Fotografías de Schlieren: Una técnica para visualizar las características del flujo supersónico

Los aviones militares vuelan a velocidades increíbles que superan la velocidad del sonido, llamadas velocidades supersónicas. Al describir las velocidades supersónicas, usamos el número de Mach para medir esa velocidad en relación con la velocidad del sonido. A un número de Mach mayor que 0,8, pero menor que 1,2, la velocidad es transónica. Por encima de Mach 1,2, la velocidad es supersónica.

Echemos un vistazo más de cerca a lo que está sucediendo a estas altas velocidades analizando el flujo de aire alrededor de un cuerpo en forma de cono. Por encima de un número de Mach de 0,3, se deben considerar los efectos de compresibilidad del aire, porque a estas altas velocidades el aire tiene cambios de densidad significativos. Cuando la velocidad del flujo entrante está por encima de Mach 1.0, se forma una onda de choque oblicua desde la nariz del cono o cuña, y se forman ventiladores de expansión alrededor del cuerpo en movimiento.

Una onda de choque es una perturbación de propagación extremadamente delgada, donde ocurren cambios abruptos en las propiedades del flujo, como la presión, la temperatura y la densidad. Un ventilador de expansión consta de un número infinito de ondas y se produce cuando el flujo supersónico gira alrededor de una esquina convexa. La presión, la densidad y la temperatura disminuyen continuamente a través del ventilador de expansión, mientras que la velocidad aumenta. Dado que la densidad del aire cambia significativamente dentro de los ventiladores de onda de choque y expansión, se pueden visualizar utilizando una técnica de visualización de flujo basada en la densidad, llamada Schlieren Imaging.

El método de Schlieren se basa en el índice de refracción, que es la relación entre la velocidad de la luz en el vacío y su velocidad dentro de un medio específico. El cambio en el índice de refracción es proporcional al cambio en la densidad. Por lo tanto, a medida que la densidad del aire cambia en la onda de choque y el ventilador de expansión, también lo hace el índice de refracción.

En Schlieren Imaging, una fuente de luz colimada brilla sobre el cuerpo y la variación en el índice de refracción distorsiona el haz de luz. Para visualizar la desviación, se coloca un filo de cuchillo en el plano focal de la luz transmitida, bloqueando así parte de la luz desviada y mejorando el contraste de la imagen proyectada en la pantalla. Esto da como resultado una imagen de alta y baja intensidad de luz, que mapea las áreas de alta y baja densidad de aire, lo que nos permite visualizar las ondas de choque y los ventiladores de expansión.

En este experimento, demostraremos el uso de un sistema de imágenes Schlieren para visualizar las ondas de choque y los ventiladores de expansión formados por el flujo de aire de Mach 2 sobre un cono.

Este experimento utiliza un sistema Schlieren para obtener imágenes de ondas de choque generadas por un túnel de viento supersónico alrededor de un túnel de viento de 15? Modelo de cono de medio ángulo. El sistema de Schlieren utilizado en este experimento se configura como se muestra.

Primero, activa las torres de secado para deshidratar el aire. Esto evitará la formación de hielo debido a las caídas de temperatura locales en la sección de prueba. Luego, abra la sección de texto y asegure el 15? modelo de cono de medio ángulo a la estructura de soporte en el interior. Revise la sección de prueba para asegurarse de que esté libre de escombros y cualquier otro objeto. A continuación, cierre la sección de prueba.

Asegúrese de que la válvula principal para el control del flujo de aire esté cerrada, luego encienda el compresor para presurizar el tanque de almacenamiento de aire y deje que el tanque alcance los 210 psi. Si el compresor no se apaga automáticamente cuando se alcanza la presión, apague el compresor manualmente. Ahora, encienda el controlador de la válvula de alta velocidad.

Para configurar el sistema Schlieren Imaging, primero encienda la luz y el ventilador de refrigeración. A continuación, coloque un trozo de papel en el lado opuesto de la sección de prueba de la fuente de luz. Alinee el primer espejo cóncavo para permitir que la luz pase a través de la sección de prueba y verifique que la luz incida en el papel. A continuación, coloque una pantalla de proyección en el lugar donde se forma la imagen.

Ahora, ajuste el segundo espejo cóncavo para que la luz que pasa a través de la sección de prueba se refleje en la pantalla de proyección. Ajuste el filo de la cuchilla para que esté en el punto focal del segundo espejo. A continuación, ajuste la apertura del filo de la cuchilla para conseguir la calidad de imagen deseada.

Para grabar la imagen proyectada, coloque una cámara en un trípode orientado hacia la pantalla. Para grabar directamente en el sensor de la cámara, coloque la cámara frente a la apertura del borde de la cuchilla. Ahora que el aparato está configurado, ejecutemos el experimento.

Primero, colóquese la protección auditiva adecuada, luego asegúrese de que no haya nadie cerca de la salida de aire fuera del edificio. Comience abriendo el suministro de aire al controlador de válvula rápida. A continuación, abra la válvula principal, que permite que el aire entre en el sistema. Ahora, apague las luces de la habitación para que la imagen proyectada sea más fácil de ver. A continuación, activa el túnel de viento pulsando el botón verde situado junto al mando, que abre la válvula rápida.

Observe la imagen de Schlieren del flujo de Mach 2.0 sobre el modelo de cono. Cuando termine, apague el túnel de viento cerrando las válvulas en orden inverso y, a continuación, apague el controlador. Espere hasta que el aparato termine de liberar aire antes de quitarse la protección auditiva.

Ahora, echemos un vistazo a la imagen adquirida usando la configuración de Schlieren. El modelo utilizado en este experimento fue un cono con un ángulo medio de 15?, y se sometió a un flujo supersónico a Mach 2.0. Podemos observar la presencia de una onda de choque, como se muestra aquí.

Teóricamente, debería formarse un choque oblicuo en la superficie del cono, en un ángulo de 33,9 €. El valor del ángulo de choque oblicuo se obtiene a partir de la ecuación de Taylor-Maccoll, que debe resolverse numéricamente. El ángulo experimental medido fue de 33,6?, un error porcentual de menos del 1%, en comparación con los datos teóricos.

Además, la técnica de Schlieren permite la visualización de los ventiladores de expansión sobre el cono. El ventilador de expansión es un proceso de expansión esperado que ocurre cuando el flujo supersónico gira alrededor de un ángulo convexo.

En resumen, aprendimos cómo el Método Schlieren utiliza los cambios en el índice de refracción para visualizar las ondas de choque y los ventiladores de expansión en el flujo supersónico. Luego utilizamos la técnica de imagen para visualizar los patrones de ondas de choque y expansión en el campo de flujo de Mach 2.0 sobre un cono.