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. Ad un numero di Mach maggiore di 0,8, ma inferiore a 1,2, la velocità è transonica. Al di sopra di 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 variazioni di densità significative. Quando la velocità del flusso in ingresso è superiore a Mach 1,0, si forma un'onda d'urto obliqua dal naso del cono o del cuneo e si formano ventole di espansione 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. Un ventaglio di espansione è costituito da un numero infinito di onde ed è causato quando un 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 dell'onda d'urto e dei ventilatori di espansione, possono essere visualizzati 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, al variare della densità dell'aria nell'onda d'urto e nella ventola di espansione, cambia anche l'indice di rifrazione.

Nell'imaging di Schlieren, una sorgente di luce collimata brilla sul corpo e la variazione dell'indice di rifrazione distorce il fascio di luce. Per visualizzare la deflessione, un coltello è 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, permettendoci così di visualizzare le onde d'urto e i ventilatori di espansione.

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

Questo esperimento utilizza un sistema di Schlieren per visualizzare le onde d'urto generate da una galleria del vento supersonica intorno a un 15? Modello a cono semiangolare. Il sistema di Schlieren utilizzato in questo esperimento è impostato come mostrato.

Innanzitutto, attiva le torri dell'essiccatore per disidratare l'aria. In questo modo si eviterà la formazione di ghiaccio a causa di cali di temperatura locali nella sezione di prova. Quindi, apri la sezione di testo e assicurati il 15? modello a cono semiangolare alla struttura di supporto all'interno. Controllare la sezione del test per assicurarsi che sia priva di detriti e altri oggetti. Quindi chiudere la sezione del test.

Assicurarsi che la valvola principale per il controllo del flusso d'aria sia chiusa, quindi accendere il compressore per pressurizzare il serbatoio di stoccaggio dell'aria e lasciare che il serbatoio raggiunga i 210 psi. Se il compressore non si spegne automaticamente al raggiungimento della pressione, spegnerlo manualmente. Ora accendi il controller per la valvola ad alta velocità.

Per configurare il sistema Schlieren Imaging, accendere prima la luce e la ventola 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, posiziona uno schermo 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 filo del coltello in modo che si trovi 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, posizionare 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 pronto, eseguiamo l'esperimento.

Innanzitutto, indossa un'adeguata protezione dell'udito, quindi assicurati 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 consente all'aria di entrare nel sistema. Ora, spegni le luci nella stanza in modo che l'immagine proiettata sia più facile da vedere. Quindi, attiva 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, quindi spegnendo il controller. Attendere che l'apparecchio abbia finito di rilasciare aria prima di rimuovere la protezione acustica.

Ora, diamo un'occhiata all'immagine acquisita utilizzando il setup di Schlieren. Il modello utilizzato in questo esperimento era un cono con un semiangolo di 15?, ed era sottoposto a flusso supersonico a Mach 2,0. Possiamo osservare la presenza di un'onda d'urto, come mostrato qui.

In teoria, dovrebbe formarsi un urto obliquo sulla superficie del cono, con un angolo di 33,9?. Il valore dell'angolo di urto obliquo si ottiene dall'equazione di Taylor-Maccoll, che deve essere risolta numericamente. L'angolo sperimentale misurato è stato di 33,6 °C, con un errore percentuale inferiore all'1%, rispetto ai dati teorici.

Inoltre, la tecnica di 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 ruota attorno a un angolo convesso.

In sintesi, abbiamo appreso come il metodo Schlieren utilizza le variazioni dell'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 di Mach 2.0 su un cono.