通过流动可视化方法对三角翼上方流场结构的实验研究

摘要

本文介绍了一种利用改进的烟雾流场可视化技术观测三角翼上前缘非定常涡流的实验方案，并研究导致前缘涡破裂位置发生振荡的机制。

摘要

众所周知，三角翼表面的流场主要由一对反向旋转的前缘涡（LEV）主导。然而，其产生机制尚不明确。流动显示技术是一种有前景的非侵入性方法，可对复杂流场进行空间和时间上的可视化呈现。基本的流动显示装置包括高功率激光器和光学透镜，用于生成激光片光，以及相机、示踪粒子发生器和数据处理器。风洞装置的配置、所用设备的规格及相应的参数设置，均取决于待获取的流动特征。

常规的烟丝流场可视化技术利用烟丝来展示流体的迹线。然而，当在复杂的流场中进行时，该方法受限于较差的空间分辨率。因此，已开发出一种改进的烟流可视化技术。该技术能够同时呈现大尺度的整体LEV流场和小尺度的剪切层流动结构，为后续详细的粒子图像测速（PIV）测量提供了有价值的参考。

本文展示了改进的烟雾流场可视化与粒子图像测速（PIV）测量技术在研究三角翼上方非定常流动现象中的应用。文中列出了开展实验的步骤及注意事项，包括风洞设置、数据采集和数据处理。代表性结果表明，这两种流场可视化方法是定性与定量研究三维流场的有效技术。

引言

通过可视化技术进行流场测量是流体工程中的基本方法。在不同的可视化技术中，风洞实验中的烟丝流场可视化和水洞实验中的染料可视化是最常用于定性描述流场结构的方法。粒子图像测速（PIV）和激光多普勒测速（LDA）是两种典型的定量测量技术¹。

在烟线流场可视化中，烟流线可通过实验过程中加热丝上的油滴产生，或由外部烟雾发生器/容器注入。使用高功率光源或激光片光来照亮烟流线，随后记录图像以进行进一步分析。这是一种简单但非常有用的流场可视化方法²。然而，该方法的有效性可能受到多种因素的限制，例如烟线持续时间较短、复杂的三维流场、流速相对较高以及烟雾生成效率等³。

在PIV测量中，利用激光片光源照亮含有示踪粒子的流场截面，并通过高速相机捕捉该截面内粒子的瞬时位置。在极短的时间间隔内记录一对图像，随后将图像划分为若干 interrogation 区域，通过互相关函数计算每个区域内粒子的平均运动，从而获得该观测截面上的瞬时速度矢量图。然而，人们也认识到，必须在多个因素之间进行权衡，包括观测窗口的大小、速度图的分辨率、平面内的速度幅值、双帧图像之间的时间间隔、垂直方向的速度幅值以及粒子密度⁴。因此，可能需要进行大量探索性实验以优化实验参数。若仅依靠PIV测....

方案

1. 风洞设置

1. 三角翼模型
   1. 使用铝材制作一个三角翼模型，其后掠角 φ 为 75°，弦长 c 为 280 mm，根部展长 b 为 150 mm，厚度为 5 mm。将两个前缘均加工成 35° 的斜面，以固定分离点¹⁷（见 图 1a）。
2. 风洞设施
   1. 在闭环低速风洞中进行实验，测试段尺寸为 2.4 m（长）× 0.6 m（宽）× 0.6 m（高），配备玻璃壁，可在实验期间提供光学访问。该风洞的湍流强度应低于 0.4%。
      注：本研究中使用了中国香港理工大学具备上述特性的风洞。此外，来流速度 U_∞ 范围为 2.64 m/s 至 10.56 m/s，基于三角翼的弦长计算得到的雷诺数 Re 范围为 5 × 10⁴ 至 2 × 10⁵，这代表了无人机（UAV）典型的飞行范围。
   2. 根据需要，采用三种不同的激光片与相机布置方式（见 图 1b-d），以观测纵向截面、展向截面和横向截面中的流动结构。装置示意图如

结果

图2d展示了LEV破裂位置的时间历程。黑色曲线表示左侧LEV，红色曲线表示右侧LEV。时间尺度通过自由来流速度和弦长进行了无量纲化处理。这两条时间历程之间的相关系数为r = −0.53，表明LEV破裂位置振荡存在强烈的反对称相互作用。该结果与其他研究者的工作^13,19,20高度一致。

图3展示了在 α = 34° 和 Re = 75,000 条件下，LEV 在纵向截面上的流动结构。原始图像由数码相机以 RGB 格式拍摄，曝光时间为 1/500 秒。图中坐标以三角翼弦长归一化。右上角标有 10 mm.......

讨论

本文介绍了两种流动显示方法——改进的烟雾流动显示法和粒子图像测速（PIV）测量法，用于对三角翼上方的流动结构进行定性和定量研究。实验的一般步骤被逐项详细描述。这两种方法的实验装置基本相同，但所使用的设备有所不同。两种流动显示方法的基本原理均是利用激光片光源照亮流场中的示踪粒子。改进的烟雾流动显示法能够同时获得整体流动结构和局部细微结构，有助于全面了解未知的流动形态。定量的PIV分析则可提供感兴趣流场的详细矢量图。因此，结合使用这两种流动显示方法可显著提高研究效率。

与传统的烟丝流动显示方法相比，此处展示的烟流可视化方法执行效率更高。由于示踪粒子分布均匀，微小的流动结构更容易被识别。在复杂的三维流动中，该方法允许将激光片光源设置在任意空间位置，以观测不同截面的流场；而在传统的烟丝法中，激光片必须始终与烟流方向对齐，因此观测窗口受到相应限制²⁶。此外，这种改进的方法可避免传统烟丝实验中因某些区域无烟导致的流动细节遗漏。然而，由于示踪粒子的引入方式限制，该方法不适用于开环风洞装置。在分析流动可视化数据时，应谨慎处理，以避免陷入虚假光照效应带.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
532 nm Nd:YAG 激光器	Quantel Laser	Evergreen 600mJ
高速相机	Dantec Dynamic	HiSense 4M
相机镜头	Tamron	SP AF180mm F/3.5 Di
PIV 记录与处理软件	Dantec Dynamic	DynamicStudio
柱面透镜	Newport		Φ=12 mm
凸透镜	Newport		f=700 mm
中性密度滤光片	Newport
校准靶标			定制
气溶胶发生器	TSI	TSI 9307-6
脉冲发生器	Berkeley Nucleonics Corp	BNC 575
连续激光器		APGL-FN-532-1W
数码相机	Nikon	Nikon D5200
图像处理	Matlab		自定义代码
风洞支架			定制
激光水平仪	BOSCH	GLL3-15X
角度测量仪	BOSCH	GAM220