Overview
출처: 호세 로베르토 모레토, 구스타프 제이콥스, 샤오펑 리우, 항공우주 공학부, 샌디에이고 주립대학, 샌디에이고, 캘리포니아
그림 1D에 표시된 델타 윙은 초음속 및 초음속 비행 체제에서 뛰어난 성능으로 인해 고속 비행기에서 인기있는 디자인입니다. 날개의이 유형은 작은 종횡비와 높은 스윕 각도를 가지고, 이는 높은 아음속, 트랜스 오닉 및 초음속 비행 정권에서 드래그를 감소시킨다. 종횡비는 날개 범위로 정의되며 평균 화음으로 
나눈다.
델타 윙의 중요한 장점은 높은 스톨 각도입니다. 델타 윙의 노점은 높은 종횡비 날개의 노점에 비해 지연됩니다. 이는 델타 윙의 리프트가 날개 위에 있는 최첨단 소용돌이에 의해 강화되고 있기 때문입니다.
이 소용돌이 흐름 현상을 관찰하고 델타 날개의 소용돌이 고장을 연구하는 효과적인 방법은 물 터널의 흐름을 시각화하는 것입니다. 최첨단염료 포트로부터 모델을 둘러싼 흐름에 염료를 주입함으로써, 소용돌이 발달 및 고장을 관찰하고 그 위치를 측정할 수 있다. 데이터를 사용하여 노점 각도를 추정할 수도 있습니다.
그림 1. 일반적인 날개 평면형 모양: A) 직사각형, 스팬을 따라 일정한 화음, B) 타원형, C) 테이퍼, 스팬을 따라 가변 화음, 그리고 D) 델타 윙, 제로 테이퍼 비율을 가진 aft-스윕 날개.
Principles
델타 윙이 공격 각도가 약간 더 높은 경우 일반적으로 각도가 7°를 초과하는 경우 유동 분리가 앞가장자리에서 발생합니다. 직사각형 날개에서 일어나는 것처럼 후행 가장자리 근처에서 하류에서 발생하는 흐름 분리 대신 그림 2에 표시된 것처럼 최첨단 vortices의 롤업은 날개의 상부 표면에 낮은 압력을 유도하고 리프트를 향상시킵니다. 이 현상은 소용돌이 리프트라고하며 직사각형 날개의 실속 각도에 비해 지연 된 높은 실속 각도에 기여합니다.
그림 2. 적당한 공격 각도에서 델타 날개 를 통해 소용돌이 형성. A) 날개 정점에서 코어와 소용돌이형성을 보여주는 파란색 줄무늬가 있는 상단 보기와 하프 코드에서 선두 가장자리에서 소용돌이 롤업을 보여주는 그린 줄무늬라인. B) 소용돌이 롤업측면 보기. 정점(청색 염료)에서 유래되는 소용돌이는 하프 코드(녹색 염료)에서 생성된 소용돌이와 상호 작용합니다.
이 vortices날개 정점에서 시작 하 고 어떤 시점에서 그들은 버스트 다운 스트림 어디 (소용돌이 고장) 높은 불리 한 압력 그라데이션 으로 인해. 소용돌이 고장이 발생하면 소용돌이가 더 이상 저압을 유도할 수 없습니다. 공격의 상대적으로 낮은 각도의 경우, 소용돌이 고장은 후행 가장자리의 하류에 발생합니다. 그러나 공격 각도가 증가하면 소용돌이 고장의 위치가 상류로 이동하여 대부분의 날개 표면에서 고장이 발생하는 지점으로 이동합니다. 이렇게 하면 리프트가 줄어들고 날개가 정지됩니다.
이러한 소용돌이 패턴은 물 터널에서 염료를 사용한 유동 시각화를 사용하여 관찰될 수 있다. 최첨단 근처의 모델의 적절한 위치에 있는 포트를 통해 꾸준한 염료 흐름이 방출됩니다. 염료는 물과 혼합하고 줄무늬의 시각화를 허용하는 흐름을 따릅니다. 염색된 흐름은 추적되고, 소용돌이 형성, 개발 및 다른 소용돌이 및 유동 구조물과의 상호 작용이 소용돌이 고장때까지 관찰된다.
터널의 염료와 물은 유사한 물리적 특성을 가져야 하며, 포트 개구부에서의 방출 압력은 흐름에 대한 교란을 최소화하기 위해 로컬 유압과 같아야 합니다. 염료에 의해 형성된 줄무늬선은 vortices, 라미나르 지역, 난류 지역 및 전환 영역과 같은 다양한 흐름 구조를 강조표시합니다. 이러한 구조는 다양한 형상 또는 모델 태도의 흐름을 비교하는 데 관찰하고 사용할 수 있습니다.
