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La visualización del flujo alrededor de una carrocería es fundamental para comprender y cuantificar la estructura del flujo, así como para teorizar el comportamiento del flujo de fluido. Un tipo de visualización de flujo se denomina visualización de flujo superficial, que utiliza un fluido teñido para observar el camino trazado por el flujo de fluido alrededor de un objeto.
La visualización del flujo de tinte implica recubrir el cuerpo de interés con un tinte para observar los patrones de flujo a lo largo de la superficie del cuerpo. El tinte es una mezcla semiviscosa de partículas de tinte fluorescente y aceite. La naturaleza altamente viscosa del aceite ayuda a mantener los patrones de flujo en la superficie del cuerpo. Mientras que el tinte fluorescente nos permite visualizar esos patrones bajo una luz ultravioleta.
Si la imagen se toma con exposición prolongada, el tinte se puede usar para rastrear el camino tomado por una sola partícula de fluido a medida que se mueve en el flujo. A medida que las partículas fluidas marcadas con tinte pasan a través de un punto o área, podemos observar la línea que une todas las partículas teñidas. A esto se le llama línea de rayas.
En el flujo supersónico, estas líneas de rayas se pueden utilizar para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choque y el movimiento del flujo a través de la superficie.
Ahora echemos un vistazo más de cerca al flujo sobre la esfera. El flujo adjunto aparece como líneas de rayas suaves y la dirección de las líneas de rayas nos indica la dirección del flujo en la superficie. La separación de flujo se puede identificar como la región donde el tinte se agrupa y parece más brillante. Esto se debe a que el tinte más allá del punto de separación del flujo no se altera.
En el flujo supersónico, también podemos observar la formación de ondas de choque en la superficie del cuerpo como en las aletas de un misil mostradas por una delgada curva brillante. También podemos utilizar esta técnica para identificar deformidades en una superficie, como lo demuestran las regiones donde se alteran las líneas de rayas.
En este laboratorio, demostraremos la técnica de visualización del flujo de tinte utilizando varios cuerpos diferentes expuestos al flujo supersónico.
Para este experimento, usaremos un túnel de viento supersónico de purga con un rango de número de Mach operativo de 1. 5 a 4. Este túnel de viento tiene una sección de prueba de 6 pulgadas x 4 pulgadas. El número de Mach se varía ajustando la sección del bloque. En otras palabras, cambiando la relación de área de la sección de prueba. Probaremos y observaremos las líneas de rayas alrededor de varios modelos diferentes: una cuña 2D, una cuña 3D, un cono, un cuerpo de nariz roma, una esfera y un misil.
Para comenzar el experimento, mezcla polvo de tinte fluorescente y aceite mineral en un recipiente de plástico. Agregue pequeñas cantidades de aceite mineral al tinte en incrementos, mezclando continuamente hasta que la mezcla sea semiviscosa y no delgada y líquida.
Ahora, monta el aguijón sobre la cámara de pruebas del túnel de viento y asegúralo en su lugar. A continuación, atornille el modelo de cuña 2D en la montura de aguijón. Fije la dirección de la cuña de modo que la superficie de la cuña quede frente a las paredes laterales transparentes de la sección de prueba.
Usa un pincel para aplicar una capa gruesa de tinte a la superficie del modelo, asegurándote de que no haya tanto como para que gotee. A continuación, ajuste la configuración del bloque para alcanzar el número de mach de flujo libre deseado. ¿Ajustar el ángulo de ataque alfa a 0? utilizando un nivel digital.
Ahora, cierre y asegure la puerta de la sección de prueba y haga funcionar el túnel de viento durante 6 s. Ilumina la modelo con una luz ultravioleta durante la carrera para iluminar el tinte. Esto nos permite observar la evolución de los patrones de rayas.
Una vez completada la ejecución, capture una imagen de los patrones de flujo finales. A continuación, ajuste el ángulo de ataque a 12?. Pinta el modelo con tinte como antes y haz funcionar el túnel de viento durante 6 s. Ilumina las líneas de rayas con la luz ultravioleta y captura la imagen con una cámara.
Repita estos pasos para el modelo de cuña 2D a -12?. Ejecute la prueba y capture imágenes de línea de rayas para todos los modelos de acuerdo con la matriz de prueba que se muestra aquí. Cuando se hayan completado todas las pruebas en cada modelo, apague el túnel de viento y desmonte la configuración.
Ahora echemos un vistazo a los resultados comenzando con las líneas de rayas sobre la cuña 2D. En 0?, el patrón de línea de rayas muestra un flujo uniforme en todo el cuerpo, excepto en la región donde hay una deformidad de la superficie en el centro que hace que el flujo se separe. Cuando la cuña tiene un ángulo de 12?, el flujo a lo largo de la superficie se desvía hacia arriba, mientras que el flujo se desvía hacia abajo a -12? ajuste.
Al observar la cuña 3D, podemos ver que el patrón de flujo en el centro del modelo es similar al observado para la cuña 2D en todos los ajustes de ángulo. Sin embargo, el patrón de flujo en los bordes superior e inferior muestra deflexión y se observa el efecto de vórtice de la punta a lo largo de su longitud.
Los patrones de rayas para el cono muestran que para todos los ángulos de ataque, el flujo se curva alrededor del cuerpo. También podemos observar que la separación del flujo se produce al final del cono, como lo indica la región donde se agrupa el tinte.
Para el modelo de nariz roma, observamos un flujo adjunto en todo el cuerpo con un ángulo de ataque de 0?.? A las 11 y -11?, el flujo se curva alrededor del cuerpo siguiendo el contorno de la superficie y se separa a lo largo de la línea donde se fusiona el tinte.
Si bien los patrones de flujo en la parte delantera del modelo de misil son similares a los del cuerpo de nariz roma, las líneas de rayas en las aletas muestran características variadas. A 0?, las líneas de rayas en las aletas superior e inferior muestran un flujo adjunto en la parte delantera de la aleta con una separación gradual que ocurre en un patrón cruzado. También observamos que el flujo se desprende mucho antes en la raíz de las aletas en comparación con las puntas.
Si observamos el tinte coalescente en el borde delantero de la aleta central, podemos ver que los patrones de rayas indican un arco de choque con la forma del choque marcada por el tinte. ¿A las 11? ángulo de ataque, observamos un flujo completamente unido en la aleta inferior pero un flujo separado cerca de la raíz de la aleta superior. ¿Similar al 0? En el caso, la presencia de la aleta central provoca un choque de arco en el borde de ataque de la aleta.
Finalmente, para la esfera, variamos el número de mach en lugar del ángulo de ataque, ya que los patrones de flujo permanecen iguales independientemente del ángulo de deflexión. Podemos ver que a medida que aumenta el número de Mach, el punto de separación se mueve hacia la popa del cuerpo, mostrando una separación de flujo decreciente. Esto se debe al hecho de que los flujos de mayor velocidad tienen más impulso, lo que ayuda al flujo a superar el gradiente de presión adverso sobre la esfera. Esto conduce a un mayor grado de fijación de flujo con un mayor número de mach.
En resumen, aprendimos cómo se pueden usar las líneas de rayas para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choque y el movimiento del flujo a través de una superficie. Luego expusimos varios cuerpos al flujo supersónico en un túnel de viento y observamos las líneas de rayas que se formaron en cada superficie en diferentes ángulos de ataque.
