흐름 시각화 방법을 통해 델타 날개를 통해 흐름 구조의 실험 조사

요약

여기, 우리는 프로토콜 수정된 연기 흐름 시각화 기술을 사용 하 여 델타 날개에 불안정 회전력 흐름을 관찰 하 고 조사 메커니즘 앞 가장자리와 동 고장 위치의 진동에 대 한 책임을 제시.

초록

그것은 잘 알려진 델타 날개를 통해 흐름 필드 카운터 회전 첨단 vortices (레프)의 한 쌍에 의해 지배 된다. 그러나, 그들의 메커니즘은 잘 이해 되지. 흐름 시각화 기술 공간 및 일시적으로 복잡 한 흐름 필드를 설명 하는 유망한 아닌-관입 방법입니다. 고성능 레이저와 광학 렌즈 레이저 시트, 카메라, 추적 입자 생성기 및 데이터 프로세서를 생성 하는 기본적인 흐름 시각화 설치에 의하여 이루어져 있다. 바람 터널 설치, 장치,의 사양 및 해당 매개 변수 설정을 얻을 수 흐름 기능에 따라 달라 집니다.

일반 연기 와이어 흐름 시각화 연기 와이어를 사용 하 여 흐름 streaklines를 보여 줍니다. 그러나, 그것은 복잡 한 흐름 분야에서 실시 하는 경우이 방법의 성능 빈약한 공간적 해상도 의해 제한 됩니다. 따라서, 향상 된 연기 흐름 시각화 기술 개발 되었습니다. 이 기술을 보여 줍니다 대규모 글로벌 레프 흐름 필드와 소규모 전단 레이어 흐름 구조는 동시에 상세한 입자 나중 이미지 velocimetry (PIV) 측정에 대 한 귀중 한 참조를 제공.

이 논문에서는, 델타 날개 위에 정한 흐름 현상을 공부 하는 향상 된 연기 흐름 시각화 및 PIV 측정의 응용 프로그램 시연입니다. 절차 및 실험 수행을 위한 주의 바람 터널 설치, 데이터 수집 및 데이터 처리를 포함 하 여 표시 됩니다. 대표 결과 이러한 두 흐름 시각화 방법 3 차원 흐름 필드 질적 및 양적 조사에 대 한 효과적인 기법을 보여준다.

서론

흐름 시각화 기술을 통해 필드 측정은 유체 공학에 기본 방법입니다. 다른 시각화 기법, 중 풍 동 실험에 연기 와이어 흐름 시각화 및 물 터널 실험에서 염료 시각화에 질적 흐름 구조를 설명 하기 위해 가장 널리 사용 되는. PIV 및 레이저 도플러 anemometry (LDA)는 두 개의 전형적인 양적 기법¹.

연기 와이어 흐름 시각화, 연기 streaklines 난방 철사에 기름 방울에서 생성 또는 실험 중 외부 연기 발전기/컨테이너에서 주입. 고 전력 빛 또는 레이저 시트 연기 streaklines 조명 하는 데 사용 됩니다. 이미지는 다음 추가 분석을 위해 기록 됩니다. 이것은 간단 하지만 매우 유용한 흐름 시각화 방법^2입니다. 그러나,이 방법의 효과 짧은 기간의 연기 전선, 복잡 한 3 차원 흐름 필드, 흐름의 상대적으로 높은 속도 연기 세대³의 효율성 등 다양 한 요인에 의해 제한 될 수 있습니다.

PIV 측정, 개입 입자 흐름 필드의 횡단면 레이저 시트에 의해 조명 하 고이 단면에 인스턴트 위치 입자의 고속 카메라에 의해 캡처됩니다. 매우 작은 시간 간격 내에서 이미지의 한 쌍이 기록 됩니다. 심문 분야의 그리드로 이미지를 분할 하 고 교차 상관 기능을 통해 심문 지역에서 입자의 평균 동작을 계산,이 관찰 된 횡단면에 순간 속도 벡터 지도 얻을 수 있습니다. 그러나, 그것은 또한 알려져 타협 관찰 창, 속도 지도, 비행기, 이미지, 직교 속도의 쌍 사이 시간 간격에에서 속도 크기의 해상도의 크기를 포함 하 여 요인에 대 한에 도달 해야 크기, 그리고 입자 조밀도⁴ 따라서, 많은 탐구 실험 실험 설정을 최적화 하기 위해 필요할 수 있습니다. 그것은 비싸고 PIV 측정 혼자^5,6필드를 알 수 없는 복잡 한 흐름을 조사 하는 시간이 걸리는 것입니다. 위의 문제를 고려 하면 연기 흐름 시각화 및 PIV 측정을 결합 하는 전략은 제안 하 고 슬림 델타 날개를 통해 복잡 한 흐름을 공부 여기 설명.

