Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Experimentele onderzoek van de structuur van de stroom over een Delta vleugel Via stroom visualisatie methoden

Published: April 23, 2018 doi: 10.3791/57244
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Hong Kong Polytechnic University

Summary

Hier presenteren we een protocol om de wankele vortical stroomt over een delta vleugel met behulp van een gemodificeerde rook stroom visualisatie techniek observeren en onderzoeken van het mechanisme dat verantwoordelijk is voor de trillingen van de toonaangevende vortex verdeling locaties.

Abstract

Het is algemeen bekend dat het veld van de stroom over een delta vleugel wordt gedomineerd door een paar teller roterende voorrand vortices (LEV). Echter hun mechanisme niet goed wordt begrepen. De stroom visualisatie techniek is een veelbelovende onopvallende methode ter illustratie van het veld van de complexe informatiestroom, ruimtelijk en tijd. Een basisstappen visualisatie installatie bestaat uit een hoog vermogen laser en optische lenzen voor het genereren van het blad van de laser, een camera, een tracer deeltje generator en een data-processor. De windtunnel setup, de specificaties van de apparaten en de bijbehorende parameterinstellingen zijn afhankelijk van de functies van de stroom worden verkregen.

Normaal rook draad stroom visualisatie maakt gebruik van een rook draad om aan te tonen van de streaklines van de stroom. De prestaties van deze methode wordt echter beperkt door slechte ruimtelijke resolutie wanneer het wordt uitgevoerd in een veld van de complexe informatiestroom. Daarom is een betere rook flow visualisatie techniek heeft ontwikkeld. Deze techniek illustreert de grootschalige globaalveld voor LEV stroom en de kleinschalige schuintrekken lagenstructuur stroom op hetzelfde moment, het verstrekken van een waardevolle referentie voor later gedetailleerde particle image velocimetry (PIV) meting.

In dit document, wordt de toepassing van de betere rook flow visualisatie en de PIV meting op de wankele stroom verschijnselen bestuderen over een delta vleugel aangetoond. De procedure en de waarschuwing voor het uitvoeren van het experiment staan, met inbegrip van de windtunnel setup, data acquisitie en verwerking van gegevens. De representatieve resultaten laten zien dat deze twee stromen visualisatie methoden effectieve technieken voor het onderzoeken van de drie-dimensionale stroom veld kwalitatief en kwantitatief.

Introduction

Veld Stroommeting via visualisatietechnieken is een fundamentele methodologie in vloeibare techniek. De verschillende visualisatietechnieken behoren rook draad stroom visualisatie in windtunnel experimenten en visualisatie van de kleurstof in water tunnel experimenten tot de meest gebruikte om te illustreren stroom structuren kwalitatief. PIV en laser Doppler anemometry (LDA) zijn twee typische kwantitatieve technieken1.

In rook draad stroom visualisatie, zijn rook streaklines gegenereerd op basis van olie druppels op de draad van een verwarming of geïnjecteerd vanuit de buitenste rook generator/container tijdens de experimenten. High-Power licht of laser bladen worden gebruikt voor het verlichten van de rook streaklines. Beelden worden vervolgens opgenomen voor verdere analyse. Dit is een eenvoudige maar zeer nuttige stroom visualisatie methode2. De effectiviteit van deze methode kan echter worden beperkt door verschillende factoren, zoals de korte duur van rook draden, het veld van de complexe driedimensionale stroom, de relatief hoge snelheid van de stroming en de efficiëntie van de rookproductie3.

