הדמיה של זרימה במנהרת מים: התבוננות במערבולת המובילה מעל כנף דלתא

כאשר כנף דלתא נתונה לזוויות התקפה מעט גבוהות יותר, בדרך כלל זוויות העולות על 7°, הפרדת זרימה מתרחשת בקצה המוביל. במקום הפרדת הזרימה המתרחשת במורד הזרם ליד הקצה הנגרר, כפי שקורה בכנף מלבנית, גליל מערבולות הקצה המוביל, כפי שמוצג באיור 2, גורם ללחץ נמוך על המשטח העליון של הכנף ומשפר את המעלית. תופעה זו נקראת הרמת מערבולת ותורמת לזווית דוכן גבוהה מתעכבת בהשוואה לזווית הדוכן של כנף מלבנית.

איור 2. היווצרות מערבולת מעל כנף דלתא בזווית התקפה מתונה. A) מבט עליון עם פס כחול המציג את הליבה והמערבולת שנוצרת בפסגת הכנף, ואת הפס הירוק המציג את מגולגל המערבולת מהקצה המוביל בחצי אקורד. ב) מבט צדדי עם אוסף המערבולות. המערבולת שמקורה בשיא (צבע כחול) אינטראקציה עם המערבולת שנוצרת בחצי אקורד (צבע ירוק).

מערבולות אלה מתחילות בשיא הכנף ומתקדמות במורד הזרם, שם בשלב מסוים הן מתפוצצות (התמוטטות מערבולת) עקב שיפוע לחץ שלילי גבוה. ברגע שמתרחשת התמוטטות מערבולת, המערבולת כבר לא יכולה לגרום ללחץ נמוך. עבור זוויות התקפה נמוכות יחסית, התמוטטות המערבולת מתרחשת במורד הזרם של הקצה הנגרר. עם זאת, כאשר זווית ההתקפה גדלה, המיקום של התמוטטות המערבולת נע במעלה הזרם, לנקודה שבה ההתמוטטות מתרחשת על פני השטח של הכנף. זה מקטין את המעלית וגורם לאגף לעכב.

דפוסי מערבולת אלה ניתן לראות באמצעות הדמיה זרימה עם צבע במנהרת מים. זרם קבוע של צבע משתחרר דרך יציאות במיקומים המתאימים בדגם ליד הקצה המוביל. הצבע מתערבב עם המים ועוקב אחר הזרימה המאפשרת הדמיה של פסים. הזרימה הצבעית נמצאת במעקב, ויצירת מערבולת, התפתחות ואינטראקציה עם מערבולות ומבני זרימה אחרים נצפתה עד להתמוטטות המערבולת.

הצבע והמים במנהרה צריכים להיות בעלי תכונות פיזיות דומות, ולחץ השחרור בפתיחת הנמל צריך להיות זהה ללחץ הזרימה המקומי כדי למזער הפרעות לזרימה. הפסים, שנוצרו על ידי הצבע, מדגישים מבני זרימה שונים, כגון מערבולות, אזורי למינאר, אזורים סוערים ואזורי מעבר. מבנים אלה ניתן לראות ולהשתמש בהם כדי להשוות את ההשפעות של גיאומטריות שונות או עמדות מודל על הזרימה.

איור 3. מערך ניסיוני של כנף דלתא. A) אגף דלתא רכוב ב- C-יתד בתוך קטע בדיקה של מנהרת מים. ב) חיבור C-Strut לקירות מנהרת המים. ג) מיכלי צבע, אספקת אוויר בלחץ, ושלושה שסתומים כדי לשלוט בקצב זרימת הצבע.

1. הכנת מנהרת המים

1. להשיג שלושה מיכלים 500 מ"ל, ולמלא כל מיכל לפחות חצי מלא עם צבע. צריך להיות מיכל אחד עם צבע כחול, אחד עם צבע ירוק ואחד עם צבע אדום. הריכוז אינו חשוב מכיוון שקצב זרימת הצבע יותאם בהתאם.
2. התקן את כנף הדלתא על תמיכתה במנהרת המים. חבר את התמיכה C-יתד למנהרת המים עם ברגים, שמירה על זווית yaw באפס. ראו איור 3.
3. מלא את מנהרת המים במים.
4. מקם מצלמה אחת כדי ללכוד תצוגה עליונה של הכנף, ומצלמה שנייה כדי ללכוד את התצוגה הצדדית.

