Schlieren Imaging: una tecnica per visualizzare le caratteristiche del flusso supersonico

I jet militari volano a velocità incredibili che superano la velocità del suono, chiamate velocità supersoniche. Quando descriviamo le velocità supersoniche, usiamo il numero di Mach per misurare quella velocità rispetto alla velocità del suono. A un numero di Mach maggiore di 0,8, ma inferiore a 1,2, la velocità è transonica. Sopra Mach 1.2, la velocità è supersonica.

Diamo un’occhiata più da vicino a ciò che sta accadendo a queste alte velocità analizzando il flusso d’aria attorno a un corpo a forma di cono. Al di sopra di un numero di Mach di 0,3, devono essere considerati gli effetti di comprimibilità dell’aria, perché a queste alte velocità l’aria ha cambiamenti di densità significativi. Quando la velocità del flusso in entrata è superiore a Mach 1,0, si forma un’onda d’urto obliqua dal naso del cono o del cuneo e le ventole di espansione si formano attorno al corpo in movimento.

Un’onda d’urto è un disturbo di propagazione estremamente sottile, in cui si verificano bruschi cambiamenti nelle proprietà del flusso, come pressione, temperatura e densità. Una ventola di espansione è costituita da un numero infinito di onde ed è causata quando il flusso supersonico gira attorno a un angolo convesso. La pressione, la densità e la temperatura diminuiscono continuamente attraverso la ventola di espansione, mentre la velocità aumenta. Poiché la densità dell’aria cambia in modo significativo all’interno delle ventole di onda d’urto e di espansione, possono essere visualizzate utilizzando una tecnica di visualizzazione del flusso basata sulla densità, chiamata Schlieren Imaging.

Il metodo di Schlieren si basa sull’indice di rifrazione, che è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la sua velocità all’interno di un mezzo specifico. La variazione dell’indice di rifrazione è proporzionale alla variazione della densità. Pertanto, come la densità dell’aria cambia nell’onda d’urto e nella ventola di espansione, così fa l’indice di rifrazione.

In Schlieren Imaging, una sorgente luminosa collimata brilla sul corpo e la variazione dell’indice di rifrazione distorce il fascio di luce. Per visualizzare la deflessione, un bordo di coltello viene posizionato sul piano focale della luce trasmessa, bloccando così parte della luce deviata e migliorando il contrasto dell’immagine proiettata sullo schermo. Ciò si traduce in un’immagine di alta e bassa intensità luminosa, che mappa le aree di alta e bassa densità dell’aria, consentendoci così di visualizzare le onde d’urto e le ventole di espansione.

In questo esperimento, dimostreremo l’uso di un sistema Schlieren Imaging per visualizzare le onde d’urto e le ventole di espansione formate dal flusso d’aria Mach 2 su un cono.

Questo esperimento utilizza un sistema schlieren per l’immagine delle onde d’urto generate da una galleria del vento supersonica attorno a un modello a cono semiangolare di 15 °. Il sistema Schlieren utilizzato in questo esperimento è impostato come mostrato.

Innanzitutto, attiva le torri dell’essiccatore per disidratare l’aria. Ciò impedirà la formazione di ghiaccio a causa di cadute di temperatura locali nella sezione di prova. Quindi, aprite la sezione di testo e assicurate il modello a cono a mezzo angolo di 15° alla struttura di supporto all’interno. Controllare la sezione di prova per assicurarsi che sia libera da detriti e altri oggetti. Quindi chiudere la sezione di test.

Assicurarsi che la valvola principale per il controllo del flusso d’aria sia chiusa, quindi accendere il compressore per pressurizzare il serbatoio di accumulo dell’aria e lasciare che il serbatoio raggiunga i 210 psi. Se il compressore non si spegne automaticamente quando viene raggiunta la pressione, spegnere il compressore manualmente. Ora, accendi il controller per la valvola ad alta velocità.

Per configurare il sistema Schlieren Imaging, accendere prima la ventola luminosa e di raffreddamento. Quindi posizionare un pezzo di carta sul lato opposto della sezione di prova rispetto alla sorgente luminosa. Allineare il primo specchio concavo per consentire alla luce di passare attraverso la sezione di prova e verificare che la luce colpisca la carta. Quindi, posizionare una schermata di proiezione nel punto in cui si forma l’immagine.

Ora, regola il secondo specchio concavo in modo che la luce che passa attraverso la sezione di prova venga riflessa sullo schermo di proiezione. Regolare il bordo del coltello in modo che si trova nel punto focale del secondo specchio. Quindi, regolare l’apertura del bordo del coltello per ottenere la qualità dell’immagine desiderata.

Per registrare l’immagine proiettata, impostare una fotocamera su un treppiede rivolto verso lo schermo. Per registrare direttamente sul sensore della fotocamera, posizionare la fotocamera davanti all’apertura del bordo del coltello. Ora che l’apparato è impostato, eseguiamo l’esperimento.

In primo luogo, indossare la protezione dell’udito appropriata, quindi assicurarsi che nessuno sia vicino allo scarico dell’aria all’esterno dell’edificio. Iniziare aprendo l’alimentazione dell’aria al controller della valvola veloce. Quindi, aprire la valvola principale, che lascia entrare l’aria nel sistema. Ora, spegni le luci nella stanza in modo che l’immagine proiettata sia più facile da vedere. Quindi, attivare la galleria del vento premendo il pulsante verde situato accanto al controller, che apre la valvola veloce.

Osservate l’immagine di Schlieren del flusso di Mach 2.0 sul modello a cono. Al termine, spegnere la galleria del vento chiudendo le valvole in ordine inverso e quindi spegnendo il controller. Attendere che l’apparecchio sia terminato rilasciando aria prima di rimuovere la protezione dell’udito.

Ora, diamo un’occhiata all’immagine acquisita utilizzando la configurazione Schlieren. Il modello utilizzato in questo esperimento era un cono con un mezzo angolo di 15° ed era sottoposto a flusso supersonico a Mach 2.0. Possiamo osservare la presenza di un’onda d’urto, come mostrato qui.

Teoricamente, una scossa obliqua dovrebbe formarsi sulla superficie del cono, con un angolo di 33,9 °. Il valore dell’angolo di shock obliquo è ottenuto dall’equazione di Taylor-Maccoll, che deve essere risolta numericamente. L’angolo sperimentale misurato è stato di 33,6°, un errore percentuale inferiore all’1%, rispetto ai dati teorici.

Inoltre, la tecnica Schlieren consente la visualizzazione dei ventilatori di espansione sul cono. La ventola di espansione è un processo di espansione previsto che si verifica quando il flusso supersonico gira attorno a un angolo convesso.

In sintesi, abbiamo imparato come il Metodo Schlieren utilizza i cambiamenti nell’indice di rifrazione per visualizzare le onde d’urto e le ventole di espansione nel flusso supersonico. Abbiamo quindi utilizzato la tecnica di imaging per visualizzare i modelli di onde d’urto e di espansione nel campo di flusso mach 2.0 su un cono.