Een dwarsdoorsnede van een veld van de stroom met meegesleepte deeltjes wordt verlicht door een laser-blad in PIV metingen, en instant posities van de deeltjes in deze doorsnede zijn gevangen genomen door een high-speed camera. Binnen een uiterst kleine tijdsinterval, is een paar afbeeldingen opgenomen. Door de beelden te verdelen in een raster van ondervraging gebieden en de berekening van de gemiddelde beweging van deeltjes in de ondervraging gebieden door middel van cross-correlatie functies, kan de momentane snelheid vector kaart in deze waargenomen doorsnede worden verkregen. Het is echter ook bekend dat er compromissen moeten worden bereikt voor factoren met inbegrip van de grootte van het kijkvenster, de resolutie van de kaart van de snelheid, de omvang van de snelheid in het vliegtuig, het tijdsinterval tussen het paar van beelden, de orthogonale snelheid omvang en de partikel dichtheid4. Daarom kunnen veel verkennend experimenten nodig zijn voor het optimaliseren van de experimentele instellingen. Het zou duur en tijdrovend om te onderzoeken van een onbekende en complexe stroom veld met PIV meting alleen5,6. Rekening houdend met de bovengenoemde problemen, is een strategie te combineren rook stroom visualisatie en PIV meting voorgesteld en hier gedemonstreerd te bestuderen van de complexe informatiestroom over een slanke delta vleugel.

Talrijke studies van LEV stromen over deltavleugels geweest transiënte7,8, met stroom visualisatietechnieken gebruikt als de primaire hulpmiddelen. Veel interessante stroom verschijnselen zijn waargenomen: spiraal type en bubble type vortex storingen9,10, een wankele schuintrekken laag substructuur11,12, oscillaties van LEV verdeling locaties13 , en effecten van pitching en yaw hoeken14,15,16 op de structuren van de stroom. De onderliggende mechanismen van enkele wankele verschijnselen in de delta vleugel stromen blijven echter onduidelijk7. In dit werk, is de rook stroom visualisatie verbeterd met behulp van de dezelfde seeding deeltjes in PIV meting, in plaats van een rook draad gebruikt. Deze verbetering sterk vereenvoudigt de werking van de visualisatie en verhoogt de kwaliteit van de beelden. Op basis van de resultaten van de betere rook flow visualisatie, PIV meting richt zich op die gebieden van de stroom van belang om de kwantitatieve informatie te verwerven.

Hier is een gedetailleerde beschrijving gegeven uit te leggen hoe uit te voeren van een stroom visualisatie experiment in een windtunnel en te onderzoeken wankele stroom verschijnselen over een delta vleugel. Twee visualisatie methoden, de betere rook flow visualisatie en de PIV meting, worden samen gebruikt in dit experiment. De procedure omvat stapsgewijze instructies voor het apparaat instellen en parameter aanpassing. Typische resultaten worden te tonen het voordeel van het combineren van deze twee methoden voor het meten van het veld van de complexe informatiestroom, ruimtelijk en stoffelijk gedemonstreerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. windtunnel Setup