그림 3. 델타 윙 실험 설정. A) 델타 윙은 물 터널 테스트 섹션 내부의 C 스트럿에 장착. B) 물 터널의 벽에 C-스트럿 연결. C) 염료 용기, 가압 공기 공급 및 세 개의 밸브가 염료 유량을 제어합니다.
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Procedure
1. 물 터널 준비
- 3개의 500mL 용기를 얻고 각 용기를 적어도 절반으로 가득 차게 한다. 파란색 염료가있는 용기 가 하나 있어야하며, 하나는 녹색 염료와 붉은 염료가 있어야합니다. 염료 유량이 그에 따라 조절되기 때문에 농도가 중요하지 않다.
- 델타 윙을 수중 터널에 지원합니다. C-스트럿 지지체를 나사로 물 터널에 부착하여 야우 각도를 0으로 유지합니다. 그림 3을 참조하십시오.
- 물 터널을 물로 채웁니다.
- 하나의 카메라를 배치하여 날개의 상단 뷰를 캡처하고 두 번째 카메라를 배치하여 측면 뷰를 캡처합니다.
2. 델타 윙 위에 줄무늬 를 시각화
- C-스트럿의 각도를 조정하여 공격 각도를 0으로 설정합니다.
- 물 터널 유동 속도를 4in/s로 설정하고 흐름이 안정화되도록 합니다.
- 펌프를 사용하여 염료 저장소에 압력을 공급합니다.
- 염료의 줄무늬를 관찰한 다음, 연속 적인 줄무늬를 갖기 위해 필요에 따라 염료 유량을 조정합니다. 염료에 대한 설정된 유량은 없습니다. 모든 색상을 동시에 적용합니다. 각 색상은 소용돌이 상호 작용을 시각화하기 위해 날개의 다른 영역에 적용됩니다. 그림 2를 참조하십시오.
- 각 카메라의 레코드를 눌러 푸티지 캡처를 시작합니다. 소용돌이 상호 작용을 관찰하고 소용돌이 롤업 및 1 차 소용돌이 코어를 식별합니다.
- 소용돌이의 적어도 10 s를 기록합니다.
- 공격 각도를 5°로 늘리고, 흐름과 줄무늬가 안정화될 때까지 기다렸다가 10초 동안 vortices를 기록합니다.
- 공격 각도를 0에서 55°에서 5° 증가시켜 실험을 반복합니다.
- 물이 너무 어두워지면 줄무늬가 둔해 보이고, 염료 공급을 닫고, 터널을 멈추고, 진행하기 전에 담수로 교체하십시오.
- 모든 시험이 수행되면 카메라를 끄고 염료 공급을 닫습니다.
- 터널을 끄고 탱크에서 물을 배출하고 터널 벽에서 염료의 잔해를 씻어 내십시오.
비행기 날개와 디자인은 항공기의 성능 특성을 정의하는 데 필수적입니다. 델타 윙은 초음속 비행 정권의 뛰어난 성능으로 인해 고속 비행기에서 인기있는 디자인입니다.
델타 윙은 작은 종횡비를 가지며, 이는 날개 길이로 정의되며 평균 코드 길이로 나눈값입니다. 델타 윙의 경우 루트 코드 길이의 1/2입니다. 직사각형 날개와 스윕 테이퍼 윙과 같은 다른 일반적인 날개 디자인은 가로세로 비율이 높습니다.
델타 윙은 또한 25% 코드 선과 측면 축 사이의 각도로 정의된 높은 스윕 각도를 가지고 있습니다. 이러한 날개 특성은 높은 아음속, 트랜스오닉 및 초음속 비행 정권에서 드래그를 감소시다. 중요한 것은, 델타 날개는 높은 종횡비 날개에 비해 높은 스톨 각도를 가지고 있습니다.
공기역학에서 스톨 각도는 공격 각도가 너무 높아 리프트가 감소하는 지점입니다. 델타 윙의 높은 스톨 각도는 소용돌이 리프트라고 불리는 날개 위에 최첨단 소용돌이에 의해 향상된 리프트로 인해 됩니다. 소용돌이 리프트는 델타 윙이 높은 공격 각도를 수행할 때 발생하며, 이로 인해 직사각형 날개와 마찬가지로 후행 가장자리 근처에서 하류에서 발생하는 대신 날개의 앞가장자리에서 흐름 분리가 발생합니다.
