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Die Visualisierung der Strömung um einen Autokörper herum ist entscheidend für das Verständnis und die Quantifizierung der Strömungsstruktur sowie für die Theoretisierung des Strömungsverhaltens von Flüssigkeiten. Eine Art der Strömungsvisualisierung wird als Oberflächenströmungsvisualisierung bezeichnet, bei der eine gefärbte Flüssigkeit verwendet wird, um den Weg zu beobachten, den die Flüssigkeitsströmung um ein Objekt herum verfolgt.
Bei der Visualisierung des Farbstoffflusses wird der interessierende Körper mit einem Farbstoff beschichtet, um Strömungsmuster entlang der Körperoberfläche zu beobachten. Der Farbstoff ist ein halbviskoses Gemisch aus fluoreszierenden Farbstoffpartikeln und Öl. Die hochviskose Beschaffenheit des Öls trägt dazu bei, die Fließmuster auf der Körperoberfläche zu erhalten. Mit dem fluoreszierenden Farbstoff können wir diese Muster unter UV-Licht sichtbar machen.
Wenn das Bild mit längerer Belichtung aufgenommen wird, kann der Farbstoff verwendet werden, um den Weg eines einzelnen Flüssigkeitspartikels zu verfolgen, während es sich in der Strömung bewegt. Wenn farbmarkierte Flüssigkeitspartikel einen Punkt oder Bereich passieren, können wir die Linie beobachten, die alle gefärbten Partikel verbindet. Dies wird als Schlierenlinie bezeichnet.
Bei der Überschallströmung können diese Schlierenlinien verwendet werden, um den Punkt der Strömungstrennung, der Schockbildung und der Bewegung der Strömung über die Oberfläche zu identifizieren.
Schauen wir uns nun die Strömung über die Kugel genauer an. Die angehängte Strömung wird als glatte Streifenlinien angezeigt, und die Richtung der Streifenlinien gibt die Richtung der Strömung auf der Oberfläche an. Die Fließtrennung kann als der Bereich identifiziert werden, in dem der Farbstoff verklumpt und heller erscheint. Dies liegt daran, dass der Farbstoff über den Punkt der Fließablösung hinaus ungestört ist.
In der Überschallströmung können wir auch die Bildung von Schockwellen auf der Oberfläche des Körpers beobachten, wie auf den Flossen einer Rakete, die durch eine dünne helle Kurve dargestellt wird. Wir können diese Technik auch verwenden, um Deformitäten auf einer Oberfläche zu identifizieren, die sich in Bereichen zeigen, in denen die Schlierenlinien gestört sind.
In diesem Labor werden wir die Technik zur Visualisierung des Farbstoffflusses anhand mehrerer verschiedener Körper demonstrieren, die der Überschallströmung ausgesetzt sind.
Für dieses Experiment verwenden wir einen heruntergeblasenen Überschallwindkanal mit einem Betriebs-Machzahlbereich von 1. 5 bis 4. Dieser Windkanal hat eine Testsektion von 6 Zoll x 4 Zoll. Die Machzahl wird durch Einstellen des Blockabschnitts variiert. Mit anderen Worten, indem Sie das Flächenverhältnis der Teststrecke ändern. Wir werden die Schlierenlinien um mehrere verschiedene Modelle testen und beobachten: einen 2D-Keil, einen 3D-Keil, einen Kegel, einen stumpfen Nasenkörper, eine Kugel und eine Rakete.
Um das Experiment zu beginnen, mischen Sie fluoreszierendes Farbstoffpulver und Mineralöl in einer Plastikschüssel. Geben Sie kleine Mengen Mineralöl in Schritten und mischen Sie kontinuierlich, bis die Mischung halbviskos und nicht dünnflüssig und flüssig ist.
Montieren Sie nun den Stachel über der Windkanal-Testkammer und verriegeln Sie ihn. Schrauben Sie dann das 2D-Keilmodell auf die Stichhalterung. Fixieren Sie die Richtung des Keils so, dass die Keiloberfläche zu den transparenten Seitenwänden der Prüfstrecke zeigt.
Trage mit einem Pinsel eine dicke Schicht Farbe auf die Oberfläche des Modells auf und achte darauf, dass sie nicht so stark abtropft. Passen Sie dann die Blockeinstellung an, um die gewünschte Freistrom-Machzahl zu erreichen. Den Anstellwinkel alpha auf 0 einstellen? mit einer digitalen Wasserwaage.
Schließen und verriegeln Sie nun die Tür der Prüfstrecke und lassen Sie den Windkanal 6 s lang laufen. Beleuchten Sie das Modell während des Laufs mit UV-Licht, um den Farbstoff zu beleuchten. Dies ermöglicht es uns, die Entwicklung der Schlierenmuster zu beobachten.
