Imagerie Schlieren: Une technique pour visualiser les caractéristiques des écoulements supersoniques

Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

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Schlieren Imaging: A Technique to Visualize Supersonic Flow Features

8.1: Real-time Flight Control: Embedded Sensor Calibration and Data Acquisition

8.4: Cross Cylindrical Flow: Measuring Pressure Distribution and Estimating Drag Coefficients

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07:34 min

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October 13, 2017

Overview

Source : Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, et Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Les chasseurs à réaction militaires et les projectiles peuvent voler à des vitesses incroyables qui dépassent la vitesse du son, ce qui signifie qu’ils voyagent à une vitesse supersonique. La vitesse du son est la vitesse à laquelle une onde sonore se propage à travers un milieu, qui est de 343 m/s. Les nombres de Mach sont utilisés pour évaluer la vitesse de vol d’un objet par rapport à la vitesse du son.

Un objet voyageant à la vitesse du son aurait un nombre mach de 1,0, tandis qu’un objet voyageant plus vite que la vitesse du son a un nombre mach supérieur à 1,0. Les effets de compressibilité de l’air doivent être pris en compte lorsque vous voyagez à de telles vitesses. Un flux est considéré comme compressible lorsque le nombre de Mach est supérieur à 0,3. Dans cette démonstration, le flux supersonique Mach 2.0 sur un cône sera analysé en visualisant la formation d’ondes de choc et d’ondes de compression dans un flux compressible à l’aide d’un système Schlieren.

Principles

Le débit compressible, ou débit à grande vitesse, se produit lorsque les fluides subissent des changements significatifs dans leur densité. Lorsque le flux supersonique passe par un corps, des ondes de choc et des ondes d’expansion se forment autour du corps. Une onde de choc est une région extrêmement mince, de l’ordre de^10-5 m, où les propriétés de débit changent considérablement. Une onde d’expansion se produit lorsque la pression diminue continuellement à travers une onde et que la vitesse d’écoulement augmente.

La méthode d’imagerie schlieren est une technique de visualisation du débit basée sur la densité qui détecte les changements dans l’indice de réfraction d’un fluide, qui est proportionnel aux changements de densité de fluide à travers les ondes de choc ou d’expansion. Cela permet la visualisation des modèles d’ondes de choc et d’expansion dans les champs d’écoulement supersoniques.

Comme le montre la figure 1, un système d’imagerie schlieren convertit les différences de lumière angulaire, qui est causée par le gradient de densité dans le flux, en différences d’intensité lumineuse sur l’écran. Les phénomènes d’écoulement sont visibles par les changements de densité inhérents. Comme le montre la figure 1, la lumière parallèle provient d’une source lumineuse à travers le point focal d’une lentille convexe, L1, et éclaire un champ d’écoulement compressible dans la section d’essai d’une soufflerie supersonique. Après avoir traversé la section d’essai, le rayon lumineux incident converge à travers la lentille L2 à son point focal et se déplace jusqu’à ce qu’il soit projeté sur un écran. Le couteau-bord, K, situé au plan focal de l’objectif L2 est essentiel pour assurer la qualité de l’image sur l’écran. Le blocage d’une partie de la lumière déviée améliore considérablement le contraste de l’image projetée à l’écran. Sans blocage approprié par le bord du couteau, la visibilité de la lumière d’incident déviée à travers la densité variant le fluide sera compromise.

Figure 1 : Un schéma d’un système d’imagerie schlieren montrant la lumière déviée bloquée par le couteau-bord, K, situé au plan focal de la lentille L2.

Le système d’imagerie schlieren utilisé dans cette expérience est montré dans la figure 2, et il s’agit d’une configuration alternative à celle montrée dans la figure 1. La principale différence entre les deux configurations est que la paire de lentilles convexes de la figure 1, alors qu’une paire de lentilles concaves sont utilisées dans la figure 2. Tous les autres composants sont les mêmes.

Figure 2 : Schéma du système d’imagerie schlieren utilisé dans la démonstration.

