What is Schlieren Imaging and how does it visualize supersonic flow?

Schlieren Imaging is a density-based flow visualization technique that uses changes in refractive index to reveal shock waves and expansion fans in supersonic flow. A collimated light source shines through the test section, and variations in air density distort the light beam. A knife-edge at the focal plane blocks deflected light, creating high and low intensity patterns that map air density changes, enabling visualization of aerodynamic features.

Why does air compressibility matter at high speeds?

At Mach numbers above 0.3, air compressibility effects become significant because air undergoes substantial density changes at high speeds. These density variations create shock waves and expansion fans around moving bodies. Compressibility effects are critical in supersonic flow analysis because they directly influence pressure, temperature, and flow properties that Schlieren Imaging can detect and visualize.

What is the relationship between refractive index and air density in Schlieren systems?

The refractive index, defined as the ratio of light velocity in vacuum to its velocity in a medium, is proportional to air density. As air density changes within shock waves and expansion fans, the refractive index changes correspondingly. This proportional relationship allows Schlieren Imaging to detect and visualize density variations by measuring how light beams are distorted passing through regions of different refractive index.

How do shock waves and expansion fans form in supersonic flow?

When supersonic flow exceeds Mach 1.0, an oblique shock wave forms at the nose of a cone or wedge, causing abrupt changes in pressure, temperature, and density. Expansion fans form when supersonic flow turns around a convex corner, creating an infinite series of waves where pressure, density, and temperature decrease continuously while velocity increases. Both phenomena are visible using surface dye flow visualization qualitative method observe streakline patterns in supersonic flow.

How is Mach number used to classify different flight speeds?

Mach number gauges flight speed relative to the speed of sound (343 m/s). At Mach 1.0, an object travels at the speed of sound. Transonic speeds range from Mach 0.8 to 1.2, while supersonic speeds exceed Mach 1.2. This classification system is essential for understanding aerodynamic behavior, as compressibility effects and shock formation depend critically on Mach number ranges.

What role does the knife-edge play in Schlieren Imaging?

The knife-edge is positioned at the focal plane of the transmitted light and blocks some of the deflected light beams. By selectively blocking light, the knife-edge enhances image contrast, creating distinct high and low intensity patterns on the projection screen. Adjusting the knife-edge aperture allows operators to optimize image quality and clearly visualize shock waves and expansion fans in the flow field.

How accurate is Schlieren Imaging for measuring shock wave angles?

Schlieren Imaging provides highly accurate shock wave measurements. In experiments with Mach 2.0 flow over a 15-degree cone, the measured oblique shock angle was 33.6 degrees compared to the theoretical value of 33.9 degrees calculated from the Taylor-Maccoll Equation, yielding less than 1 percent error. This demonstrates Schlieren's precision for validating theoretical aerodynamic predictions.

تصوير شلييرين: تقنية لتصور ميزات التدفق الأسرع من الصوت

0 مشاهدة07:34 دقيقة

< p class = "jove_title" >1. تصور موجات الصدمة باستخدام نظام تصوير schlieren

قم بتنشيط أبراج التجفيف لتجفيف الهواء. سيضمن ذلك أن تدفق الهواء لا يحتوي على رطوبة ، وسيمنع تكوين الجليد عندما تنخفض درجة الحرارة المحلية في قسم الاختبار بسبب التدفق الأسرع من الصوت.
افتح قسم الاختبار وقم بتأمين النموذج المخروطي نصف الزاوية 15 درجة بهيكل الدعم.
تحقق مما إذا كان قسم الاختبار خاليا من الحطام أو الأشياء الأخرى ، ثم أغلق قسم الاختبار.
تأكد من إغلاق الصمام الرئيسي للتحكم في تدفق الهواء ، ثم قم بتشغيل الضاغط للضغط على خزان تخزين الهواء. اترك الضاغط يصل إلى 210 رطل لكل بوصة مربعة قبل إيقاف تشغيله.
قم بتشغيل وحدة التحكم للصمام عالي السرعة وقم بتعيين المعلمات التالية المدرجة في الجدول 1.

الجدول 1: معلمات التحكم لتشغيل Mach 2.

رر 0 ΔMV 25 ΔPV 100 DVL 100 مدافع 0.25 كيه بي 1.1 خطاب الاعتماد قباله تي 0.01 RH 100 تي دي 0 ليبرتي 0 آر تي 1 الكهروضوئيه -- بكالوريوس 0 كوفيد -- ΔT 1 إس في 17 د / ص القس ام -25 في دي القس طريقة أ MVF -25 MH 100 الرقم الهيدروجيني 100 مل 0

