表面染料流动可视化：一种用于观察超声速流中迹线图案的定性方法
物体周围或表面的流动可视化是空气动力学研究中的重要工具。它提供了一种定性和定量研究流动结构的方法，同时有助于研究人员建立并验证流体流动行为的理论。流动可视化可分为两类：表面外流动可视化和表面流动可视化。表面外流动可视化技术用于确定所关注物体周围流场的特性，包括但不限于粒子图像测速（PIV）、纹影成像…
- 观察超音速流中的迹线
- 将荧光染料粉末与矿物油在塑料碗中混合。逐次少量加入矿物油至染料中，持续搅拌，直至获得半黏稠的混合物。混合物不应呈流动状态。
- 将尾撑安装在超音速风洞试验段上方，并固定到位。本演示中使用的是一种吹除式超音速风洞，其试验段尺寸为 6 in × 4 in，工作马赫数范围为 1.5 至 4，如图 1所示。通过调节阻塞设置（改变试验段的面积比）来调节马赫数。
- 将二维楔形模型旋紧在尾撑支架上，并固定楔形方向，使楔形表面朝向风洞试验段的透明侧壁。所有模型如图 2所示。
- 使用画笔将足量的染料混合物涂抹在模型表面，确保染料不会从模型上滴落。参见图 3作为参考。
- 根据所需自由流马赫数调节阻塞设置。
- 关闭并固定风洞面板。
- 运行风洞 6 秒。
- 试验结束后，用紫外灯照射模型以激发染料发光，并用相机拍摄迹线图像。
- 根据表 1 所列的试验矩阵，调整攻角或马赫数，并重复步骤 1.4 至 1.9。
- 对表 1 中列出的所有模型重复步骤 1.3 至 1.9。
- 完成所有模型测试后，关闭风洞并拆卸装置。
图1．吹吸式超音速风洞。
图2。风洞模型（从左到右）：二维楔形体、三维楔形体、圆锥体、钝头体、球体和导弹。
表1 测试矩阵。
| 模型 | 攻角 (q) 或马赫数 (M) 设置 |
| 二维10°楔形体 | θ = 0, 12, 和 -12° |
| 三维10°楔形体 | θ = 0, 12, 和 -12° |
| 圆锥体 | θ = 0, 13, 和 -13° |
| 钝头体 | θ = 0, 11, 和 -11° |
| 导弹模型 | θ = 0 和 11° |
| 球体 | M = 2, 2.5, 和 3 |
图3。在二维楔形板上涂覆荧光染料的代表性图像。
可视化汽车车身周围的流场对于理解与量化流动结构以及推断流体流动行为至关重要。一种称为表面流动可视化的技术利用染色流体来观察流体在物体周围流动时所形成的轨迹。
染料流场可视化技术涉及在目标物体表面涂覆染料，以观察沿物体表面的流动模式。该染料是由荧光染料颗粒与油混合而成的半粘性混合物。油的高粘性有助于在物体表面保持流动模式，而荧光染料则可在紫外光下使这些流动模式清晰可见。
如果采用长时间曝光拍摄图像，该染料可用于追踪单个流体粒子在流动过程中所经过的路径。当被染色的流体粒子通过某一点或区域时，我们可以观察到所有染色粒子连成的线，这被称为染色线（streakline）。
在超音速流动中，这些迹线可用于识别流动分离点、激波形成以及流体在表面的运动情况。
现在让我们更仔细地观察流体绕球体的流动。附着流动表现为平滑的流线，流线的方向指示了表面流动的方向。流动分离可以识别为染料聚集并显得更亮的区域。这是因为在流动分离点之后的染料未受到扰动。
在超音速流动中，我们还可以观察到物体表面激波的形成，例如导弹尾翼上由一条细亮曲线所示的激波。我们还可以利用该技术识别表面的形变缺陷，表现为条纹线发生扰动的区域。
在本实验中，我们将通过多种在超声速流中暴露的物体，演示染料流动可视化技术。
本实验将使用一座吹除式超音速风洞，其工作马赫数范围为 1.5 至 4。该风洞的试验段截面尺寸为 6 英寸 × 4 英寸。通过调节阻塞段，即改变试验段的面积比，来调节马赫数。我们将测试并观察多种不同模型周围的流线，包括二维楔体、三维楔体、圆锥体、钝头体、球体和导弹模型。
实验开始时，将荧光染料粉末与矿物油在塑料碗中混合。逐次加入少量矿物油至染料中，同时持续搅拌，直至混合物呈半黏稠状，不再稀薄流动。
现在，将支杆安装在风洞试验段上方并固定到位。然后，将二维楔形模型旋紧到支杆安装座上。调整楔形模型的方向，使其表面正对试验段的透明侧壁。
使用画笔在模型表面涂上一层较厚的染料，确保染料量充足但不至于滴落。然后调节阻流板设置，以达到所需的自由来流马赫数。使用数字水平仪将攻角 α 调整至 0°。
现在，关闭并固定测试段的门，运行风洞6秒。在运行过程中，用紫外光照射模型以照亮染料，从而观察 streakline 图案的演变过程。
实验运行结束后，拍摄最终流线模式的图像。接着，将攻角调整至12°，像之前一样用染料涂覆模型，并运行风洞6秒。使用紫外光照射示踪线，用相机拍摄图像。
对 -12° 的二维楔形模型重复上述步骤。根据此处所示的测试矩阵，对所有模型执行测试并采集流线图像。当每个模型的所有测试均完成后，关闭风洞并拆卸装置。
现在让我们从二维楔形体上的条纹线开始分析结果。在0°时，条纹线图案显示整个物体表面的流动是均匀的，除了中心存在表面缺陷的区域，该处导致流动发生分离。当楔形体倾斜至12°时，表面附近的流动向上偏转，而在-12°的设置下，流动则向下偏转。
观察三维楔形体，我们可以看到在所有角度设置下，模型中心处的流动模式与二维楔形体所观察到的流动模式相似。然而，顶部和底部边缘处的流动模式显示出偏转现象，并且沿其长度方向可观察到尖端涡流效应。
圆锥体的流线模式显示，对于所有攻角，流体均会绕过物体表面流动。我们还可以观察到，流动在圆锥体末端发生分离，这由染料聚集的区域所指示。
对于钝头模型，在0°攻角下，我们观察到整个模型表面均为附着流动。在11°和-11°时，气流沿模型表面轮廓弯曲，并在染料汇聚的线条处发生分离。
尽管导弹模型前方的流动模式与钝头体相似，但鳍片上的示踪线显示出不同的特征。在0°攻角时，上下鳍片上的示踪线显示鳍片前缘为附着流动，随后逐渐以交叉模式发生分离。我们还观察到，与鳍片尖端相比，流动在鳍片根部更早发生分离。
观察中央鳍片前缘汇聚的染料，可以看到流线图案显示出弓形激波，激波的形状由染料标示出来。在11°攻角下，我们观察到下部鳍片的流动完全附着，而上部鳍片靠近根部区域则出现流动分离。与0°攻角情况类似，中央鳍片的存在在其前缘处引发了弓形激波。
最后，对于球体，我们改变马赫数而非攻角，因为无论偏转角如何变化，流场模式都保持不变。可以看出，随着马赫数的增加，分离点向物体后部移动，表明流动分离程度减小。这是由于高速流动具有更大的动量，有助于流动克服球面上的逆压梯度，从而在马赫数增加时实现更高程度的流动附着。
综上所述，我们学习了如何利用示踪线来识别流动分离点、激波形成以及流体沿表面的运动情况。随后，我们将多个物体置于风洞中的超声速气流中，并观察了在不同攻角下各表面形成的示踪线。
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Q1: What is dye flow visualization and how does it work?
