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

Les avions militaires volent à des vitesses incroyables qui dépassent la vitesse du son, appelées vitesses supersoniques. Lorsque nous décrivons des vitesses supersoniques, nous utilisons le nombre de 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 transsonique. Au-dessus de Mach 1,2, la vitesse est supersonique.

Regardons 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 de Mach de 0,3, les effets de compressibilité de l’air doivent être pris en compte, car à ces vitesses élevées, l’air présente des changements de densité importants. Lorsque la vitesse d’écoulement entrant 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 qui se propage de manière extrêmement mince, où se produisent des changements brusques des propriétés d’écoulement, comme la pression, la température et la densité. Un ventilateur d’expansion se compose d’un nombre infini d’ondes et est causé lorsque l’écoulement 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 des ventilateurs d’onde de choc et d’expansion, ils peuvent être visualisés à l’aide d’une technique de visualisation de l’écoulement basée sur la densité, appelée imagerie Schlieren.

La méthode de Schlieren repose sur l’indice de réfraction, qui est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide et sa vitesse dans un milieu spécifique. La variation de l’indice de réfraction est proportionnelle à la variation de la 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 l’imagerie Schlieren, une source lumineuse collimatée brille sur le corps et la variation de l’indice de réfraction déforme le faisceau lumineux. Afin de visualiser la déviation, un tranchant est placé dans le 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 de haute et de basse intensité lumineuse, qui cartographie les zones de haute et de faible densité d’air, ce qui nous permet de visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d’expansion.

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

Cette expérience utilise un système de Schlieren pour imager les ondes de choc générées par une soufflerie supersonique autour d’une empreinte de 15 ? Modèle à cône demi-angle. Le système de Schlieren utilisé dans cette expérience est configuré comme indiqué.

Tout d’abord, activez les tours de séchage pour déshydrater l’air. Cela évitera la formation de glace due aux baisses de température locales dans la section d’essai. Ensuite, ouvrez la section de texte et sécurisez le 15 ? Modèle à cône demi-angle à la structure de support à l’intérieur. Vérifiez la section du test pour vous assurer qu’elle est exempte de débris et de tout autre objet. Fermez ensuite la section de test.

Assurez-vous que la vanne 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 manuellement. Maintenant, allumez le contrôleur de la vanne à grande vitesse.

Pour configurer le système d’imagerie Schlieren, allumez d’abord la lumière et le ventilateur de refroidissement. Placez ensuite une feuille de papier sur le côté opposé de la section de test par rapport à la source lumineuse. Alignez le premier miroir concave pour permettre à la lumière de passer à travers la section de test et vérifiez que la lumière frappe le papier. Ensuite, positionnez un écran de projection à l’endroit où l’image est formée.

Maintenant, ajustez le deuxième miroir concave de sorte que la lumière traversant la section de test soit réfléchie sur l’écran de projection. Ajustez le tranchant du couteau de manière à ce qu’il soit au point focal du deuxième miroir. Ensuite, ajustez l’ouverture du couteau pour obtenir la qualité d’image souhaitée.

Pour enregistrer l’image projetée, placez une caméra sur un trépied qui fait face à l’écran. Pour enregistrer directement sur le capteur de l’appareil photo, placez l’appareil photo devant l’ouverture du tranchant du couteau. Maintenant que l’appareil est installé, lançons l’expérience.

Tout d’abord, mettez la protection auditive appropriée, puis assurez-vous que personne ne se trouve à proximité de l’évacuation d’air à l’extérieur du bâtiment. Commencez par ouvrir l’alimentation en air du contrôleur de vanne rapide. Ensuite, ouvrez la vanne principale, qui laisse entrer l’air dans le système. Maintenant, éteignez les lumières de la pièce afin que l’image projetée soit plus facile à voir. Ensuite, activez la soufflerie en appuyant sur le bouton vert situé à côté du contrôleur, ce qui ouvre la valve rapide.

Observez l’image de Schlieren de l’écoulement de Mach 2.0 sur le modèle à cône. Lorsque vous avez terminé, éteignez la soufflerie en fermant les vannes dans l’ordre inverse, puis éteignez le contrôleur. Attendez que l’appareil ait fini de libérer de l’air avant de retirer votre protection auditive.

Jetons maintenant un coup d’œil à l’image acquise à l’aide de la configuration Schlieren. Le modèle utilisé dans cette expérience était un cône avec un demi-angle de 15°, et il a été soumis à un écoulement supersonique à Mach 2,0. On peut observer la présence d’une onde de choc, comme on le voit ici.

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

De plus, la technique de Schlieren permet de visualiser les ventilateurs d’expansion sur le cône. Le ventilateur d’expansion est un processus d’expansion attendu qui se produit lorsque l’écoulement supersonique tourne autour d’un angle convexe.

En résumé, nous avons appris comment la méthode Schlieren utilise les changements d’indice de réfraction pour visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d’expansion dans l’écoulement 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 de Mach 2,0 sur un cône.