قم بتشغيل مروحة الإضاءة والتبريد لنظام التصوير schlieren.
ضع قطعة من الورق على الجانب الآخر من قسم النص من مصدر الضوء.
قم بمحاذاة المرآة المقعرة الأولى للسماح للضوء بالمرور عبر قسم الاختبار. تأكد من أن الضوء يضرب الورق.
اضبط المرآة المقعرة الثانية بحيث ينعكس الضوء الذي يمر عبر قسم الاختبار على شاشة عرض.
اضبط حافة السكين بحيث تكون في النقطة المحورية للمرآة الثانية. واضبط فتحة حافة السكين لتحقيق جودة الصورة المطلوبة.
ضع الكاميرا على حامل ثلاثي القوائم مباشرة أمام فتحة حافة السكين لتسجيل الصورة المعروضة.
ضع حماية السمع المناسبة ، وتأكد من عدم وجود أي شخص بالقرب من عادم الهواء الموجود خارج المبنى.
افتح مصدر الهواء لوحدة التحكم في الصمام السريع ، ثم افتح الصمام الرئيسي الذي يسمح للهواء بالدخول إلى النظام.
أطفئ الضوء في الغرفة حتى يسهل رؤية الصورة المعروضة.
قم بتنشيط نفق الرياح.
لاحظ صورة schlieren لتدفق Mach 2 فوق النموذج المخروطي.
قم بإيقاف تشغيل نفق الرياح عن طريق إغلاق الصمامات بترتيب عكسي. ثم قم بإيقاف تشغيل وحدة التحكم.
انتظر حتى يتم إخراج كل الهواء من الجهاز قبل إزالة حماية السمع.

تطير الطائرات العسكرية بسرعات لا تصدق تتجاوز سرعة الصوت ، تسمى السرعات الأسرع من الصوت. عند وصف السرعات الأسرع من الصوت ، نستخدم رقم ماخ لقياس هذه السرعة بالنسبة لسرعة الصوت. عند رقم ماخ أكبر من 0.8 ، ولكن أقل من 1.2 ، تكون السرعة عابرة للصوت. فوق ماخ 1.2 ، السرعة أسرع من الصوت.

دعونا نلقي نظرة فاحصة على ما يحدث بهذه السرعات العالية من خلال تحليل تدفق الهواء حول جسم مخروطي الشكل. فوق رقم ماخ 0.3 ، يجب مراعاة تأثيرات انضغاط الهواء ، لأنه في هذه السرعات العالية يكون للهواء تغيرات كبيرة في الكثافة. عندما تكون سرعة التدفق الواردة أعلى من 1.0 ماخ ، تتشكل موجة صدمة مائلة من أنف المخروط أو الإسفين ، وتتشكل مراوح التمدد حول الجسم المتحرك.

موجة الصدمة هي اضطراب انتشار رقيق للغاية ، حيث تحدث تغييرات مفاجئة في خصائص التدفق ، مثل الضغط ودرجة الحرارة والكثافة. تتكون مروحة التمدد من عدد لا حصر له من الموجات وتحدث عندما يدور التدفق الأسرع من الصوت حول زاوية محدبة. ينخفض الضغط والكثافة ودرجة الحرارة باستمرار عبر مروحة التمدد ، بينما تزداد السرعة. نظرا لأن كثافة الهواء تتغير بشكل كبير داخل موجة الصدمة ومراوح التمدد ، فيمكن تصورها باستخدام تقنية تصور التدفق القائمة على الكثافة ، والتي تسمى Schlieren Imaging.

تعتمد طريقة شليرن على معامل الانكسار ، وهو نسبة سرعة الضوء في الفراغ ، إلى سرعته داخل وسط معين. يتناسب التغير في معامل الانكسار مع التغير في الكثافة. وبالتالي ، مع تغير كثافة الهواء في موجة الصدمة ومروحة التمدد ، يتغير معامل الانكسار.

في Schlieren Imaging ، يضيء مصدر ضوء موازاة على الجسم ، ويشوه الاختلاف في معامل الانكسار شعاع الضوء. من أجل تصور الانحراف ، يتم وضع حافة السكين في المستوى البؤري للضوء المرسل ، وبالتالي حجب بعض الضوء المنحرف ، وتعزيز تباين الصورة المعروضة على الشاشة. ينتج عن هذا صورة ذات كثافة إضاءة عالية ومنخفضة ، والتي ترسم خرائط لمناطق كثافة الهواء العالية والمنخفضة ، مما يمكننا من تصور موجات الصدمة ومراوح التمدد.

في هذه التجربة ، سنوضح استخدام نظام Schlieren Imaging لتصور موجات الصدمة ومراوح التمدد التي تشكلت بواسطة تدفق هواء Mach 2 فوق مخروط.

تستخدم هذه التجربة نظام Schlieren لتصوير موجات الصدمة الناتجة عن نفق الرياح الأسرع من الصوت حول نموذج مخروطي نصف زاوية 15 درجة. تم إعداد نظام Schlieren المستخدم في هذه التجربة كما هو موضح.