델타 날개에 레프 흐름의 수많은 연구 실시^7,8, 흐름 시각화 기술 기본 도구로 사용 되었다. 많은 흥미로운 흐름 현상 관찰 되었습니다: 나선형 유형 및 거품 소용돌이 고장^9,10입력, 불안정 전단 레이어 구조^11,12, 레프 고장 위치^{13의 진동} , 그리고 피칭과 요의 효과 흐름 구조에^14,,1516 각도. 그러나, 델타 날개 흐름에 일부 불안정 현상의 근본적인 메커니즘 불분명⁷남아 있다. 이 작품에서 연기 흐름 시각화 연기 와이어 대신 PIV 측정에 사용 되는 동일한 시드 입자를 사용 하 여 향상 됩니다. 이 개선 크게 시각화 작업을 단순화 하 고 이미지의 품질을 증가 한다. 향상 된 연기 흐름 시각화에서 결과에 따라, PIV 측정 양적 정보를 얻으려고 관심의 흐름 필드에 초점을 맞추고.

여기, 자세한 설명은 바람 터널에서 흐름 시각화 실험을 실시 하 고 델타 날개 위에 정한 흐름 현상을 조사 하는 방법을 설명 하도록 제공 됩니다. 두 가지 시각화 방법, 향상 된 연기 흐름 시각화 및 PIV 측정이 실험에서 함께 사용 됩니다. 절차는 장치 설치 및 매개 변수 조정에 대 한 단계별 지침을 포함합니다. 일반적인 결과 공간 및 일시적으로 복잡 한 흐름 필드 측정을 위한이 두 가지 방법의 장점을 보여 시연 했다.