Procedure

1. Visualiser les ondes de choc à l’aide d’un système d’imagerie schlieren

Activez les tours sèche-linge pour déshydrater l’air. Cela permettra de s’assurer que le flux d’air ne contient pas d’humidité, et empêchera la formation de glace lorsque la température locale dans la section d’essai baisse en raison de l’écoulement supersonique.
Ouvrez la section d’essai et fixez le modèle de cône demi-angle de 15 degrés à la structure de soutien.
Vérifiez si la section d’essai est dégagée des débris ou d’autres objets, puis fermez la section d’essai.
Assurez-vous que la soupape principale pour le contrôle du débit d’air est fermée, puis allumez le compresseur pour pressuriser le réservoir de stockage d’air. Laisser le compresseur atteindre 210 psi avant de l’éteindre.
Allumez le contrôleur pour la soupape à grande vitesse et définiz les paramètres suivants qui sont énumérés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Paramètres de contrôle pour Mach 2 run.

Pl	0	(MV)	25
PV	100	DVL (En)	100
Df	0.25	Kp	1.1
Lc	de	Ti Ti	0.01
RH (RH)	100	Td	0
Rl	0	Rt	1
Pv	—	Bs	0
Cv	—	Δt	1
Sv	17	D/R	emballer le moteur
Mv	-25	Vd	emballer le moteur
mode	un	MVF (en anglais)	-25
Mh	100	Ph	100
ml	0

Allumez le ventilateur de lumière et de refroidissement du système d’imagerie schlieren.
Placez un morceau de papier sur le côté opposé de la section de texte de la source lumineuse.
Alignez le premier miroir concave pour permettre à la lumière de passer à travers la section d’essai. Vérifiez que la lumière frappe le papier.
Ajustez le deuxième miroir concave de sorte que la lumière qui passe à travers la section de test soit réfléchie sur un écran de projection.
Ajustez le bord du couteau de sorte qu’il soit au point focal du deuxième miroir. Et ajuster l’ouverture du couteau-bord pour atteindre la qualité d’image désirée.
Placez une caméra sur un trépied directement devant l’ouverture à la pointe du couteau pour enregistrer l’image projetée.
Mettez la protection auditive appropriée et vérifiez que personne n’est près de l’échappement d’air situé à l’extérieur du bâtiment.
Ouvrez l’alimentation en air au contrôleur à soupape rapide, puis ouvrez la soupape principale qui laisse entrer l’air dans le système.
Éteignez la lumière dans la pièce pour que l’image projetée soit plus facile à voir.
Activez la soufflerie.
Observez l’image schlieren du flux Mach 2 sur le modèle de cône.
Éteignez la soufflerie en fermant les vannes dans l’ordre inverse. Puis éteignez le contrôleur.
Attendez que tout l’air ait été libéré de l’appareil avant de retirer votre protection auditive.

Les jets militaires volent à des vitesses incroyables qui dépassent la vitesse du son, appelée vitesses supersoniques. Lorsque nous décrivons les vitesses supersoniques, nous utilisons le nombre Mach pour évaluer cette vitesse par rapport à la vitesse du son. À un nombre de Mach supérieur à 0,8, mais inférieur à 1,2, la vitesse est transisonnique. Au-dessus de Mach 1.2, la vitesse est supersonique.

Examinons de plus près ce qui se passe à ces vitesses élevées en analysant le flux d’air autour d’un corps en forme de cône. Au-dessus d’un nombre mach de 0,3, les effets de compressibilité de l’air doivent être considérés, parce qu’à ces vitesses élevées l’air a des changements significatifs de densité. Lorsque la vitesse d’écoulement entrante est supérieure à Mach 1.0, une onde de choc oblique se forme à partir du nez du cône ou du coin, et des ventilateurs d’expansion se forment autour du corps en mouvement.

Une onde de choc est une perturbation de propagation extrêmement mince, où des changements brusques dans les propriétés d’écoulement, comme la pression, la température et la densité, se produisent. Un ventilateur d’expansion se compose d’un nombre infini d’ondes et est causée lorsque le flux supersonique tourne autour d’un coin convexe. La pression, la densité et la température diminuent continuellement à travers le ventilateur d’expansion, tandis que la vitesse augmente. Étant donné que la densité de l’air change considérablement au sein de l’onde de choc et des ventilateurs d’expansion, ils peuvent être visualisés à l’aide d’une technique de visualisation du débit basée sur la densité, appelée Schlieren Imaging.

La méthode Schlieren repose sur l’indice de réfraction, qui est le rapport de la vitesse de la lumière dans un vide, à sa vitesse dans un milieu spécifique. La variation de l’indice de réfraction est proportionnelle à la variation de densité. Ainsi, à mesure que la densité de l’air change dans l’onde de choc et le ventilateur d’expansion, l’indice de réfraction change également.