Dye flow visualization coats a body with a semi-viscous mixture of fluorescent dye particles and mineral oil to observe surface flow patterns. The highly viscous oil maintains flow patterns on the body surface, while fluorescent dye becomes visible under UV light. This cost-effective technique provides qualitative images of surface flow, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation.
Q2: What is a streakline and what does it reveal about flow?
A streakline is the line joining all dyed particles passing through a point or area, visible when images are captured with prolonged exposure. In supersonic flow, streaklines identify flow separation points, shock formation, and flow movement across surfaces. Smooth streaklines indicate attached flow, while clumped, brighter dye regions reveal flow separation zones.
Q3: How does Mach number affect flow separation on a sphere?
As Mach number increases in supersonic flow, the separation point moves toward the aft of the sphere, showing decreasing flow separation. Higher velocity flows have greater momentum, helping fluid overcome adverse pressure gradients and achieve higher flow attachment. This effect demonstrates how increased speed enhances flow stability on curved surfaces.
Q4: What flow features can be identified using streakline patterns?
Streakline patterns reveal multiple flow features including attached flow regions shown as smooth streaklines, flow separation indicated by coalesced dye, shock waves marked by thin bright curves, and surface deformities causing streakline disturbance. These patterns help researchers understand complex aerodynamic behavior around bodies in supersonic conditions.
Q5: How does angle of attack influence streakline patterns on a wedge?
At zero angle of attack, wedge streaklines show uniform flow except at surface deformities. At positive angles, flow deflects upward along the surface, while negative angles produce downward deflection. These directional changes in streaklines reveal how angle of attack alters pressure distribution and flow direction on aerodynamic surfaces.
Q6: What are the differences between surface and off-the-surface flow visualization?
Surface flow visualization coats the body with dye to study surface flow, making it invasive but simple and cost-effective. Off-the-surface techniques like schlieren imaging and particle image velocimetry determine flow characteristics around the body without contact, providing quantitative data but requiring expensive, complex equipment setup.
Q7: How do shock waves appear in dye flow visualization on missile fins?
Shock waves appear as thin bright curves on the body surface, visible through coalesced dye patterns. On missile fins, a bow shock forms at the leading edge of the central fin, marked by the dye shape. The shock location and intensity change with angle of attack, revealing how supersonic flow compresses and deflects around the fin geometry.