  1. Delta vleugel model
    1. Bouw het model van een delta vleugel uit aluminium, met een sweep hoek φ van 75 °, een snaar lengte c van 280 mm, een wortel span b van 150 mm en een dikte van 5 mm. Hebben beide randen van de toonaangevende afgeschuinde bij 35° de scheiding punt17 vast te stellen (Zie Figuur 1a).
  2. Faciliteiten van de windtunnel
    1. Uitvoering van experimenten in een gesloten kringloop lage snelheid windtunnel, met een gedeelte van de test van 2,4 m (lengte) × 0.6 m (breedte) × 0.6 m (hoogte), die is uitgerust met glazen wanden waarmee optische toegang tijdens de experimenten. De turbulente intensiteit van een dergelijke faciliteit moet minder dan 0,4%.
      Opmerking: In deze studie gebruikten we een windtunnel op de Hong Kong Polytechnic University met de bovenstaande kenmerken. Ook de snelheid van de freestream U∞ varieerden van 2.64 m/s tot 10.56 m/s, overeenkomt met een nummer van Reynolds, Re, 5 × 10-4 tot 2 × 105, gebaseerd op de lengte van de koorde van de vleugel van de delta, dat het bereik van de typische vlucht voor een onbemande vliegende voertuigen (UAV).
    2. Indien nodig, met drie verschillende regelingen (Zie Figuur 1b-d) van het blad van de laser en de camera's te nemen van de structuren van de stroom in de dwarse doorsnede, de Langsdoorsnede van cross en de span-wise doorsnede. Schema van de installatie zijn weergegeven in Figuur 1b.
      Opmerking: Dit protocol toont de setup en de meting in de lengterichting doorsnede in detail.
  3. Installeren van de delta vleugel
    1. Fix de achterrand van de vleugel van de delta op de sting, die op een cirkelbeweging gids gebruikt voor het aanpassen van de angle of attack (AoA), α. Het centrum van de circulaire gids is aan de central line van de windtunnel test afdeling. De delta wing's center kunnen dus altijd in het midden van het gedeelte van de test. Aanpassen van de AoA naar α = 34 °.
    2. Zorgvuldig passen het model van de delta vleugel te minimaliseren elke yaw hoek en roll hoek, door het controleren van de lezingen van de meter van een hoek en een drie-as laser-niveau. In de huidige studie is de onzekerheid van deze twee hoeken minder dan 0.1°.
  4. Instellen van het blad van de laser
    1. Twee lasers afzonderlijk gebruiken voor het verlichten van de stroom structuren voor PIV meting en rook stroom visualisatie.
      1. Voor PIV meting, gebruikt u een dubbele pulse laser, met een golflengte van 532 nm en een maximale energie van 600 mJ (instelbaar) voor elke pulse. Controle met een synchronisatieroutine met transistor-transistor-logic (TTL) signalen (Zie Figuur 1b).
      2. Voor rook stroom visualisatie, gebruiken een continue laser met een golflengte van 532 nm en een vermogen van 1 W. Deze continue laser werkt onafhankelijk van elkaar. Tijdens de opstellingsinstallatie, kunt een filter met neutrale dichtheid met 10% lichtdoorlatendheid filteren de laserstraal voor veiligheid.
    2. Draag passende laser veiligheidsbril.
    3. De spiegel reflectie in te voeren van de laserstraal in de wind-tunnel aanpassen. De hoek tussen de laser licht as en de spiegel is Equation 1 , om de laserstraal loodrecht op het glasoppervlak delta vleugel. Zorgen dat de laserstraal rond de positie x is/c ≅ 0,25, die later het centrum van het gezichtsveld (FOV).
    4. Laser optics (met de continue laser, aanvankelijk) installeren om te vormen van het blad van de laser, zoals weergegeven in Figuur 1b. De bolle lens wordt gebruikt voor het bepalen van de laser beam grootte (ook de dikte van het blad). De cilindrische lens breidt de laserstraal aan een laser-blad.
      Opmerking: In de huidige studie, de brandpuntsafstand van de lens cilindrische is 700 mm en de diameter van de cilindrische lens is 12 mm.
    5. Controleer de plaatdikte laser door het meten van de lijn van de laser op het model. Pas de locatie van de bolle lens als de laser blad dikte niet geschikt is (hier ongeveer 1 mm, met een effectieve breedte van het blad van de laser in de sectie van de test van ongeveer 100 mm). Merk op dat de dikte van het blad van de laser afhankelijk van 1) de component van de snelheid in de normale richting het laser blad en 2) het interval tussen de paar snapshots in PIV meting is.
    6. Zet een kalibratie doel plaat op de delta vleugel, met zijn oppervlakte samenvallen op het blad van de laser. Deze stap is noodzakelijk omdat de FOV in de huidige studie niet loodrecht op de coördinaat van de windtunnel is.
  5. Camera installatie
    1. Bij het instellen van de camera uit de lasers in te schakelen. Net als bij de lasers, door twee camera's te gebruiken voor elk afzonderlijk deel van dit experiment:
      1. Voor de meting van de PIV, gebruiken een high-speed CCD-camera met een resolutie van 2048 × 2048 pixels. Deze camera wordt beheerd door de synchronisatieroutine en de dubbele pulse laser (Zie Figuur 1b). In deze camera zal gegevens rechtstreeks op de computer.
      2. Voor rook stroom visualisatie, gebruik een commerciële digitale camera met een resolutie voor momentopnamen van 4.000 × 6.000 pixels en een 50 Hz video-opname-resolutie van 720 × 1280 pixels tijdens de rook stroom visualisatie. Het zal worden met de hand bediend.
    2. Verplaatsen van de camera positie (commerciële digitale camera, aanvankelijk) te verkrijgen van de gewenste FOV. Aanpassen van de lens van de camera te richten op de kalibratie doel plaat. Zorg ervoor dat het hele gebied is gericht. Als dat niet het geval is, de coördinaten van de camera mogelijk niet loodrecht op de plaat van de target kalibratie. Dus, aanpassen van de camera plaatst zorgvuldig18.
    3. Neem verschillende frames nadat de camera goed instellen is. Later zal deze frames van de kalibratie doel plaat te kalibreren de schaalfactor tussen de werkelijke grootte en de frame-pixel, en te identificeren van het referentiepunt in de xyz-coördinaat gebruikt worden. Verwijder vervolgens de kalibratie doel plaat.
  6. Zet de windtunnel bij een lage snelheid (bijv., 3 m/s) en het injecteren van olie deeltjes in de windtunnel. Instellen van de druk van de aërosol generator bij 2.5 bar en werken het voor 30 s voor de pre-seeded visualisatie-waardemethode. Na dit, zal de hele windtunnel uniform bezaaid worden met olie deeltjes op een normale diameter van ongeveer 1 µm.
    Opmerking: In de huidige studie, de geschatte partikel dichtheid olieconcentratie in de wind-tunnel is ongeveer Equation 2 in de rook stroom visualisatie; dus de totale stroom dichtheid wijziging in de windtunnel is Equation 3 .
  7. PIV softwareopstelling
    1. De PIV besturing met de PIV-software (zie tabel van materialen). Deze software kan de synchronisatieroutine TTL signalen verzenden naar de laser en de camera, command, zoals weergegeven in Figuur 1b.
    2. De bemonsteringsfrequentie vastgesteldop 5 Hz, met een totale bemonstering aantal 500. Het tijdsinterval tussen de frames PIV is 80 µs. Let erop dat het tijdsinterval afhankelijk van de grootte van de FOV en stroom snelheid is. Zorg ervoor dat de gebieden van de ondervraging in twee frames over een 50-75% overlappen.