2. הדמיה של פסים מעל כנף דלתא

1. הגדר את זווית ההתקפה לאפס על-ידי התאמת הזווית ב- C-יתד.
2. הגדר את מהירות זרימת מנהרת המים ל 4 אינץ '/s, ולאפשר את הזרימה להתייצב.
3. תספק לחץ למאגרי הצבעים באמצעות המשאבה.
4. שימו לב לפסים של צבע, ואז להתאים את קצב זרימת הצבע לפי הצורך כדי להיות פס מתמשך. אין קצב זרימה קבוע עבור הצבע. החל את כל הצבעים בו-זמנית. כל צבע מוחל על אזור אחר של הכנף כדי לדמיין אינטראקציות מערבולת. ראו איור 2.
5. לחץ על הקלט בכל מצלמה כדי להתחיל ללכוד צילומים. שימו לב לאינטראקציות המערבולת ולזהות את גלגול המערבולת ואת ליבת המערבולת העיקרית.
6. להקליט לפחות 10 s של המערבולת.
7. הגדל את זווית ההתקפה ל-5 מעלות, המתן לזרימה ולפסים כדי לייצב, ותיעד את מערבולות במשך 10 מעלות.
8. חזור על הניסוי על ידי הגדלת זווית ההתקפה במרווחים של 5° מ- 0 - 55°.
9. אם המים הופכים עכורים מדי, מה שגורם לפסים להיראות משעממים, לסגור את אספקת הצבע, לעצור את המנהרה ולהחליף אותו במים מתוקים לפני שתמשיך.
10. לאחר כל הניסויים בוצעו, כבה את המצלמות וסגור את אספקת הצבע.
11. כבה את המנהרה, רוקן את המים מהמיכל, ושטוף את כל שרידי הצבע מקירות המנהרה.

מהניסוי ניתן לזהות את התמוטטות המערבולת, כפי שמודגם באיור 4. ניתן למדוד את המרחק מפסגת הכנף ועד להתפלגות המערבולת באמצעות קנה המידה שצויר בכנף (איור 4B). במהלך הניסוי, זווית ההתקפה של הכנף גדלה בהדרגה, ומיקום התמוטטות המערבולת, l_b, ביחס לשיא הכנף, נמדד. מיקום הפירוט, x/c, ביחס לקצה הנגרר של הכנף גרף כנגד זווית ההתקפה, כפי שמוצג באיור 5. כאשר α ≈-10°, המיקום הממוצע של התפלגות המערבולת המובילה ממוקם בקצה הנגרר של כנף הדלתא. יחד עם עלייה בזווית ההתקפה, המיקום של התמוטטות המערבולת נע בהדרגה במעלה הזרם. כאשר α ≈ 40 מעלות, התמוטטות המערבולת התרחשה במיקום אקורד 96% מהקצה הנגרר, כמעט בשיא כנף הדלתא. בגישה זו, אגף הדלתא חווה דוכן מלא, אובדן מוחלט של מעלית.

איור 4. זיהוי התמוטטות מערבולת. A) מבט צדדי על התמוטטות המערבולת והמרחק של התמוטטות מערבולת מפסגת הכנף l_b. ב) מבט עליון על התמוטטות המערבולת והמרחק מפסגת הכנף l_b.

איור 5. מיקום התמוטטות מערבולת. עבור זוויות התקפה < 10 מעלות, התמוטטות המערבולת התרחשה במורד הזרם של הכנף. עבור זוויות התקפה >40°, הזרימה נפרדת בקצה הכנף.

באמצעות הדמיית זרימה במנהרת מים, זוהו מיקומי פירוק המערבולת לזווית התקפות שונה באגף דלתא. הדמיית זרימה במנהרת מים מתבצעת על ידי הזרקת צבע למיקומים ספציפיים של שדה הזרימה. הצבע עוקב אחר הזרימה, המאפשרת לנו להתבונן בפס הזרימה. שיטה זו דומה לטכניקת הדמיה של העשן המשמשת במנהרת רוח. עם זאת, היכולת להשתמש בצבעים שונים מרובים אפשרה הדמיה קלה של מבני הזרימה ואינטראקציות. יתרון נוסף של שיטה זו הוא שמדובר בטכניקה בעלות נמוכה המספקת מידע תלת-ממדי של שדה הזרימה.

הזרקת צבע להדמיית זרימה היא שיטה קלאסית עם יישומים רבים. לדוגמה, הניסוי המפורסם של ריינולדס על מערבולות בזרימת הצינור בוצע באמצעות צבע להדמיה, והוא זיהה אזורי זרימה למינאריים וסוערים בצינורות עגולים. טכניקה זו יכולה לשמש לא רק כדי לזהות את האזורים הסוערים, אלא גם יכול לשמש כדי ללמוד את הערבוב כי הוא קידם על ידי מערבולת ללמוד מבני זרימה אחרים.

מבני זרימה, כגון מערבולות ובועות הפרדה, מספקים מידע חשוב על הפיזיקה השולטת בתופעות, כולל הרמת המערבולת. לכן, שיטה זו יכולה לשמש להדמיית זרימה כדי לסייע בתכנון ואופטימיזציה של מכשירים המושפעים משדות זרימה, כגון מכוניות, ספינות, בניינים גבוהים וגשרים ארוכים.