Dans Schlieren Imaging, une source lumineuse collimated brille sur le corps, et la variation de l’indice de réfraction déforme le faisceau lumineux. Afin de visualiser la déviation, un couteau-bord est placé au plan focal de la lumière transmise, bloquant ainsi une partie de la lumière déviée, et améliorant le contraste de l’image projetée à l’écran. Il en résulte une image d’intensité lumineuse élevée et faible, qui cartographie les zones de haute et faible densité d’air, nous permettant ainsi de visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d’expansion.

Dans cette expérience, nous allons démontrer l’utilisation d’un système d’imagerie Schlieren pour visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d’expansion formés par Mach 2 flux d’air sur un cône.

Cette expérience utilise un système Schlieren pour imager les ondes de choc générées par une soufflerie supersonique autour d’un modèle de cône demi-angle de 15 degrés. Le système Schlieren utilisé dans cette expérience est mis en place comme indiqué.

Tout d’abord, activez les tours sèches pour déshydrater l’air. Cela permettra d’éviter la formation de glace en raison des baisses de température locales dans la section d’essai. Ensuite, ouvrez la section de texte et fixez le modèle de cône demi-angle de 15 degrés à la structure de soutien à l’intérieur. Vérifiez la section d’essai pour vous assurer qu’elle est dégagée des débris et des autres objets. Fermez ensuite la section de test.

Assurez-vous que la soupape principale pour le contrôle du débit d’air est fermée, puis allumez le compresseur pour pressuriser le réservoir de stockage d’air, et laissez le réservoir atteindre 210 psi. Si le compresseur ne s’éteint pas automatiquement lorsque la pression est atteinte, éteignez le compresseur manuellement. Maintenant, allumez le contrôleur pour la soupape à grande vitesse.

Pour configurer le système d’imagerie Schlieren, activez d’abord le ventilateur de lumière et de refroidissement. Placez ensuite un morceau de papier sur le côté opposé de la section d’essai à partir de la source lumineuse. Alignez le premier miroir concave pour permettre à la lumière de passer à travers la section d’essai, et vérifiez que la lumière frappe le papier. Ensuite, placez un écran de projection où l’image est formée.

Maintenant, ajustez le deuxième miroir concave de sorte que la lumière passant par la section de test est reflétée sur l’écran de projection. Ajustez le bord du couteau de sorte qu’il soit au point focal du deuxième miroir. Ensuite, ajustez l’ouverture à la pointe du couteau pour obtenir la qualité d’image désirée.

Pour enregistrer l’image projetée, installez une caméra sur un trépied qui fait face à l’écran. Pour enregistrer directement sur le capteur de la caméra, placez la caméra devant l’ouverture du couteau bord. Maintenant que l’appareil est mis en place, nous allons exécuter l’expérience.

Tout d’abord, mettez la protection auditive appropriée, puis assurez-vous que personne n’est près de l’échappement d’air à l’extérieur du bâtiment. Commencez par ouvrir l’alimentation en air au contrôleur de soupape rapide. Ensuite, ouvrez la soupape principale, qui laisse entrer l’air dans le système. Maintenant, éteignez les lumières dans la pièce de sorte que l’image projetée est plus facile à voir. Ensuite, activez la soufflerie en appuyant sur le bouton vert situé à côté du contrôleur, qui ouvre la soupape rapide.

Observez l’image Schlieren du flux Mach 2.0 sur le modèle de cône. Une fois terminé, éteignez la soufflerie en fermant les vannes dans l’ordre inverse, puis éteignez le contrôleur. Attendez que l’appareil soit terminé en libérant de l’air avant de retirer votre protection auditive.

Maintenant, jetons un oeil à l’image acquise en utilisant la configuration Schlieren. Le modèle utilisé dans cette expérience était un cône avec un demi-angle de 15 degrés, et il a été soumis à un flux supersonique à Mach 2.0. Nous pouvons observer la présence d’une onde de choc, comme le montre ici.

Théoriquement, un choc oblique devrait se former à la surface du cône, à un angle de 33,9 degrés. La valeur oblique de l’angle de choc est obtenue à partir de l’équation Taylor-Maccoll, qui doit être résolue numériquement. L’angle expérimental mesuré était de 33,6 degrés, soit une erreur de moins de 1 %, par rapport aux données théoriques.