2. uitvoeren van het Experiment

  1. Betere rook flow visualisatie
    1. Inschakelen van de windtunnel op de gewenste freestream-snelheid (U = 2.64 m/s). Stormloop op voor 10 min te stabiliseren van de snelheid van de freestream. Op Re = 50.000, de snelheid van de freestream is U = 2.64 m/s.
    2. De continue laser inschakelen. Gebruik de digitale camera te vangen van 5-10 snapshots van de structuur van de stroom.
    3. Controleer of het blad van de laser op de longitudinale doorsnede van de kern van de LEV (Zie de typische structuur die is afgebeeld in Figuur 3). Zo ja, Markeer deze plaats op de delta vleugel model als een referentie voor de latere PIV meting; anders, de positie van de laser-blad wijzigen door het aanpassen van de optische lens en reset van de kalibrering volgt 1.4.6 - 1.5.3.
    4. Die beelden bekijken en controleren van de focus en de helderheid. Als de beeldkwaliteit niet bevredigend is, past u het diafragma van de lens of de ISO-instelling.
    5. Meer momentopnamen (meestal rond de 20) en video's (ongeveer 40 s) met de juiste instelling. Uitschakelen van de laser en de gegevens overbrengen naar de computer.
  2. PIV-meting
    1. Op basis van de positie van de referentie bekend uit stap 2.1.3 en de resultaten van de snapshots uit stap 2.1.5, kies een interessante regio (x/c≈ 0.3) als de FOV, waar vortical substructuren kunnen worden waargenomen. Vervang de continue laser en digitale camera met de dubbele pulse laser, CCD-camera voor PIV meting.
    2. Herhaal stap 1.4.6 - 1.5.3 opnemen de kalibratie voor PIV meting.
    3. Inschakelen van de windtunnel op de gewenste freestream snelheid, U = 2.64 m/s. uitvoeren gedurende 10 minuten om ervoor te zorgen dat de snelheid van de freestream stabiel is.
    4. Aanpassen van de dubbele puls laser het hoogste energieniveau en stand-by. Gebruik van de software om te beginnen met de data-acquisitie voor 100 s. Zodra de opname van de gegevens is voltooid, schakelt u het hoofd van de laser.
    5. Controleer of de verworven beelden in de software en de laser vel verdeling, de dichtheid van de deeltjes (meestal 6-10 deeltjes in elk gewenste ondervraging gebied), de focus en de verplaatsing van de particle tussen de dubbele frames (25-50% van de ondervraging controleren gebied).
    6. Als de kwaliteit van de beelden bevredigend, is zoals beschreven in stap 2.2.5., de gegevens op de vaste schijf van de PC opslaan en uitvoeren van de andere gevallen door de bovenstaande stappen te herhalen. Anders, herhaal stap 1.7 en 2.2 en zorgvuldig de instellingen aanpassen.

