8.10: Visualisation de l'écoulement de colorants en surface : Une méthode qualitative pour visualiser les lignes de courant dans un écoulement supersonique

1. Observation des lignes de stries dans le flux supersonique
   1. Mélanger la poudre de colorant fluorescent et l'huile minérale dans un bol en plastique. Ajouter de petites quantités d'huile minérale au colorant par incréments, en mélangeant continuellement jusqu'à ce qu'un mélange semi-visqueux soit obtenu. Le mélange ne doit pas être liquide.
   2. Montez la piqûre au-dessus de la chambre d'essai supersonique de soufflerie et verrouillez-la en place. Une soufflerie supersonique avec un 6 en x 4 dans la section d'essai et une gamme de nombre mach en fonctionnement de 1,5 à 4 a été utilisée dans cette démonstration, comme le montre la figure 1. Le nombre mach est varié en ajustant le réglage de bloc (modification du rapport de zone de la section d'essai).
   3. Vissez le modèle de coin 2D sur la monture de piqûre et fixez la direction du coin de telle sorte que la surface de coin fait face aux parois latérales transparentes de la section d'essai de soufflerie. Tous les modèles sont présentés à la figure 2.
   4. Utilisez un pinceau pour appliquer une quantité suffisante du mélange de colorant sur le modèle. Assurez-vous que le colorant ne s'égoutte pas du modèle. Voir La figure 3 pour référence.
   5. Ajustez le réglage de bloc pour le numéro Mach en flux libre souhaité.
   6. Fermez et sécurisez les panneaux de soufflerie.
   7. Exécuter la soufflerie pendant 6 secondes.
   8. Une fois la course terminée, allumez une lumière UV sur le modèle pour éclairer le colorant. Capturez l'image de stries avec un appareil photo.
   9. Ajuster l'angle d'attaque ou le nombre mach selon la matrice d'essai indiquée dans le tableau 1 pour le modèle et les étapes répétées 1.4 - 1.9.
   10. Répéter les étapes 1.3 - 1.9 pour tous les modèles énumérés dans le tableau 1.
   11. Lorsque tous les modèles ont été testés, fermez la soufflerie et démantelez la configuration.

Figure 1. Soufflez la soufflerie supersonique.

Figure 2. Modèles de soufflerie (de gauche à droite) coin 2D, coin 3D, cône, corps émoussé, sphère et missile.

Tableau 1. Matrice d'essai.

Figure 3. Image représentative de colorant fluorescent peint sur le coin 2D.

La visualisation de l’écoulement autour d’un corps automobile est essentielle pour comprendre et quantifier la structure de l’écoulement ainsi que pour théoriser le comportement de l’écoulement des fluides. Un type de visualisation d’écoulement est appelé visualisation d’écoulement de surface, qui utilise un fluide teinté pour observer le chemin tracé par l’écoulement de fluide autour d’un objet.

La visualisation de l’écoulement des colorants consiste à enduire le corps d’intérêt d’un colorant pour observer les modèles d’écoulement le long de la surface du corps. Le colorant est un mélange semi-visqueux de particules de colorant fluorescent et d’huile. La nature très visqueuse de l’huile aide à maintenir les modèles d’écoulement à la surface du corps. Alors que le colorant fluorescent nous permet de visualiser ces motifs sous une lumière UV.

Si l’image est prise avec une exposition prolongée, le colorant peut être utilisé pour suivre le chemin emprunté par une seule particule de fluide lorsqu’elle se déplace dans le flux. Lorsque les particules fluides marquées d’un colorant traversent un point ou une zone, nous pouvons observer la ligne reliant toutes les particules teintées. C’est ce qu’on appelle la streakline.

Dans l’écoulement supersonique, ces lignes striées peuvent être utilisées pour identifier le point de séparation de l’écoulement, la formation du choc et le mouvement de l’écoulement sur la surface.

Regardons maintenant de plus près l’écoulement sur la sphère. L’écoulement attaché apparaît sous forme de traînées lisses et la direction des traînées nous indique la direction de l’écoulement à la surface. La séparation de l’écoulement peut être identifiée comme la région où le colorant s’agglomère et apparaît plus brillant. En effet, le colorant au-delà du point de séparation de l’écoulement n’est pas perturbé.

Dans l’écoulement supersonique, on peut également observer la formation d’ondes de choc à la surface du corps comme sur les ailerons d’un missile représentée par une fine courbe brillante. Nous pouvons également utiliser cette technique pour identifier les déformations d’une surface, comme en témoignent les régions où les lignes de stries sont perturbées.

Dans ce laboratoire, nous ferons la démonstration de la technique de visualisation de l’écoulement des colorants à l’aide de plusieurs corps différents exposés à un écoulement supersonique.

Pour cette expérience, nous utiliserons une soufflerie supersonique avec une plage de nombres de Mach de 1. 5 à 4. Cette soufflerie a une section d’essai de 6 po x 4 po. Le nombre de Mach est modifié en ajustant la section du bloc. En d’autres termes, en modifiant le rapport de surface de la section d’essai. Nous testerons et observerons les lignes de stries autour de plusieurs modèles différents : un coin 2D, un coin 3D, un cône, un corps de nez émoussé, une sphère et un missile.