En outre, la technique Schlieren permet la visualisation des ventilateurs d’expansion sur le cône. Le ventilateur d’expansion est un processus d’expansion attendu qui se produit lorsque le flux supersonique tourne autour d’un angle convexe.

En résumé, nous avons appris comment la méthode Schlieren utilise les changements dans l’indice de réfraction pour visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d’expansion dans le flux supersonique. Nous avons ensuite utilisé la technique d’imagerie pour visualiser les modèles d’ondes de choc et d’expansion dans le champ d’écoulement Mach 2.0 au-dessus d’un cône.

Results

Dans cette démonstration, un cône avec un demi-angle de 15 degrés a été soumis à un flux supersonique à Mach 2.0. Dans la figure 3, on observe un sillage de choc et un ventilateur d’expansion au-dessus du cône. Théoriquement, un choc oblique devrait se former à la surface du cône à un angle de 33,9 degrés. L’angle expérimental a été mesuré à 33,6 degrés, comme le montre la ligne rouge de la figure 3B. Par rapport aux données théoriques, l’erreur en pourcentage s’est avérée inférieure à 1 %. En outre, cette méthode de visualisation du débit a été en mesure de montrer le ventilateur d’expansion sur le bord de fuite du modèle.

Figure 3 : L’image de Schlieren de Mach 2 coule sur un cône de demi-angle de 15 degrés. A) Image originale. B) Caractéristiques mises en évidence affichant une onde de choc au bord d’attaque et ventilateur d’expansion au bord de fuite.

Applications and Summary

La technique d’imagerie schlieren est une technique classique de visualisation du flux optique basée sur les changements de densité dans le fluide. Il s’agit d’un système simple construit avec des miroirs concaves, un couteau-bord, et une source de lumière. Avec ce système, les caractéristiques de flux supersonique, telles que les ondes de choc et les ondes d’expansion, peuvent être visualisées. Cette technique, cependant, a des limites de sensibilité aux flux à basse vitesse.

La méthode d’imagerie schlieren peut être utilisée pour une variété d’applications, en particulier dans l’étude de la mécanique des fluides et la visualisation de la turbulence. L’imagerie de Schlieren fournit des informations précieuses sur la distribution spatiale des structures d’écoulement compliquées dans le flux compressible et turbulent et dans les vols d’essai.

Cette technique a également été utilisée dans la photographie air-air d’avions supersoniques, ce qui implique l’utilisation du soleil et/ou de la lune comme source de lumière et le sol du désert comme surface de projection pour visualiser les ondes de choc. En règle générale, les superordinateurs et les essais en soufflerie sont utilisés pour prédire la formation, la propagation et la fusion des ondes de choc sur un aéronef. Pour améliorer la qualité de ces prédictions, une base de données de mesures de boom sonore sont recueillies à différentes vitesses et altitudes. Cette technique permet la visualisation du flux supersonique d’un avion grandeur nature, plutôt qu’un modèle réduit.

Cette technique peut également être adaptée aux scramjets. Les Scramjets sont des moteurs à respiration aérienne qui dépendent de la vitesse pure d’un aéronef pour comprimer l’air dans le moteur avant la combustion. La visualisation focusing-schlieren est capable de montrer des jets de carburant, des structures turbulentes de mélange, et des ondes de choc à l’intérieur du moteur de scramjet.

nom	compagnie	Numéro de catalogue	Commentaires
équipement
Soufflerie supersonique	Sdsu		Numéros mach opérationnels (1; 2; 3; 4,5)
Soufflerie supersonique	Sdsu		Section d’essai 6″x6″x10″
Système Schlieren	Sdsu
Modèle de cône	Sdsu		Demi-angle de 15 degrés.
Compresseur d’air réciproculant de commode.
Séchoir à air.	Oriad Oriad		Chaque tour prend 4 heures à sécher.
Grand réservoir de récepteur d’air.
Valve de commande de 6 pouces.			La valve est alimentée par pneumatique et contrôlée électriquement.
Contrôleur de boucle de processus EC-321.	Toshiba
Émetteur de pression.	Rosemount

Transcript

Military jets fly at incredible speeds that exceed the speed of sound, called supersonic speeds. When describing supersonic speeds, we use Mach number to gauge that speed relative to the speed of sound. At a Mach number greater than 0.8, but less than 1.2, the speed is transonic. Above Mach 1.2, the speed is supersonic.