3. de verwerking van de gegevens

  1. Verbeterde rook visualisatie
    Opmerking: De volgende stappen uit, 3.1.1-3.1.4, via MATLAB code automatisch worden gedaan (Zie het Aanvullende codering bestand).
    1. De video in een reeks van frames omzetten. De frames van de RGB-vorm omzetten in grijswaarden. Draai het frame om het oppervlak van de delta vleugel horizontale. Kies de ruimte van belang voor latere verwerking (Figuur 2a).
    2. Het aanpassen van de helderheid en het contrast te markeren de stroom structuur. Een adaptieve drempel te transformeren van het grijze beeld naar een binaire afbeelding (Figuur 2b) van toepassing.
    3. De binaire waarden in elke kolom optellen en vind de positie waarop de som plotseling verandert. Dit standpunt is de vortex verdeling locatie (Figuur 2 c).
    4. De vortex verdeling locaties en hun overeenkomstige tijden opnemen. De geschiedenis van de tijd van de verdeling trilling kan dus worden verkregen.
    5. Gebruik de schaalfactor van de pixel-real grootte (gemeten vanaf de beelden met de kalibratie doel plaat in stap 1.5.3) te transformeren van de geschiedenis van de tijd van pixels tot werkelijke grootte en het referentiepunt. Uitzetten van de geschiedenis van de tijd van de trilling van de verdeling.
  2. PIV-meting
    1. Voer de PIV-software. Gebruik de beelden verkregen in stap 2.2.2 te stellen de schaalfactor en de positie van de verwijzing van de coördinaten. De verworven gegevens via de beeldbank van de verwerking te markeren de deeltjes en het verminderen van ruis18vooraf te verwerken.
    2. Gebruik de adaptieve ondervraging gebied methode met een minimale rastergrootte van 32 × 32 pixels en een minimale overlap van 50%. Kies het afbeeldingsgebied en de validatie van een 3 x 3 vector voor de adaptieve Kruis-correlaties ingesteld.
    3. Het resultaat wordt gegeven als een vectorveld snelheid, waarin de blauwe vectoren zijn de juiste vectoren, de groene zijn de gesubstitueerde vectoren, en de rode zijn slechte vectoren.
    4. De 3 x 3 bewegende gemiddelde validatiemethode voor het schatten van de lokale snelheid door het vergelijken van de vectoren in de buurt hebt toegepast. Vervangen van vectoren die teveel afwijken met hun buren met het gemiddelde van hun buren.
    5. Bereken de vector statistieken in de snelheid kaarten te verkrijgen van de kenmerken van de stroom in de geschiedenis van de tijd, bijvoorbeeld, de tijd-gemiddelde snelheid, de standaardafwijking en de cross-correlatie tussen componenten van de snelheid. De scalaire derivaten van de vector kaart om aan te tonen van de interne functies van het stroom-veld, bijvoorbeeld, de vorticiteit, schuifspanningen en wervelende kracht te berekenen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figuur 2d toont de geschiedenis van de tijd van de LEV verdeling locaties. De zwarte curve geeft de bakboord LEV en de rode kromme geeft de stuurboord LEV. De tijdschaal is nondimensionalized door de gratis stroom snelheid en snaar lengte. De correlatiecoëfficiënt tussen deze twee keer geschiedenissen is r = −0.53, die een sterke anti-symmetrische interactie van de LEV verdeling locatie oscillaties aangeeft. Dit resultaat is eens goed met het werk van anderen13,19,20.

