8.10: 表面染料フロー可視化:超音速流のストリークラインパターンを観察する定性的方法

1. 超音速流のストリークラインの観測
   1. 蛍光色素粉末とミネラルオイルをプラスチックボウルに混ぜます。少量の鉱物油を染料に加え、半粘性の混合物が得られるまで連続的に混合する。混合物は、水切りであってはならない。
   2. 超音速風洞試験室の上に刺し傷を取り付け、所定の位置にロックします。このデモでは、テストセクションに 6 in x 4 のブローダウン超音速風洞があり、動作マッハ数の範囲は 1.5 ~ 4 でした(図 1に示す)。マッハ数は、ブロック設定を調整することで変化します(テストセクションの面積比を変更します)。
   3. 2D ウェッジ モデルをスティング マウントにねじ込み、ウェッジ サーフェスが風洞試験セクションの透明な側壁に向かるようにウェッジの方向を固定します。すべてのモデルを図 2 に示します。
   4. ペイントブラシを使用して、十分な量の色素混合物をモデルに適用します。染料がモデルから滴落しないことを確認します。参考文献3を参照してください。
   5. 目的のフリーストリームマッハ番号のブロック設定を調整します。
   6. 風洞パネルを閉じて固定します。
   7. 風洞を6秒間走ります。
   8. 実行が完了したら、UV ライトをモデルに照らし、色素を照らします。カメラでストリークライン画像をキャプチャします。
   9. モデルの表 1 に示すテスト マトリックスに従って攻撃角度またはマッハ数を調整し、手順 1.4 ~ 1.9 を繰り返します。
   10. 表 1 に示すすべてのモデルについて、手順 1.3 ~ 1.9 を繰り返します。
   11. すべてのモデルがテストされると、風洞をシャットダウンし、セットアップを解体します。

図 1.ブローダウン超音速風洞。

図 2.風洞モデル(左から右)2Dウェッジ、3Dウェッジ、円根、鈍い鼻体、球体、ミサイル。

表 1.テスト マトリックス。

図 3.2Dウェッジに描かれた蛍光色素の代表的な画像。

車体の周囲の流れを可視化することは、流れの構造を理解して定量化するだけでなく、流体の流れの挙動を理論化するためにも重要です。流れの可視化の1つのタイプは、表面流の可視化と呼ばれ、染色された流体を使用して、物体の周りの流体の流れによって追跡される経路を観察するものです。

染料の流れの視覚化では、対象の体を染料でコーティングして、体表面に沿った流れのパターンを観察します。染料は、蛍光染料粒子と油の半粘性混合物です。オイルの高粘度の性質は、体表面の流れパターンを維持するのに役立ちます。一方、蛍光色素は、紫外線の下でそれらのパターンを視覚化することができます。

画像を長時間露光して撮影した場合、染料を使用して、単一の流体粒子が流れ中を移動するときにたどる経路を追跡できます。染料でマークされた流体粒子が点または領域を通過すると、染色されたすべての粒子を結ぶ線を観察できます。これはストリークラインと呼ばれます。

超音速流では、これらの縞線を使用して、流れの分離点、衝撃波の形成、および表面を横切る流れの動きを特定できます。

次に、球体上の流れを詳しく見てみましょう。アタッチされた流れは滑らかな筋線として表示され、筋線の方向はサーフェス上の流れの方向を示します。フロー分離は、色素が凝集して明るく見える領域として識別できます。これは、流動分離点を超えた染料が乱されないためです。

超音速流では、細い明るい曲線で示されるミサイルのフィンのように、物体の表面に衝撃波が形成されるのも観察できます。また、この手法を使用して、縞線が乱されている領域によって証明されるように、表面上の変形を特定することもできます。

本研究室では、超音速流にさらされた複数の異なる物体を用いた色素流動可視化技術を実演します。

この実験では、動作マッハ数の範囲が 1 のブローダウン超音速風洞を使用します。5対4。この風洞には、テストセクションに6インチx4があります。マッハ数は、ブロックセクションを調整することで変化させます。言い換えれば、テストセクションの面積比を変更することによって。2Dウェッジ、3Dウェッジ、コーン、鈍いノーズボディ、球体、ミサイルなど、いくつかの異なるモデルの周りのストリークラインをテストし、観察します。

