Investigación experimental de la estructura de flujo sobre un Ala Delta por medio de métodos de visualización de flujo

El objetivo general de este experimento es observar los flujos de vórtices inestables sobre un ala delta utilizando técnicas de visualización e investigar el mecanismo responsable de las oscilaciones de las ubicaciones de ruptura del vórtice del borde de ataque. Este método puede ayudar a responder preguntas clave sobre el fenómeno de flujo inestable de un ala delta cilíndrica, como la oscilación del borde delantero de la ubicación de la ruptura del vértice. La principal ventaja de esta técnica es que el campo de flujo de vórtice del borde de ataque global a gran escala y las subestructuras celulares a pequeña escala se pueden ilustrar simultáneamente.

Comience con el modelo del experimento. Para este experimento, el modelo es un ala delta de aluminio de 280 milímetros de largo. Lleve el modelo a montarlo en el túnel de viento, que es de circuito cerrado y baja velocidad.

Su sección de prueba tiene paredes de vidrio para permitir el acceso óptico al experimento. Aquí, el ala delta se ha montado correctamente en el túnel de viento. Dos láseres pueden iluminar las estructuras de flujo, un láser de doble pulso de 532 nanómetros durante la velocimetría de imágenes de partículas o un láser de onda continua de 532 nanómetros durante la visualización del flujo de humo.

Este esquema proporciona información sobre la configuración óptica con el láser continuo. Una lente convexa controla el tamaño del rayo láser. Una lente cilíndrica expande el haz a una lámina.

Un espejo refleja la lámina láser en el túnel de viento. Use gafas láser adecuadas y comience con el láser continuo. Por seguridad, reduzca la transmitancia del haz con un filtro de densidad neutra.

Comience con solo el láser, el filtro y el espejo en su lugar. Ajuste el espejo para introducir el haz en el túnel de viento. Asegúrese de que la viga intersecta el modelo a aproximadamente 1/4 de la longitud del modelo detrás de su frente.

A continuación, instale la lente convexa y la lente cilíndrica. Luego, en el modelo, mida la línea láser que lo cruza para verificar el grosor de la lámina láser. Ajuste la lente convexa según sea necesario.

Detenga los ajustes cuando se obtenga el espesor deseado. Coloque una placa de objetivo de calibración en el ala delta con su superficie coincidente con la lámina láser. Con el láser apagado, continúe para configurar la cámara.

Utilice una cámara digital comercial para la visualización del flujo de humo y utilícela manualmente. Coloque la cámara para obtener el campo de visión deseado y enfóquela en la placa objetivo de calibración. Cuando la cámara esté lista, tome varios fotogramas para calibrarlos.

A continuación, retire la placa objetivo de calibración. Encienda el túnel de viento a baja velocidad e inyecte partículas de aceite para asentarlo uniformemente. Para visualizar el flujo de humo, encienda el túnel de viento a la velocidad deseada.

A continuación, encienda el láser continuo sin filtro. En la cámara, capture de cinco a 10 instantáneas de la estructura de flujo. Utilice las imágenes para comprobar que la lámina láser se encuentra en la sección transversal longitudinal del núcleo de los vórtices del borde de ataque.

Esta imagen de ejemplo muestra un núcleo de vórtice claro y subestructuras, lo que indica una lámina láser bien posicionada. Ajuste la configuración de la cámara según sea necesario para mejorar la calidad de la imagen y grabe imágenes y vídeos. Cuando termine, cierre el flujo de aire y acérquese al modelo.

Allí, marque la posición de la lámina láser como referencia para mediciones posteriores. Termine apagando el láser y transfiriendo los datos a la computadora. Esta medición requiere un láser diferente.

Reemplace el láser continuo por el láser pulsado. Con el láser encendido, verifique su trayectoria y, si es necesario, ajuste la lente convexa. Asegúrese de que el haz se cruza con el modelo a lo largo de la línea que marca la posición del láser continuo.

Además, reemplace la cámara digital. En su lugar, sustitúyalo por una cámara CCD de alta velocidad. Controle la cámara con el sincronizador y el láser de doble pulso.

Ahora, vaya al modelo e identifique una región donde se puedan observar las estructuras. Una vez más, coloque una placa de objetivo de calibración en el ala en esa región. Concéntrese en la placa de calibración y tome varias fotos.

Retire la placa de calibración antes de continuar. Inicie el software PIV y configure los parámetros. Inicie el flujo del túnel de viento a la velocidad deseada.

Ajuste el láser a su nivel de potencia más alto. Utilice el software para iniciar la adquisición de datos durante 100 segundos. Si las imágenes adquiridas son aceptables, guárdelas y continúe ejecutando otros casos.

Esta es una imagen procesada de la sección transversal longitudinal a partir de la visualización del flujo de humo. Hay una escala de 10 milímetros como referencia. La imagen revela el núcleo de vórtice primario del borde de ataque, la capa de cizallamiento enrollada con subestructuras de vórtice, la ruptura del vórtice y la estela turbulenta.

Este video muestra las oscilaciones de las ubicaciones de ruptura del vórtice del borde de ataque en las secciones transversales de la transferencia. El análisis de las ubicaciones de ruptura medidas para cada instante indica una fuerte interacción antisimétrica. Este es un resultado de velocimetría de imagen de partículas promediado en el tiempo que muestra la vorticidad adimensional en la sección transversal longitudinal.

El núcleo del vórtice primario se puede identificar por la línea de inflexión de la vorticidad positiva y negativa, marcada por la línea de puntos negra. Las líneas continuas rodean regiones con una intensidad de remolino local inferior a cero, lo que indica vórtices de la capa de cizallamiento. La subestructura adicional está rodeada por líneas punteadas blancas.

Este resultado de vorticidad de velocimetría de imagen de partículas promediado en el tiempo se encuentra en la sección transversal por intervalo. El flujo se separa del borde de ataque, forma una capa de cizallamiento y rueda hacia el núcleo del vórtice a ambos lados del ala. Hay subestructuras de vórtices estacionarias dentro de las capas de cizallamiento.

Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en una hora si se realiza adecuadamente. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo observar el fenómeno de flujo inestable de un ala delta cilíndrica utilizando las técnicas de visualización de flujo mencionadas anteriormente. No olvide que trabajar con láseres puede ser extremadamente peligroso, y siempre se deben tomar precauciones como el uso de gafas de protección láser mientras se realiza cada experimento.