Figuur 3 toont de structuur van de stroom LEV in de lengterichting doorsnede op α = 34 ° en Re = 75.000. De oorspronkelijke afbeelding werd veroverd door de digitale camera in RGB-vorm, met een blootstellingsduur van 1/500 seconden. In deze afbeelding is de coördinaat genormaliseerd door de lengte van de snaar delta vleugel. Een schaal van 10 mm is uitgezet op de hogere juiste hoek ter referentie. Het resultaat toont duidelijk aan de primaire LEV kern, die zich uit het topje van de delta vleugel naar de downstream in een rechte lijn ontwikkelt. In de buurt van de positie x = 0,19 c, de kern van de vortex plotseling breidt uit. Dit staat bekend als de toonaangevende vortex verdeling9,21. Na de verdeling locatie wordt na turbulent. Rond de primaire LEV kern zijn kleine vortical structuren. Deze substructuren zijn afkomstig uit de leiden-randen en wervelen rond de kern van de primaire vortex binnen het oprollen van shear laag12,22,23. Als de substructuren naar de binnenste laag van de LEV verhuizen, wordt hun vorm uitgerekt als gevolg van de relatief hoge snelheid-component in de lengterichting in de buurt van de kern van de vortex. Tijdens het experiment wordt opgemerkt dat de structuur van de stroom van de LEV heel stationaire, behalve op de locatie van de verdeling LEV. Dit resultaat toont aan dat deze rook visualisatie-waardemethode een goede balans tussen de lokale kleine stroom structuur en de evolutie van globale stroom structuur kan bereiken.

Figuur 4 toont de typische deeltje beelden in een regio van 64 x 64 pixels, veroverde van PIV meting. 32 x 32 pixel ondervraging in Area Frame A zijn er 10 geïdentificeerde deeltjes, gekenmerkt door gele cirkels. Na het tijdsinterval tussen twee frames verplaatsen deze deeltjes naar nieuwe locaties, zoals wordt weergegeven in een Frame B. De verplaatsingen zijn ongeveer een kwart van de ondervraging gebied, resulterend in een bijna 70% overlap tussen deze ondervraging gebieden. Bovendien, blijven bijna alle van de deeltjes in het laser blad vlak, die aangeeft dat de setup-parameters op de juiste manier werden gekozen voor dit geval.

Figuur 5 toont de tijd-gemiddeld PIV-resultaten in de cross-secties van het streamwise en spanwise. Voordat deze metingen worden uitgevoerd, verloopt de betere rook flow visualisatie ter identificatie van de primaire vortex kern positie, volgt 2.1.1 - 2.1.3. De coördinaten in Figuur 5 worden genormaliseerd door de delta vleugel snaar lengte c en de lokale semispan lengte SL. De vorticiteit Equation 4 is genormaliseerd als ω * = ωU∞/c. Volgens dit resultaat, de kern van de primaire vortex kan gemakkelijk worden geïdentificeerd door de flexie-lijn van de positieve en negatieve vorticities en het wordt gekenmerkt door de zwarte stippellijn. In de bovenste en de onderste regio's tonen de glooiende schuintrekken lagen grote vorticities. De λci criterium24,25 wordt gebruikt voor het identificeren van de wervelingen van PIV meting. In Figuur 5illustreren de ononderbroken lijnen de regio met een lokale wervelende kracht lager is dan nul, hetgeen betekent het bestaan van wervelingen. In de buurt van de kern, de substructuren worden uitgerekt en worden niet weergegeven in de wervelende kracht contour. Echter suggereert de geconcentreerde vorticiteit contour nog de substructuren hier, gekenmerkt door de witte gestippelde lijn. In Figuur 5b, de snelheid vector kaart duidelijk laat zien dat de stroom aan elke kant, op de voorrand scheidt en vormt een sterke schuintrekken laag, die later in de kern van de LEV rolt. Aanvulling op de structuur van de stroom in de streamwise doorsnede, de spanwise stroom-structuur toont duidelijk aan de evolutie van de buitenste vortical substructuren.