최첨단 vortices의 롤업은 날개의 상부 표면에 저압을 유도합니다. 이 압력 차동은 리프트를 향상시킵니다. 이 vortices날개 정점에서 시작 하 고 하류 진행. 어떤 시점에서, 그들은 파열, 소용돌이 고장으로, 높은 불리 한 압력 그라데이션 으로 인해.
일단 소용돌이 고장이 생기면, 소용돌이는 더 이상 저압을 유도할 수 없습니다. 공격의 낮은 각도에서, 소용돌이 고장은 후행 가장자리의 하류에 발생합니다. 그러나 공격 각도가 증가함에 따라 소용돌이 고장의 위치는 대부분의 날개 표면에서 고장이 발생하는 지점까지 상류로 이동합니다. 이렇게 하면 리프트가 줄어들고 날개가 정지됩니다.
이 실험에서는 염료가 있는 물 터널을 사용하여 델타 윙 모델에서 이러한 소용돌이 패턴을 시각화하고 다양한 공격 각도에서 소용돌이 고장의 위치를 추적합니다.
이 실험을 수행하려면 물 터널에 액세스해야 합니다. 첫째, 3개의 500mL 용기를 얻고 염료로 가득 차 있는 각 반 이상을 채웁니다. 파란색 염료에 대한 하나의 용기, 녹색 염료에 대한 다른 용기, 붉은 염료에 대한 마지막 용기를 사용합니다.
실험에 사용된 델타 윙 모델에는 이미 세 개의 염료 용기에 연결된 튜브가 있습니다. 또한 3개의 염료 주입 탭이 있어 날개의 세 가지 다른 영역에서 다른 색 염료를 분산시킵니다. 거리 측정은 1cm 틱 마크를 사용하여 날개에 표시됩니다. 델타 윙은 이미 C-스트럿 지지대에 부착되어야 합니다. 나사로 터널에 연결하여 야우 각도를 가능한 한 0에 가깝게 유지합니다.
델타 윙이 제자리에 있으면 물 터널을 물로 채웁니다. 측면 보기에 대한 참조를 제공하기 위해 체크 마크가 있는 용지를 부착해야 합니다. 그런 다음 카메라를 배치하여 날개의 상단 뷰를 캡처합니다. 두 번째 카메라를 배치하여 측면 뷰를 캡처합니다. 이제 각 카메라의 '기록'을 눌러 염료 주입 및 후속 vortices의 영상을 캡처합니다.
C-스트럿의 각도를 조정하여 공격 각도를 수동으로 0으로 설정합니다. 그런 다음 물 터널 유동 속도를 4in/s로 설정합니다. 흐름이 안정화되면 수동 펌프를 사용하여 염료 저장소에 압력을 공급합니다.
염료의 줄무늬를 관찰한 다음 세 개의 노브를 사용하여 염료 유량을 조정하여 연속 적인 줄무늬를 생성합니다. 한 번에 세 가지 색상을 모두 적용하면 날개의 다른 영역에서 소용돌이 상호 작용을 볼 수 있습니다. 소용돌이 상호 작용을 관찰하고 소용돌이 롤업 및 1 차 소용돌이 코어를 식별합니다.
소용돌이의 10초 이상을 기록한 후 공격 각도를 5도로 바꿉니다. 흐름과 줄무늬 선이 안정화되고 적어도 10s의 소용돌이를 기록할 때까지 기다립니다.
최대 55°의 공격 각도를 55°로 늘려 측정을 반복합니다. 매번 줄무늬 소용돌이 패턴의 최소 10s를 기록합니다.
물이 너무 어두워지면 줄무늬 선이 둔해 보이고 염료 공급을 닫고 터널을 끕니다. 물을 배수하고 진행하기 전에 담수로 대체하십시오.
모든 시험이 완료되면 카메라를 끄고 염료 공급을 닫습니다. 그런 다음 터널을 끄고 물을 배수합니다. 완료되면 터널에서 염료를 씻어 내십시오.
실험에서, 우리는 공격의 다른 각도에서 소용돌이 고장을 식별 할 수 있습니다. 그림과 같이 날개 정점에서 LB로 표시된 소용돌이 고장으로의 거리가 측정됩니다. 단순성으로, 우리는 후행 가장자리에서 코드 길이의 백분율로이 거리를 참조.
