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La visualizzazione del flusso intorno a una carrozzeria è fondamentale per comprendere e quantificare la struttura del flusso, nonché per teorizzare il comportamento del flusso del fluido. Un tipo di visualizzazione del flusso è chiamato visualizzazione del flusso superficiale che utilizza un fluido colorato per osservare il percorso tracciato dal flusso del fluido attorno a un oggetto.
La visualizzazione del flusso di colorante consiste nel rivestire il corpo di interesse con un colorante per osservare i modelli di flusso lungo la superficie del corpo. Il colorante è una miscela semi-viscosa di particelle di colorante fluorescente e olio. La natura altamente viscosa dell'olio aiuta a mantenere i modelli di flusso sulla superficie del corpo. Mentre il colorante fluorescente ci permette di visualizzare quei modelli sotto una luce UV.
Se l'immagine viene scattata con un'esposizione prolungata, il colorante può essere utilizzato per tracciare il percorso seguito da una singola particella di fluido mentre si muove nel flusso. Quando le particelle di fluido marcate con il colorante passano attraverso un punto o un'area, possiamo osservare la linea che unisce tutte le particelle colorate. Questa è chiamata linea di striscia.
Nel flusso supersonico, queste striature possono essere utilizzate per identificare il punto di separazione del flusso, la formazione di urti e il movimento del flusso attraverso la superficie.
Ora diamo un'occhiata più da vicino al flusso sulla sfera. Il flusso attaccato appare come strisce lisce e la direzione delle strisce ci dice la direzione del flusso sulla superficie. La separazione del flusso può essere identificata come la regione in cui il colorante si aggrega e appare più luminoso. Questo perché il colorante oltre il punto di separazione del flusso è indisturbato.
Nel flusso supersonico, possiamo anche osservare la formazione di onde d'urto sulla superficie del corpo come sulle pinne di un missile mostrate da una sottile curva luminosa. Possiamo anche utilizzare questa tecnica per identificare le deformità su una superficie, come evidenziato dalle regioni in cui le striature sono disturbate.
In questo laboratorio, dimostreremo la tecnica di visualizzazione del flusso di colorante utilizzando diversi corpi esposti al flusso supersonico.
Per questo esperimento, utilizzeremo una galleria del vento supersonica con un intervallo di numero di Mach operativo di 1. 5 a 4. Questa galleria del vento ha una sezione di prova di 6 pollici x 4 pollici. Il numero di Mach viene variato regolando la sezione del blocco. In altre parole, modificando il rapporto dell'area della sezione di prova. Testeremo e osserveremo le striature attorno a diversi modelli: un cuneo 2D, un cuneo 3D, un cono, un corpo del muso smussato, una sfera e un missile.
Per iniziare l'esperimento, mescola la polvere colorante fluorescente e l'olio minerale in una ciotola di plastica. Aggiungere piccole quantità di olio minerale al colorante in incrementi, mescolando continuamente fino a quando la miscela è semi-viscosa e non sottile e liquida.
Ora, monta il pungiglione sopra la camera di prova della galleria del vento e bloccalo in posizione. Quindi, avvitare il modello a cuneo 2D sul supporto a punte. Fissare la direzione del cuneo in modo che la superficie del cuneo sia rivolta verso le pareti laterali trasparenti della sezione di prova.
Usa un pennello per applicare uno spesso strato di colorante sulla superficie del modello assicurandoti che non ce ne sia così tanto da gocciolare. Quindi regolare l'impostazione del blocco per raggiungere il numero di mach del flusso libero desiderato. Regolare l'angolo di attacco alfa a 0? utilizzando una livella digitale.
Ora, chiudi e fissa lo sportello della sezione di prova e fai funzionare la galleria del vento per 6 s. Accendi una luce UV sul modello durante la corsa per illuminare la tintura. Questo ci permette di osservare l'evoluzione dei modelli delle striature.
Una volta completata la corsa, acquisire un'immagine dei modelli di flusso finali. Quindi, regola l'angolo di attacco a 12?. Dipingi il modello con la tintura come prima e percorri la galleria del vento per 6 s. Illumina le striature con la luce UV e cattura l'immagine con una fotocamera.
Ripetere questi passaggi per il modello a cuneo 2D a -12?. Eseguire il test e acquisire le immagini delle strisce per tutti i modelli in base alla matrice di test mostrata qui. Quando tutti i test sono stati completati su ciascun modello, spegni la galleria del vento e smonta la configurazione.
Ora diamo un'occhiata ai risultati a partire dalle linee di striatura sul cuneo 2D. A 0?, il modello della linea striata mostra un flusso uniforme in tutto il corpo tranne nella regione in cui è presente una deformità superficiale al centro che causa la separazione del flusso. Quando il cuneo è angolato a 12?, il flusso lungo la superficie viene deviato verso l'alto mentre il flusso viene deviato verso il basso al -12? impostazione.
Osservando il cuneo 3D, possiamo vedere che il modello di flusso al centro del modello è simile a quello osservato per il cuneo 2D a tutte le impostazioni angolari. Tuttavia, il modello di flusso sui bordi superiore e inferiore mostra una deflessione e l'effetto vortice della punta si osserva lungo la loro lunghezza.
I modelli di streakline per il cono mostrano che per tutti gli angoli di attacco, il flusso curva attorno al corpo. Possiamo anche osservare che la separazione del flusso avviene alla fine del cono, come indicato dalla regione in cui il colorante si aggrega.
Per il modello a naso smussato, osserviamo il flusso attaccato in tutto il corpo con un angolo di attacco di 0?.? A 11 e -11?, il flusso curva attorno al corpo seguendo il contorno della superficie e si separa lungo la linea in cui il colorante si fonde.
Mentre i modelli di flusso nella parte anteriore del modello del missile sono simili a quelli del corpo del muso smussato, le linee striate sulle pinne mostrano caratteristiche diverse. A 0?, le striature sulle pinne superiore e inferiore mostrano un flusso attaccato nella parte anteriore della pinna con una separazione graduale che avviene in uno schema incrociato. Osserviamo anche che il flusso si stacca molto prima alla radice delle pinne rispetto alle punte.
Se osserviamo il colorante fuso sul bordo d'attacco della pinna centrale, possiamo vedere che i motivi delle striature indicano un bow shock con la forma dell'ammortizzatore segnata dal colorante. A un 11? angolo di attacco, osserviamo un flusso completamente attaccato sulla pinna inferiore ma un flusso separato vicino alla radice della pinna superiore. Simile allo 0? La presenza della pinna centrale provoca un bow shock sul bordo d'attacco della pinna.
Infine, per la sfera, abbiamo variato il numero di mach rispetto all'angolo di attacco poiché i modelli di flusso rimangono gli stessi indipendentemente dall'angolo di deflessione. Possiamo vedere che all'aumentare del numero di mach, il punto di separazione si sposta verso poppa del corpo mostrando una separazione del flusso decrescente. Ciò è dovuto al fatto che i flussi a velocità più elevata hanno più quantità di moto, il che aiuta il flusso a superare il gradiente di pressione avverso sulla sfera. Ciò porta a un grado più elevato di attacco del flusso con un aumento del numero di mach.
In sintesi, abbiamo appreso come le striature possono essere utilizzate per identificare il punto di separazione del flusso, la formazione di urti e il movimento del flusso su una superficie. Abbiamo poi esposto diversi corpi a un flusso supersonico in una galleria del vento e osservato le striature che si formavano su ogni superficie a vari angoli di attacco.