実験を開始するには、プラスチックのボウルに蛍光染料粉末と鉱物油を混ぜます。少量の鉱油を染料に少しずつ加え、混合物が半粘性になり、薄くて水っぽくなくなるまで連続的に混合します。

次に、スティングを風洞試験チャンバーの上に取り付け、所定の位置にロックします。次に、2Dウェッジモデルをスティングマウントにねじ込みます。ウェッジの表面がテストセクションの透明な側壁に面するように、ウェッジの方向を固定します。

ペイントブラシを使用して、モデルの表面に染料の厚い層を塗布し、滴り落ちるほど多くないことを確認します。次に、ブロック設定を調整して、目的のフリーストリームマッハ数に到達します。迎え角アルファを0に調整しますか?デジタル水準器を使用します。

次に、テストセクションのドアを閉じて固定し、風洞を6秒間実行します。実行中にモデルにUVライトを当てて、染料を照らします。これにより、ストリークラインパターンの進化を観察することができます。

実行が完了したら、最終的なフローパターンの画像をキャプチャします。次に、迎え角を12?に調整します。前と同じようにモデルを染料で塗装し、風洞を6秒間実行します。紫外線で筋線を照らし、カメラで画像を撮影します。

-12?の2Dウェッジモデルに対してこれらの手順を繰り返します。テストを実行し、ここに示すテスト マトリックスに従って、すべてのモデルの筋線イメージをキャプチャします。各モデルですべてのテストが完了したら、風洞をシャットダウンし、セットアップを分解します。

次に、2D ウェッジの上の縞線から結果を見てみましょう。0?では、ストリークラインパターンは、中心に表面の変形があり、流れが分離する領域を除いて、ボディ全体に均一な流れを示します。ウェッジを12°にすると、表面に沿った流れは上向きに偏向し、-12°Cでは下向きに偏向します。設定。

3D ウェッジを見ると、モデルの中心のフロー パターンが、すべての角度設定で 2D ウェッジで観察されたものと類似していることがわかります。ただし、上端と下端の流動パターンにはたわみが見られ、その長さに沿って先端の渦の影響が観察されます。

円錐の縞模様は、すべての迎え角で、流れが体の周りを曲がっていることを示しています。また、色素が凝集する領域で示されるように、コーンの端で流れの分離が発生することも観察できます。

鈍い鼻のモデルでは、迎え角0で全身に付着した流れを観察します?.?11および-11?では、流れは表面の輪郭に沿って体の周りを曲がり、染料が合体する線に沿って分離します。

ミサイルモデル前面の流れパターンは鈍い機首本体と似ていますが、フィンの筋線はさまざまな特徴を示しています。0?では、上部と下部のフィンの縞線は、フィンの前面に付着した流れを示し、クロスパターンで徐々に分離します。また、フィンの根元では、先端に比べて流れがかなり早く離れていることも観察されます。

中央のフィンの前縁にある合体した染料を見ると、縞模様が弓状の衝撃を示しており、その衝撃の形は染料でマークされていることがわかります。11歳で?迎え角では、ボトムフィンには完全に付着した流れが観察されますが、トップフィンの付け根近くで流れが分離されています。0に似ていますか?ケースでは、中央のフィンの存在により、フィンの前縁に弓衝撃が発生します。

最後に、球については、たわみ角度に関係なく流れパターンが同じままであるため、迎え角ではなくマッハ数を変化させました。マッハ数が増加すると、分離点が体の後方に向かって移動し、流れの分離が減少していることがわかります。これは、速度が速い流れほど運動量が多く、球面上の逆圧力勾配を克服するのに役立つという事実によるものです。これにより、マッハ数の増加に伴うフローアタッチメントの度合いが高くなります。

要約すると、ストリークラインを使用して、流れの分離点、衝撃波の形成点、および表面を横切る流れの動きを特定する方法を学びました。次に、風洞内でいくつかの天体を超音速流にさらし、さまざまな迎え角で各表面に形成される筋線を観察しました。