Figure 1
Figuur 1: schema van opstellingen. (a) de delta vleugel model; (b-d) opstellingen voor PIV metingen in de lengterichting doorsnede, de spanwise doorsnede en de dwarse doorsnede, respectievelijk. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: meting van de LEV verdeling locatie. (a) een rook stroom visualisatie resultaat waarin de toonaangevende vortex-structuur weergegeven in de dwarse doorsnede: α = 34 ° en Re = 50.000 belonen; het gemarkeerde gebied wordt gedraaid en verder verwerkt. (b) de binaire image van het gemarkeerde gebied in (a), waaruit duidelijk blijkt de LEV kern en de verdeling. (c) de som van elke kolom in de binaire image (b) en de geïdentificeerde LEV verdeling locatie in de streamwise richting (x-richting), genormaliseerd door de snaar lengte c. (d) de tijd geschiedenissen van de LEV verdeling locaties. Equation 5 is de tijd gemiddeld positie en Equation 6 is de onmiddellijke afstand tot de positie van tijd-gemiddeld. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: de toonaangevende vortex-structuur in de lengterichting doorsnede op α = 34 ° en Re = 75.000, verkregen uit de rook stroom visualisatie. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: Particle beelden in een regio van 64 x 64 pixel. De overeenkomstige ondervraging oppervlakte bedraagt 32 x 32 pixels. Het tijdsinterval tussen de Frames A en B is 80 microseconden. De geïdentificeerde deeltjes in het oorspronkelijke ondervraging gebied zijn gemarkeerd met gele cirkels. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: tijd-gemiddeld PIV resultaten. (een) dimensieloze vorticiteit ω * contour met ononderbroken lijnen markering die de regio's met lokale wervelende kracht lager is dan nul in de lengterichting doorsnede. (b) Dimensionless vorticiteit ω * contour met snelheid vectoren in de spanwise dwarsdoorsnede bij x = 0.4c; coördinaten worden genormaliseerd door de lokale semispan lengte SL (α = 34 ° en Re = 50.000). Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Dit artikel presenteert de twee stroom visualisatie methoden, de betere rook flow visualisatie en de PIV meting, om te onderzoeken van stroom structuur over de delta vleugel, kwalitatief en kwantitatief. De algemene procedures van het experiment worden stap voor stap beschreven. De opstellingen van deze twee methoden zijn bijna hetzelfde, terwijl de betrokken apparaten verschillend zijn. Het basisprincipe van deze twee stromen visualisatie methoden is voor het verlichten van de deeltjes in de stroom via de laser-blad. De betere rook flow visualisatie kan de globale stroom structuur en kleine lokale structuren verkrijgen op hetzelfde moment, die nuttig is voor het verkrijgen van een overzicht van de structuur van een onbekende stroom. De kwantitatieve analyse van de PIV biedt een gedetailleerde vector kaart van de interessante gebied van stroom. Zo kan combineren deze stroom visualisatie methoden aanzienlijk efficiënter onderzoek.

In vergelijking met normale rook draad stroom visualisatie, wordt de rook visualisatie-waardemethode hier gedemonstreerd vrij efficiënt uitgevoerd. Omdat de deeltjes gelijkmatig zijn verdeeld, zijn kleine stroom structuren gemakkelijk geïdentificeerd. In een complexe driedimensionale stroom kan met deze methode het blad van de laser te richten op een ruimtelijke positie te observeren de stroom velden in verschillende dwarsdoorsneden, overwegende dat in de traditionele rook draad-methode, het blad van de laser moet altijd worden afgestemd op de rook richting en het kijkvenster is dienovereenkomstig beperkt26. Bovendien, mag deze verbeterde methode niet missen alle details van de stroom veroorzaakt door het ontbreken van de rook in sommige regio's tijdens een experiment rook draad. Echter, deze methode zou niet geschikt voor open-loop windtunnel voorzieningen als gevolg hoe zaaien wordt uitgevoerd. Stroom visualisatie gegevens moeten zorgvuldig worden geanalyseerd om te vermijden van de valkuilen van denkbeeldige illuminations3,27.

