Indagine sperimentale della struttura flusso sopra un ala di Delta tramite metodi di visualizzazione del flusso
Summary
Qui, presentiamo un protocollo per osservare i flussi vorticosi instabili nel ala a delta con una tecnica Portata fumi modificate e studiare il meccanismo responsabile per le oscillazioni delle posizioni ripartizione vortice marginale.
Abstract
È noto che il campo di flusso sopra un ala di delta è dominato da una coppia di vortici di contatore rotante leading edge (LEV). Tuttavia, il loro meccanismo non è buono capito. La tecnica di visualizzazione del flusso è un promettente metodo non intrusivo per illustrare il campo di flusso complesso spazialmente e temporalmente. Una configurazione di visualizzazione del flusso di base è costituito da un laser ad alta potenza e lenti ottiche per generare il foglio di laser, una fotocamera, un generatore di particelle di tracciante e un processore di dati. L’installazione di Galleria del vento, le specifiche dei dispositivi coinvolti e le corrispondenti impostazioni dei parametri dipendono le caratteristiche di flusso per essere ottenuti.
Visualizzazione del flusso normale filo di fumo utilizza un filo di fumo per illustrare il flusso streaklines. Tuttavia, le prestazioni di questo metodo sono limitata dalla scarsa risoluzione spaziale quando è condotta in un campo di flusso complesso. Pertanto, è stata sviluppata una tecnica di visualizzazione migliorata Portata fumi. Questa tecnica viene illustrato il campo di flusso LEV globale su larga scala e la struttura di flusso di strati di taglio su piccola scala allo stesso tempo, fornendo un prezioso riferimento per misura di seguito dettagliate particella immagine velocimetry (PIV).
In questa carta, l’applicazione di visualizzazione migliorata Portata fumi e misurazione PIV per studiare i fenomeni di moto vario sopra un ala di delta è dimostrato. La procedura e le precauzioni per condurre l’esperimento sono elencati, tra cui Galleria del vento installazione, acquisizione dati ed elaborazione dati. I risultati rappresentativi mostrano che questi metodi di visualizzazione del due flusso sono efficaci tecniche per lo studio del campo di flusso tridimensionale qualitativamente e quantitativamente.
Introduction
Misurazione del campo di flusso tramite tecniche di visualizzazione è una metodologia di base in ingegneria fluida. Tra le tecniche di visualizzazione differenti, fumo filo visualizzazione del flusso in esperimenti di Galleria del vento e la visualizzazione di tintura in esperimenti di tunnel di acqua sono il più ampiamente usato per illustrare strutture di flusso qualitativamente. PIV e laser Doppler anemometria (LDA) sono due tecniche quantitative tipico1.
Nella visualizzazione del flusso di filo di fumo, fumo streaklines generati da goccioline di olio su un filo di riscaldamento o iniettato dal generatore di fumo/contenitore esterno durante gli esperimenti. Ad alta potenza luci o laser fogli vengono utilizzati per illuminare il fumo streaklines. Immagini vengono quindi registrate per ulteriori analisi. Si tratta di un semplice ma molto utile flusso visualizzazione metodo2. Tuttavia, l’efficacia di questo metodo può essere limitata da vari fattori, come la breve durata di fili di fumi, il campo di flusso tridimensionale complessa, la relativamente elevata velocità del flusso e l’efficienza della generazione del fumo3.
Misure PIV, una sezione trasversale di un campo di flusso con particelle trascinate è illuminata da un foglio di laser, in posizioni istantanee delle particelle in questa sezione vengono catturati da una telecamera ad alta velocità. All’interno di un intervallo di tempo piccole estremamente, viene registrato un paio di immagini. Dividere le immagini in una griglia delle zone di interrogatorio e calcolando il moto medio delle particelle nelle zone di interrogatorio attraverso funzioni di correlazione incrociata, la mappa di vettore velocità istantanea in questo spaccato osservato possa essere ottenuta. Tuttavia, è anche noto che è necessario raggiungere compromessi per fattori tra cui la dimensione della finestra di osservazione, la risoluzione della mappa velocità, la grandezza di velocità nel piano, l’intervallo di tempo tra la coppia di immagini, la velocità ortogonale grandezza e la densità delle particelle4. Di conseguenza, molti esperimenti esplorativi è necessario per ottimizzare le impostazioni sperimentali. Sarebbe costoso e richiede tempo per indagare un campo sconosciuto e complesso flusso con PIV misura solo5,6. Considerando le preoccupazioni di cui sopra, una strategia per combinare PIV misura e visualizzazione del flusso di fumo viene proposto e dimostrata qui per studiare il flusso complesso sopra un’aletta di delta.
Numerosi studi di LEV scorre sopra Ali a delta sono stati condotti7,8, con tecniche di visualizzazione del flusso utilizzati come strumenti primari. Sono stati osservati molte interessanti fenomeni di flusso: tipo di spirale e bolla tipo vortice guasti9,10, un taglio instabile strato sottostruttura11,12, oscillazioni delle posizioni di ripartizione LEV13 , e gli effetti del beccheggio e imbardata angoli14,15,16 sulle strutture di flusso. Tuttavia, i meccanismi di fondo di alcuni fenomeni instabili nei flussi ala delta rimangono poco chiari7. In questo lavoro, la visualizzazione del flusso fumo è migliorata usando le stesse particelle semina utilizzate nella misurazione di PIV, invece di un filo di fumo. Questo miglioramento semplifica l’operazione di visualizzazione e aumenta la qualità delle immagini. Sulla base dei risultati dalla visualizzazione migliorata Portata fumi, misura PIV si concentra su quei campi di flusso di interesse ad acquisire le informazioni quantitative.
Qui, viene fornita una descrizione dettagliata per spiegare come condurre un esperimento di visualizzazione del flusso in una galleria del vento e per indagare su fenomeni di moto vario sopra un ala di delta. Due metodi di visualizzazione, la visualizzazione del flusso di fumo migliorata e la misurazione di PIV, utilizzati insieme in questo esperimento. La procedura include istruzioni dettagliate per la regolazione di installazione e parametro del dispositivo. I risultati tipici sono dimostrati per mostrare il vantaggio di combinare questi due metodi per misurare il campo di flusso complesso spazialmente e temporalmente.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo articolo presenta i due metodi di visualizzazione del flusso, la visualizzazione migliorato flusso di fumo e la misurazione PIV, per indagare la struttura del flusso sopra l’ala di delta qualitativamente e quantitativamente. Le procedure generali dell’esperimento sono descritte passo per passo. Le configurazioni di questi due metodi sono quasi gli stessi, mentre i dispositivi coinvolti sono diversi. Il principio di base di questi metodi di visualizzazione del due flusso è quello di illuminare le particelle nel fl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori vorrei ringraziare Hong Kong Research Grants Council (no. GRF526913), Hong Kong innovazione e tecnologia della Commissione (no. ITS/334/15FP) e noi ufficio di navale ricerca globale (no. N00014-16-1-2161) per il sostegno finanziario.
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).