Sobald der Lauf abgeschlossen ist, erfassen Sie ein Bild der endgültigen Strömungsmuster. Stellen Sie als Nächstes den Anstellwinkel auf 12 °C ein. Bemalen Sie das Modell wie zuvor mit Farbe und lassen Sie den Windkanal 6 s lang laufen. Beleuchten Sie die Schlieren mit dem UV-Licht und nehmen Sie das Bild mit einer Kamera auf.
Wiederholen Sie diese Schritte für das 2D-Keilmodell bei -12?. Führen Sie den Test aus und erfassen Sie Streakline-Bilder für alle Modelle gemäß der hier gezeigten Testmatrix. Wenn alle Tests an jedem Modell abgeschlossen sind, schalten Sie den Windkanal ab und zerlegen Sie das Setup.
Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse, beginnend mit den Schlieren über dem 2D-Keil. Bei 0" zeigt das Streifenlinienmuster eine gleichmäßige Strömung im gesamten Körper, außer in dem Bereich, in dem es eine Oberflächendeformität in der Mitte gibt, die zu einer Trennung der Strömung führt. Wenn der Keil auf 12" abgewinkelt ist, wird die Strömung entlang der Oberfläche nach oben abgelenkt, während die Strömung bei -12? Einstellung.
Wenn wir uns den 3D-Keil ansehen, können wir sehen, dass das Strömungsmuster in der Mitte des Modells dem ähnelt, das für den 2D-Keil bei allen Winkeleinstellungen beobachtet wurde. Das Strömungsmuster an der Ober- und Unterkante zeigt jedoch eine Durchbiegung und der Spitzenwirbeleffekt ist entlang ihrer Länge zu beobachten.
Schlierenmuster für den Kegel zeigen, dass sich die Strömung bei allen Anstellwinkeln um den Körper herum krümmt. Wir können auch beobachten, dass die Strömungstrennung am Ende des Kegels stattfindet, was durch den Bereich angezeigt wird, in dem der Farbstoff verklumpt.
Für das Modell der stumpfen Nase beobachten wir eine anhaftende Strömung durch den Körper bei einem Anstellwinkel von 0?.? Bei 11 und -11" krümmt sich die Strömung entlang der Oberflächenkontur um den Körper und trennt sich entlang der Linie, an der der Farbstoff zusammenfließt.
Während die Strömungsmuster an der Vorderseite des Raketenmodells denen des stumpfen Nasenkörpers ähneln, weisen die Schlierenlinien auf den Flossen unterschiedliche Merkmale auf. Bei 0° zeigen die Streifenlinien an der oberen und unteren Flosse eine anhaftende Strömung an der Vorderseite der Flosse, wobei eine allmähliche Trennung in einem Kreuzmuster erfolgt. Wir beobachten auch, dass sich die Strömung viel früher an der Wurzel der Flossen löst als an den Spitzen.
Wenn wir uns den koaleszierten Farbstoff an der Vorderkante der zentralen Flosse ansehen, können wir sehen, dass die Streifenmuster auf einen Bugstoß hinweisen, wobei die Form des Stoßdämpfers durch den Farbstoff markiert ist. Bei einer 11? Anstellwinkel, wir beobachten eine vollständig anhaftende Strömung an der unteren Flosse, aber eine getrennte Strömung in der Nähe der Wurzel der oberen Flosse. Ähnlich wie bei der 0? In diesem Fall verursacht das Vorhandensein der zentralen Flosse einen Bugstoß an der Vorderkante der Flosse.
Schließlich haben wir für die Kugel die Machzahl im Gegensatz zum Anstellwinkel variiert, da die Strömungsmuster unabhängig vom Ablenkungswinkel gleich bleiben. Wir können sehen, dass sich mit zunehmender Machzahl der Trennpunkt in Richtung des hinteren Teils des Körpers verschiebt, was eine abnehmende Strömungstrennung zeigt. Dies liegt an der Tatsache, dass Strömungen mit höherer Geschwindigkeit mehr Impuls haben, was der Strömung hilft, den ungünstigen Druckgradienten über der Kugel zu überwinden. Dies führt zu einem höheren Grad an Strömungsbefestigung bei erhöhter Machzahl.
Zusammenfassend haben wir gelernt, wie Schlierenlinien verwendet werden können, um den Punkt der Strömungstrennung, der Schockbildung und der Bewegung der Strömung über eine Oberfläche zu identifizieren. Anschließend setzten wir mehrere Körper in einem Windkanal einer Überschallströmung aus und beobachteten die Schlieren, die sich auf jeder Oberfläche bei unterschiedlichen Anstellwinkeln bildeten.