Let’s take a closer look at what is happening at these high speeds by analyzing air flow around a cone-shaped body. Above a Mach number of 0.3, the compressibility effects of air must be considered, because at these high speeds air has significant density changes. When the incoming flow speed is above Mach 1.0, an oblique shock wave forms from the nose of the cone or wedge, and expansion fans form around the moving body.

A shock wave is an extremely thin propagating disturbance, where abrupt changes in flow properties, like pressure, temperature, and density, occur. An expansion fan consists of an infinite number of waves and is caused when supersonic flow turns around a convex corner. The pressure, density, and temperature decrease continuously across the expansion fan, while the velocity increases. Since the density of air changes significantly within the shock wave and expansion fans, they can be visualized using a density-based flow visualization technique, called Schlieren Imaging.

The Schlieren method relies on refractive index, which is the ratio of light’s velocity in a vacuum, to its velocity within a specific medium. The change in refractive index is proportional to the change in density. Thus, as the density of air changes in the shock wave and expansion fan, so does the refractive index.

In Schlieren Imaging, a collimated light source shines on the body, and the variation in refractive index distorts the light beam. In order to visualize the deflection, a knife-edge is placed at the focal plane of the transmitted light, thus, blocking some of the deflected light, and enhancing the contrast of the projected image on screen. This results in an image of high and low light intensity, which maps the areas of high and low air density, thus enabling us to visualize the shock waves and expansion fans.

In this experiment, we will demonstrate the use of a Schlieren Imaging system to visualize the shock waves and expansion fans formed by Mach 2 air flow over a cone.

This experiment utilizes a Schlieren system to image shock waves generated by a supersonic wind tunnel around a 15° half-angle cone model. The Schlieren system used in this experiment is set up as shown.

First, activate the dryer towers to dehydrate the air. This will prevent ice formation due to local temperature drops in the test section. Then, open the text section, and secure the 15° half-angle cone model to the support structure inside. Check the test section to make sure it is clear of debris and any other objects. Then close the test section.

Make sure the main valve for the air flow control is closed, then turn on the compressor to pressurize the air storage tank, and let the tank reach 210 psi. If the compressor does not automatically shut off when pressure is reached, turn off the compressor manually. Now, turn on the controller for the high-speed valve.

To set up the Schlieren Imaging system, first turn on the light and cooling fan. Then place a piece of paper on the opposite side of the test section from the light source. Align the first concave mirror to allow light to pass through the test section, and check that the light hits the paper. Then, position a projecting screen where the image is formed.

Now, adjust the second concave mirror so that light passing through the test section is reflected onto the projecting screen. Adjust the knife-edge so that it is at the focal point of the second mirror. Then, adjust the knife-edge aperture to achieve the desired image quality.

To record the projected image, set a camera on a tripod that faces the screen. To record directly on the camera sensor, position the camera in front of the knife edge aperture. Now that the apparatus is set up, let’s run the experiment.

First, put on the appropriate hearing protection, then make sure that no one is near the air exhaust outside of the building. Start by opening the air supply to the fast valve controller. Then, open the main valve, which lets air into the system. Now, turn off the lights in the room so that the projected image is easier to see. Then, activate the wind tunnel by pushing the green button located next to the controller, which opens the fast valve.

Observe the Schlieren Image of the Mach 2.0 flow over the cone model. When finished, turn off the wind tunnel by closing the valves in reverse order, and then turning off the controller. Wait until the apparatus is done releasing air before removing your hearing protection.

Now, let’s take a look at the image acquired using the Schlieren setup. The model used in this experiment was a cone with a half angle of 15°, and it was subjected to supersonic flow at Mach 2.0. We can observe the presence of a shockwave, as shown here.

Theoretically, an oblique shock should form at the cone surface, at an angle of 33.9°. The oblique shock angle value is obtained from the Taylor-Maccoll Equation, which must be solved numerically. The experimental angle measured was 33.6°, a percent error of less than 1%, as compared to the theoretical data.

In addition, the Schlieren technique enables the visualization of expansion fans over the cone. The expansion fan is an expected expansion process that occurs when supersonic flow turns around a convex angle.

In summary, we learned how the Schlieren Method uses changes in refractive index to visualize shock waves and expansion fans in supersonic flow. We then utilized the imaging technique to visualize the shock and expansion wave patterns in the Mach 2.0 flow field over a cone.

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