أولا ، قم بتنشيط أبراج التجفيف لتجفيف الهواء. سيمنع ذلك تكوين الجليد بسبب انخفاض درجات الحرارة المحلية في قسم الاختبار. بعد ذلك ، افتح قسم النص ، وقم بتأمين النموذج المخروطي نصف الزاوية 15 درجة بهيكل الدعم بالداخل. تحقق من قسم الاختبار للتأكد من خلوه من الحطام وأي أشياء أخرى. ثم أغلق قسم الاختبار.

تأكد من إغلاق الصمام الرئيسي للتحكم في تدفق الهواء ، ثم قم بتشغيل الضاغط للضغط على خزان تخزين الهواء ، واترك الخزان يصل إلى 210 رطل لكل بوصة مربعة. إذا لم يتم إيقاف تشغيل الضاغط تلقائيا عند الوصول إلى الضغط، فقم بإيقاف تشغيل الضاغط يدويا. الآن ، قم بتشغيل وحدة التحكم للصمام عالي السرعة.

لإعداد نظام Schlieren Imaging ، قم أولا بتشغيل مروحة الإضاءة والتبريد. ثم ضع قطعة من الورق على الجانب الآخر من قسم الاختبار من مصدر الضوء. قم بمحاذاة المرآة المقعرة الأولى للسماح للضوء بالمرور عبر قسم الاختبار ، وتأكد من أن الضوء يضرب الورق. بعد ذلك ، ضع شاشة عرض حيث يتم تشكيل الصورة.

الآن ، اضبط المرآة المقعرة الثانية بحيث ينعكس الضوء الذي يمر عبر قسم الاختبار على شاشة العرض. اضبط حافة السكين بحيث تكون في النقطة المحورية للمرآة الثانية. بعد ذلك ، اضبط فتحة حافة السكين لتحقيق جودة الصورة المطلوبة.

لتسجيل الصورة المعروضة، ضع كاميرا على حامل ثلاثي القوائم يواجه الشاشة. للتسجيل مباشرة على مستشعر الكاميرا، ضع الكاميرا أمام فتحة حافة السكين. الآن بعد أن تم إعداد الجهاز ، دعنا نجري التجربة.

أولا ، ضع حماية السمع المناسبة ، ثم تأكد من عدم وجود أي شخص بالقرب من عادم الهواء خارج المبنى. ابدأ بفتح مصدر الهواء لوحدة التحكم في الصمام السريع. بعد ذلك ، افتح الصمام الرئيسي ، الذي يسمح للهواء بالدخول إلى النظام. الآن ، أطفئ الأنوار في الغرفة حتى يسهل رؤية الصورة المعروضة. بعد ذلك ، قم بتنشيط نفق الرياح عن طريق الضغط على الزر الأخضر الموجود بجوار وحدة التحكم ، والذي يفتح الصمام السريع.

لاحظ صورة Schlieren لتدفق Mach 2.0 فوق النموذج المخروطي. عند الانتهاء ، قم بإيقاف تشغيل نفق الرياح عن طريق إغلاق الصمامات بترتيب عكسي ، ثم إيقاف تشغيل وحدة التحكم. انتظر حتى ينتهي الجهاز من إطلاق الهواء قبل إزالة واقي السمع.

الآن ، دعنا نلقي نظرة على الصورة التي تم الحصول عليها باستخدام إعداد Schlieren. كان النموذج المستخدم في هذه التجربة عبارة عن مخروط بزاوية نصف 15 درجة ، وتعرض لتدفق أسرع من الصوت عند 2.0 ماخ. يمكننا أن نلاحظ وجود موجة صدمة ، كما هو موضح هنا.

من الناحية النظرية ، يجب أن تتشكل صدمة مائلة على سطح المخروط بزاوية 33.9 درجة. يتم الحصول على قيمة زاوية الصدمة المائلة من معادلة تايلور ماكول ، والتي يجب حلها عدديا. كانت الزاوية التجريبية المقاسة 33.6 درجة ، أي خطأ بنسبة أقل من 1٪ ، مقارنة بالبيانات النظرية.

بالإضافة إلى ذلك ، تتيح تقنية Schlieren تصور مراوح التمدد فوق المخروط. مروحة التمدد هي عملية تمدد متوقعة تحدث عندما يدور التدفق الأسرع من الصوت حول زاوية محدبة.

باختصار ، تعلمنا كيف تستخدم طريقة Schlieren التغيرات في معامل الانكسار لتصور موجات الصدمة ومراوح التمدد في التدفق الأسرع من الصوت. ثم استخدمنا تقنية التصوير لتصور أنماط موجات الصدمة والتمدد في مجال تدفق ماخ 2.0 فوق المخروط.

المصدر: خوسيه روبرتو موريتو وخايمي دورادو وشياوفنغ ليو ، قسم هندسة الطيران ، جامعة ولاية سان دييغو ، سان دييغو ، كاليفورنيا

يمكن للمقاتلات والمقذوفات…