغ كونغ للمنح البحثية” (لا. GRF526913)، هونج كونج الابتكار والتكنولوجيا لجنة (لا. ITS/334/15FP)، و “لنا مكتب البحرية البحوث العالمية” (لا. N00014-16-1-2161) للدعم المالي.
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).