Pour commencer l’expérience, mélangez de la poudre de colorant fluorescent et de l’huile minérale dans un bol en plastique. Ajoutez de petites quantités d’huile minérale au colorant par incréments en mélangeant continuellement jusqu’à ce que le mélange soit semi-visqueux et non mince et coulant.

Maintenant, montez le dard au-dessus de la chambre d’essai de la soufflerie et verrouillez-le en place. Ensuite, vissez le modèle de coin 2D sur le support de piqûre. Fixez la direction de la cale de manière à ce que la surface de la cale soit face aux parois latérales transparentes de la section d’essai.

Utilisez un pinceau pour appliquer une épaisse couche de colorant sur la surface du modèle, en veillant à ce qu’il n’y en ait pas trop qui s’écoule. Ajustez ensuite le réglage du bloc pour atteindre le nombre de Mach à flux libre souhaité. Ajuster l’angle d’attaque alpha à 0 ? à l’aide d’un niveau numérique.

Maintenant, fermez et verrouillez la porte de la section d’essai et faites fonctionner la soufflerie pendant 6 s. Dirigez une lumière UV sur le modèle pendant le passage pour éclairer le colorant. Cela nous permet d’observer l’évolution des motifs de streakline.

Une fois l’exécution terminée, capturez une image des modèles d’écoulement finaux. Ensuite, ajustez l’angle d’attaque à 12 °C. Peignez le modèle avec un colorant comme précédemment et faites fonctionner la soufflerie pendant 6 s. Illuminez les lignes striées avec la lumière UV et capturez l’image avec un appareil photo.

Répétez ces étapes pour le modèle de coin 2D à -12 ?. Exécutez le test et capturez des images de stries pour tous les modèles conformément à la matrice de test illustrée ici. Lorsque tous les tests ont été terminés sur chaque modèle, arrêtez la soufflerie et démontez la configuration.

Jetons maintenant un coup d’œil aux résultats en commençant par les stries sur le coin 2D. À 0°, le motif de la ligne striée montre un écoulement uniforme dans tout le corps, sauf dans la région où il y a une déformation de surface au centre provoquant la séparation de l’écoulement. Lorsque le coin est incliné à 12 ?, l’écoulement le long de la surface est dévié vers le haut tandis que l’écoulement est dévié vers le bas à -12° ? réglage.

En regardant le coin 3D, nous pouvons voir que le modèle d’écoulement au centre du modèle est similaire à celui observé pour le coin 2D à tous les paramètres d’angle. Cependant, le modèle d’écoulement sur les bords supérieur et inférieur montre une déviation et l’effet de vortex de pointe est observé sur toute leur longueur.

Les motifs de stries pour le cône montrent que pour tous les angles d’attaque, le flux se courbe autour du corps. Nous pouvons également observer que la séparation de l’écoulement se produit à l’extrémité du cône, comme l’indique la région où le colorant s’agglomère.

Pour le modèle à nez émoussé, nous observons un écoulement attaché dans tout le corps à un angle d’attaque de 0?.? À 11 et -11 ?, l’écoulement s’incurve autour du corps en suivant le contour de la surface et se sépare le long de la ligne où le colorant fusionne.

Alors que les modèles d’écoulement à l’avant du modèle de missile sont similaires à ceux du corps du nez émoussé, les lignes striées sur les ailerons présentent des caractéristiques variées. À 0°, les lignes striées sur les nageoires supérieure et inférieure montrent un écoulement attaché à l’avant de la nageoire avec une séparation progressive se produisant en croix. On observe également que l’écoulement se détache beaucoup plus tôt à la racine des nageoires par rapport aux pointes.

Si nous regardons le colorant coalisé sur le bord d’attaque de l’aileron central, nous pouvons voir que les motifs de stries indiquent un choc d’arc avec la forme du choc marquée par le colorant. À un 11 ? angle d’attaque, on observe un écoulement entièrement attaché sur l’aileron inférieur mais un écoulement séparé près de la racine de l’aileron supérieur. Semblable au 0 ? , la présence de l’aileron central provoque un choc d’étrave au niveau du bord d’attaque de l’aileron.

Enfin, pour la sphère, nous avons fait varier le nombre de Mach par opposition à l’angle d’attaque, car les modèles d’écoulement restent les mêmes quel que soit l’angle de déviation. Nous pouvons voir que lorsque le nombre de mach augmente, le point de séparation se déplace vers l’arrière du corps, montrant une séparation d’écoulement décroissante. Cela est dû au fait que les écoulements à vitesse plus élevée ont plus d’élan, ce qui aide l’écoulement à surmonter le gradient de pression défavorable sur la sphère. Cela conduit à un degré plus élevé de fixation de l’écoulement avec un nombre de mach accru.

En résumé, nous avons appris comment les lignes striées peuvent être utilisées pour identifier le point de séparation de l’écoulement, la formation de chocs et le mouvement de l’écoulement sur une surface. Nous avons ensuite exposé plusieurs corps à un écoulement supersonique dans une soufflerie et observé les lignes striées qui se formaient sur chaque surface à différents angles d’attaque.