이제 공격 각도각에 대한 후행 가장자리에서 소용돌이 고장으로가는 거리를 살펴보겠습니다. 여기에 표시된 바와 같이, 소용돌이 고장 위치는 공격 각도가 증가함에 따라 점차 상류로 이동합니다. 공격 각도가 40°와 같으면 후행 가장자리에서 화음 위치의 96%에서 소용돌이 고장이 발생합니다. 즉, 날개의 정점에 거의. 이러한 태도에서 델타 윙은 전체 포장 마차를 경험합니다. 즉, 리프트의 총 손실을 경험한다.
요약하자면, 델타 윙의 낮은 가로세로 와 높은 스윕 각도가 소용돌이 리프트와 지연된 포장마차에 어떻게 기여하는지 알게 되었습니다. 그런 다음 물 터널의 모형 델타 날개에서 소용돌이 흐름 현상을 관찰하고 소용돌이 고장을 사용하여 노점 각도를 추정했습니다.
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Results
실험에서, 우리는 도 4에 도시된 바와 같이, 소용돌이 고장을 식별 할 수 있습니다. 날개 정점에서 소용돌이 고장으로의 거리는 날개에 그려진 스케일을 사용하여 측정할 수 있다(도 4B). 실험 중, 날개의 공격 각도가 점진적으로 증가하였고, 날개 정점에 대하여 소용돌이 고장 위치인 lb가측정되었다. 도 5와 같이 날개 후행 모서리와 관련하여 고장 위치 x/c가 공격 각도에 대해 그래프로 표시되었습니다. α 10°≈ 경우, 최첨단 소용돌이 고장의 시간 평균 위치는 델타 윙의 후행 가장자리에 있습니다. 공격 각도가 증가함에 따라 소용돌이 고장의 위치가 점차 상류로 이동했습니다. α 40°≈ 때, 소용돌이 고장은 델타 윙의 정점에 거의 후행 가장자리에서 96 % 화음 위치에서 발생했습니다. 이러한 태도에서 델타 윙은 전체 마구간, 리프트의 총 손실을 경험한다.
그림 4. 소용돌이 고장 식별. A) 날개 정점 lb에서소용돌이 고장 및 소용돌이 고장의 거리의 측면 보기 . B) 소용돌이 고장의 최고 보기 및 날개 정점 lb에서거리 .
그림 5. 소용돌이 고장 위치. 공격 각도< 10°의 경우, 소용돌이 고장은 날개의 하류에서 발생했습니다. 공격 각도 >40°의 경우 흐름이 날개 끝에서 분리됩니다.
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Applications and Summary
물 터널에서 유동 시각화를 사용하여 델타 윙의 다양한 공격 각도에 대한 소용돌이 고장 위치를 확인했습니다. 물 터널의 유동 시각화는 유동 필드의 특정 위치에 염료를 주입하여 수행됩니다. 염료는 흐름을 따라 흐름 줄무늬를 관찰 할 수 있습니다. 이 방법은 풍관에 사용되는 연기 시각화 기술과 유사합니다. 그러나 여러 가지 염료 색상을 사용하는 기능은 유동 구조 및 상호 작용의 쉬운 시각화를 허용했습니다. 이 방법의 또 다른 장점은 유동 필드의 3D 정보를 공급하는 저비용 기술이라는 것입니다.
유동 시각화를 위한 염료 주입은 수많은 응용 분야의 고전적인 방법입니다. 예를 들어, 파이프 흐름의 난기류에 대한 유명한 레이놀즈 실험은 시각화를 위해 염료를 사용하여 실행되었으며 원형 파이프에서 라미나르 및 난류 흐름 영역을 식별했습니다. 이 기술은 난류 영역을 식별하는 데 사용할 뿐만 아니라 난기류에 의해 촉진되는 혼합을 연구하여 다른 유동 구조를 연구하는 데 사용할 수도 있습니다.
소용돌이 및 분리 기포와 같은 흐름 구조는 소용돌이 리프트를포함하여 현상을 지배하는 물리학에 대한 중요한 정보를 제공합니다. 따라서 이 방법은 자동차, 선박, 고층 건물 및 긴 교량과 같은 유동구의 영향을 받는 장치의 설계 및 최적화를 돕기 위해 유동 시각화에 사용될 수 있습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 코멘트 |
| 설비 | |||
| 대학 데스크탑 워터 터널 | 롤링 힐스 리서치 코퍼레이션 | 모델 0710 | 테스트 섹션 7" x 10" x 18" (WxHxL) |
| 다운 스트림 윈도우 7" x 9.5" (WxH) | |||
| 흐름 속도 2 에서 5/초. | |||
| 붉은 염료 | |||
| 녹색 염료 | |||
| 블루 염료 | |||
| 비디오 카메라 | |||
| 델타 윙 | SDSU |
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