Omdat het veld van de stroom over de delta vleugel zeer driedimensionale en gevoelig voor verstoringen is, zijn niet-invasief onderzoek21aanbevolen. Voor metingen in de vliegtuigen is het essentieel dat het onderdeel van de orthogonale snelheid op de observatie vliegtuig tijdens PIV meting28,29. Het tijdsinterval tussen twee frames en de laser plaatdikte moet in dit geval een compromis met de orthogonale snelheid om ervoor te zorgen dat de meeste van de deeltjes niet uit het blad van de laser bewegen zich. Voor soortgelijke metingen, wordt voorgesteld om een aantal gevallen worden uitgevoerd met verschillende setup-parameters op voorhand te identificeren van de meest geschikte ones.

De stroom visualisatie methoden die worden beschreven in dit document zijn handige, efficiënte en goedkope. In de toekomst deze technieken worden toegepast op complexe stroom velden met actieve datatransportbesturing, zoals bluff lichaam Sleep vermindering en vortex-structuur interactie, besturingselement effecten snel evalueren, begrijpen van controlemechanismen en versnellen de optimalisatie van controleparameters.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs bedank Hong Kong subsidies Onderzoeksraad (nr. GRF526913), Hong Kong-innovatie en technologie Commissie (nr. ITS/334/15FP), en het ons kantoor van Naval Research Global (nr. N00014-16-1-2161) voor financiële steun.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
532 nm Nd:YAG laser Quantel Laser Evergreen 600mJ
High speed camera Dantec Dynamic HiSense 4M
camera lens Tamron SP AF180mm F/3.5 Di
PIV recording and processing software Dantec Dynamic DynamicStudio
cylindrical lens Newport Φ=12 mm
convex lens Newport f=700 mm
neutral density filter Newport
Calibration target custom made
aerosol generator TSI TSI 9307-6
PULSE GENERATOR Berkeley Nucleonics Corp BNC 575
continuous laser APGL-FN-532-1W
Digital camera Nikon Nikon D5200
Image processing Matlab custom code
wind tunnel support custom made
laser level BOSCH GLL3-15X
angle meter BOSCH GAM220

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Smits, A. J. Flow visualization: Techniques and examples. , World Scientific. (2012).
  2. Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. Low-speed wind tunnel testing. , Wiley. New York. (1999).
  3. Merzkirch, W. Flow visualization. , Academic Press. (1987).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows. Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).
  6. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
  7. Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
  8. Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
  9. Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
  10. Payne, F. M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing. AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).
  11. Lowson, M. V. The three dimensional vortex sheet structure on delta wings. Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).
  12. Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
  13. Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
  14. Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing. AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).
  15. Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
  16. Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
  17. Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
  18. Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
  19. Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., Délery, J. Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location. AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).
  20. Shen, L., Wen, C. -y, Chen, H. -A. Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators. AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).
  21. Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
  22. Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
  23. Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
  24. Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
  25. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
  26. Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
  27. Greenwell, D. I. RTO AVT Symposium. , Leon, Norway. RTO-MP-069(I) (2001).
  28. Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
  29. Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. 3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing. Exp Fluids. 57 (6), (2016).

Tags

Engineering kwestie 134 Delta vleugel roken Flow Visualization Leading Edge Vortex Vortex verdeling Vortex-interstadiaal Particle Image Velocimetry
Experimentele onderzoek van de structuur van de stroom over een Delta vleugel Via stroom visualisatie methoden
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C.… More

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C. Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods. J. Vis. Exp. (134), e57244, doi:10.3791/57244 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter