Schlieren-Imaging: Eine Technik zur Visualisierung der Eigenschaften von Überschallströmungen

Militärjets fliegen mit unglaublichen Geschwindigkeiten, die die Schallgeschwindigkeit übertreffen, die sogenannten Überschallgeschwindigkeiten. Bei der Beschreibung von Überschallgeschwindigkeiten verwenden wir die Machzahl, um diese Geschwindigkeit relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen. Bei einer Machzahl größer als 0,8, aber kleiner als 1,2 ist die Geschwindigkeit transsonisch. Oberhalb von Mach 1,2 beträgt die Geschwindigkeit Überschall.

Werfen wir einen genaueren Blick darauf, was bei diesen hohen Geschwindigkeiten passiert, indem wir die Luftströmung um einen kegelförmigen Körper analysieren. Ab einer Machzahl von 0,3 müssen die Kompressibilitätseffekte von Luft berücksichtigt werden, da Luft bei diesen hohen Geschwindigkeiten signifikante Dichteänderungen aufweist. Wenn die einströmende Strömungsgeschwindigkeit über Mach 1,0 liegt, bildet sich eine schräge Stoßwelle von der Nase des Kegels oder Keils, und es bilden sich Expansionsfächer um den sich bewegenden Körper.

Eine Stoßwelle ist eine extrem dünne, sich ausbreitende Störung, bei der abrupte Änderungen der Strömungseigenschaften wie Druck, Temperatur und Dichte auftreten. Ein Expansionsventilator besteht aus einer unendlichen Anzahl von Wellen und wird verursacht, wenn sich die Überschallströmung um eine konvexe Ecke dreht. Der Druck, die Dichte und die Temperatur nehmen über dem Expansionsgebläse kontinuierlich ab, während die Geschwindigkeit zunimmt. Da sich die Dichte der Luft innerhalb der Stoßwellen- und Expansionsventilatoren erheblich ändert, können sie mit einer dichtebasierten Strömungsvisualisierungstechnik, der sogenannten Schlieren Imaging, visualisiert werden.

Die Schlieren-Methode beruht auf dem Brechungsindex, d. h. dem Verhältnis der Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum zu seiner Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Mediums. Die Änderung des Brechungsindex ist proportional zur Änderung der Dichte. Wenn sich also die Dichte der Luft in der Stoßwelle und im Expansionsgebläse ändert, ändert sich auch der Brechungsindex.

Bei der Schlieren-Bildgebung scheint eine kollimierte Lichtquelle auf den Körper, und die Variation des Brechungsindex verzerrt den Lichtstrahl. Um die Ablenkung sichtbar zu machen, wird eine Messerkante in der Fokusebene des übertragenen Lichts platziert, wodurch ein Teil des abgelenkten Lichts blockiert und der Kontrast des projizierten Bildes auf der Leinwand erhöht wird. Daraus ergibt sich ein Bild mit hoher und niedriger Lichtintensität, das die Bereiche mit hoher und niedriger Luftdichte abbildet und es uns so ermöglicht, die Stoßwellen und Expansionsventilatoren sichtbar zu machen.

In diesem Experiment werden wir die Verwendung eines Schlieren-Imaging-Systems demonstrieren, um die Schockwellen und Expansionsventilatoren zu visualisieren, die durch die Luftströmung von Mach 2 über einen Kegel gebildet werden.

Dieses Experiment verwendet ein Schlieren-System, um Schockwellen abzubilden, die von einem Überschallwindkanal um einen 15? Modell mit halbem Winkelkegel. Das in diesem Experiment verwendete Schlieren-System ist wie folgt aufgebaut.

Aktivieren Sie zunächst die Trocknertürme, um die Luft zu entwässern. Dadurch wird Eisbildung durch lokale Temperaturabfälle in der Teststrecke vermieden. Öffnen Sie dann den Textbereich und sichern Sie sich die 15? Halbwinkel-Kegelmodell zur Stützstruktur im Inneren. Überprüfen Sie die Testsektion, um sicherzustellen, dass sie frei von Schmutz und anderen Objekten ist. Schließen Sie dann den Testbereich.

Stellen Sie sicher, dass das Hauptventil für die Luftstromregelung geschlossen ist, schalten Sie dann den Kompressor ein, um den Luftspeicher unter Druck zu setzen, und lassen Sie den Tank 210 psi erreichen. Wenn sich der Kompressor nicht automatisch abschaltet, wenn der Druck erreicht ist, schalten Sie den Kompressor manuell aus. Schalten Sie nun den Regler für das Hochgeschwindigkeitsventil ein.

Um das Schlieren Imaging System einzurichten, schalten Sie zuerst das Licht und den Lüfter ein. Legen Sie dann ein Blatt Papier auf die gegenüberliegende Seite der Testsektion von der Lichtquelle. Richten Sie den ersten Hohlspiegel so aus, dass Licht durch den Testbereich fällt, und prüfen Sie, ob das Licht auf das Papier trifft. Positionieren Sie dann eine projizierende Leinwand an der Stelle, an der das Bild erstellt wird.

Stellen Sie nun den zweiten Hohlspiegel so ein, dass das Licht, das durch die Teststrecke fällt, auf die projizierende Leinwand reflektiert wird. Stellen Sie die Messerkante so ein, dass sie sich im Brennpunkt des zweiten Spiegels befindet. Passen Sie dann die Messerkantenblende an, um die gewünschte Bildqualität zu erzielen.

Um das projizierte Bild aufzunehmen, stellen Sie eine Kamera auf ein Stativ, das dem Bildschirm zugewandt ist. Um direkt auf dem Kamerasensor aufzunehmen, positionieren Sie die Kamera vor der Messerkantenblende. Nun, da der Apparat eingerichtet ist, lassen Sie uns das Experiment durchführen.

Setzen Sie zuerst den entsprechenden Gehörschutz auf und vergewissern Sie sich dann, dass sich niemand in der Nähe des Luftauslasses außerhalb des Gebäudes befindet. Öffnen Sie zunächst die Luftzufuhr zur Schnellventilsteuerung. Öffnen Sie dann das Hauptventil, das Luft in das System lässt. Schalten Sie nun das Licht im Raum aus, damit das projizierte Bild besser zu sehen ist. Aktivieren Sie dann den Windkanal, indem Sie den grünen Knopf neben dem Controller drücken, der das Schnellventil öffnet.

Betrachten Sie das Schlierenbild der Mach 2.0-Strömung über das Kegelmodell. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie den Windkanal aus, indem Sie die Ventile in umgekehrter Reihenfolge schließen und dann den Regler ausschalten. Warten Sie, bis das Gerät mit dem Ablassen von Luft fertig ist, bevor Sie Ihren Gehörschutz abnehmen.

Werfen wir nun einen Blick auf das Bild, das mit dem Schlieren-Setup aufgenommen wurde. Das in diesem Experiment verwendete Modell war ein Kegel mit einem halben Winkel von 15°, der einer Überschallströmung von Mach 2,0 ausgesetzt wurde. Wir können das Vorhandensein einer Schockwelle beobachten, wie hier gezeigt.

Theoretisch müsste sich an der Kegeloberfläche ein schräger Stoß in einem Winkel von 33,9" bilden. Der Wert des schrägen Schockwinkels ergibt sich aus der Taylor-Maccoll-Gleichung, die numerisch gelöst werden muss. Der gemessene experimentelle Winkel betrug 33,6 μm, was einem prozentualen Fehler von weniger als 1 % im Vergleich zu den theoretischen Daten entspricht.

Darüber hinaus ermöglicht die Schlierentechnik die Visualisierung von Expansionsventilatoren über dem Konus. Der Expansionslüfter ist ein erwarteter Expansionsprozess, der auftritt, wenn sich die Überschallströmung um einen konvexen Winkel dreht.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie die Schlieren-Methode Änderungen des Brechungsindex nutzt, um Stoßwellen und Expansionsfächer in der Überschallströmung sichtbar zu machen. Anschließend nutzten wir die bildgebende Technik, um die Schock- und Expansionswellenmuster im Mach 2.0-Strömungsfeld über einem Kegel zu visualisieren.