프로토콜

1. 바람 터널 설치

1. 델타 날개 모델
   1. 스윕 각도 φ 75 °의, 화음 길이 c 280 m m, 루트 범위 b 150 m m, 두께 5 m m의 알루미늄, 델타 날개 모델을 생성 합니다. 모두 최고의 가장자리가 분리 포인트¹⁷ 를 해결 하기 위해 35 ° 경사진 ( 그림 1a참조).
2. 바람 터널 시설
   1. 2.4 m (길이) × 0.6 m (폭) × 0.6 m (높이)는 실험 동안 광 액세스를 허용 하는 유리 벽을 갖추고의 테스트 섹션 폐쇄 루프 저속 풍 동에서 실험을 실시 합니다. 이러한 시설의 난 류 강도 0.4% 미만 이어야 한다.
      참고:이 연구에서 우리가 사용 바람 터널 홍콩 폴 리 테크닉 대학에서 위의 특성을 가진. 또한, freestream 속도 U_∞ 10.56 m/s, 2.64 m/s에서 배열 했다 번호에 해당 하는 레이놀즈, 다시, 2 × 10⁵, 5 × 10⁴ 에서 일반적인 비행 범위 델타 날개의 현 길이에 따라 대 한 한 무인된 공중 차량 (UAV)입니다.
   2. 필요에 따라 경도 단면도, span-wise 크로스 섹션, 그리고 가로 크로스 섹션에서 흐름 구조를 관찰 하기 위해 레이저 시트와 카메라의 3 개의 다른 준비 ( 그림 1b-d 참조)를 사용 합니다. 설치의 회로도 그림 1b에서 표시 됩니다.
      참고:이 프로토콜 설치 및 측정 자세히 경도 크로스 섹션에서을 보여 줍니다.
3. 델타 날개를 설치
   1. 각도 공격 (AoA), α를 조정 하기 위해 사용 하는 원형 모션 가이드에 있는 고통에 델타 날개 후행 가장자리를 수정 합니다. 윈드 터널 테스트 섹션의 중앙 라인에 원형 가이드의 중심이 이다. 따라서, 델타 날개의 센터 테스트 섹션의 중심에 항상 수 있습니다. Α 을 AoA를 조정 = 34 °.
   2. 신중 하 게 어떤 요 각도 최소화 하 고 각도 측정기와 3 축 레이저 레벨의 수치를 확인 하 여 각도, 롤을 델타 날개 모델을 조정 합니다. 현재 연구에서 이러한 두 각도의 불확실성 보다 0.1 °입니다.
4. 레이저 시트를 설정
   1. PIV 측정 및 연기 흐름 시각화에 대 한 흐름 구조를 밝히는 별도로 두 개의 레이저를 사용 합니다.
      1. PIV 측정을 위해 사용 하 여 듀얼 펄스 레이저, 532의 파장으로 nm와 600 엠 제이 (조정 가능한) 각 펄스의 최대 에너지. 트랜지스터-트랜지스터 논리 (TTL) 신호 ( 그림 1b참조)와 함께 동기화와 함께 그것을 제어 합니다.
      2. 연기 흐름 시각화에 대 한 사용 하 여 지속적인 레이저 532의 파장으로 nm와 W. 1의 힘 이 연속 레이저 독립적으로 작동합니다. 셋업 설치 중 10% 투과율을 가진 중립 밀도 필터를 사용 하 여 안전에 대 한 레이저 광선을 필터링 할.
   2. 적절 한 레이저 고글을 착용.
   3. 바람 터널 레이저를 반사 거울을 조정 합니다. 레이저 광 축과 거울 사이의 각도 , 레이저 빔 델타 날개 표면에 수직 하 게. 레이저 빔 x위치 주변 인지 확인 /c ≅ 0.25, 시야 (FOV)의 중심 될 나중에 것입니다.
   4. 그림 1b와 같이 레이저 시트를 (처음에 연속 레이저)와 레이저 광학을 설치 합니다. 볼록 렌즈는 레이저 빔 크기 (또한 시트 두께)를 제어 하는 데 사용 됩니다. 원통형 렌즈 레이저 시트에 레이저 광선을 확장합니다.
      참고: 현재 연구에서 원통형 렌즈의 초점 거리는 700 m m, 그리고 원통 모양 렌즈의 직경은 12 m m.
   5. 모델에 레이저 라인을 측정 하 여 레이저 시트 두께 확인 합니다. 레이저 시트 두께 적합 하지 않으면 볼록 렌즈의 위치를 조정 (여기, 약 100 m m의 테스트 섹션에서 레이저 시트의 효과적인 폭 약 1 밀리미터). Note 레이저 시트의 두께 1) 레이저 시트와 2) 스냅샷 PIV 측정에서의 쌍 사이 시간 간격을 정상적인 방향으로 속도 구성에 따라 달라 집니다.
   6. 델타 날개의 레이저 시트를 일치 그것의 표면에 교정 대상 접시를 넣어. 현재 연구에서 FOV는 바람 터널 좌표에 직교 하기 때문에이 단계는 필수적입니다.
5. 카메라 설치
   1. 카메라를 설정할 때 레이저를 해제 하십시오. 레이저, 것과 같이이 실험의 각 별도 부분에 대 한 두 개의 카메라를 사용:
      1. PIV 측정을 위해 2048 × 2048 픽셀의 해상도와 고속 CCD 카메라를 사용 합니다. 이 카메라는 동기화 및 듀얼 펄스에 의해 제어 됩니다 ( 그림 1b참조) 레이저. 이 카메라의 데이터는 컴퓨터에 직접 전달 될 것입니다.
      2. 연기 흐름 시각화에 대 한 50 Hz 비디오 녹화 해상도 720 × 1280 픽셀의 4000 × 6000 픽셀의 스냅숏 해상도와 상용 디지털 카메라를 사용 하 여 연기 흐름 시각화 하는 동안. 그것은 수동으로 운영 될 것입니다.
   2. 카메라의 위치 (디지털 카메라, 처음에 상업) 원하는 시야를 이동 합니다. 교정 대상에 초점을 카메라 렌즈를 조정 합니다. 전체 필드에 초점을 맞추고 있는지 확인 합니다. 그렇지 않은 경우에 카메라의 좌표 교정 대상 접시에 직각이 되지 않을 수 있습니다. 따라서, 조정 카메라의 위치를 신중 하 게¹⁸.
   3. 카메라는 잘 설정 후 여러 프레임을 가져가 라. 나중에, 이러한 프레임 교정 대상 플레이트의 실제 크기와 프레임 픽셀 사이의 배율 인수를 보정 하 고 xyz 좌표 참조 위치를 식별 하에 사용 됩니다. 그런 다음, 교정 대상 플레이트를 제거 합니다.
6. (예를 들어, 3 m/s) 낮은 속도로 바람 터널 켜고 바람 터널에 오일 입자를 주입. 2.5 바에서에 어로 졸 발생기의 압력을 설정 하 고 30에 대 한 운영 사전 시드 흐름 시각화 방법에 대 한 s. 이 후, 전체 바람 터널을 약 1 µ m의 정상 직경에 오일 입자와 균일 하 게 시드할 수 것입니다.
   참고: 현재 연구 바람 터널에서 예상된 오일 입자 밀도 농도 약 연기 흐름 시각화; 따라서, 바람 터널에서 전반적인 흐름 밀도 변화는 .
7. PIV 소프트웨어 설치
   1. PIV 소프트웨어 PIV 시스템 제어 (재료의 표 참조). 이 소프트웨어는 그림 1b와 같이 레이저와 카메라에 TTL 신호를 보내도록 동기화를 명령 수 있습니다.
   2. 5 Hz, 500의 총 샘플링 수에 샘플링 주파수를 설정 합니다. PIV 프레임 사이 시간 간격은입니다 80 µs. 참고 시간 간격 FOV와 흐름의 크기에 따라 달라 집니다. 50-75% 중복에 대 한 두 개의 프레임에서 심문 분야는 다는 것을 확인 하십시오.

2. 실험 실행

1. 향상 된 연기 흐름 시각화
   1. 원하는 freestream 속도로 바람 터널 설정 (U = 2.64 m/s). 10 분 freestream 속도 안정화를 위해 그것을 실행 합니다. Re = 50000, freestream 속도 U = 2.64 m/s.
   2. 연속 레이저를 켭니다. 디지털 카메라를 사용 하 여 흐름 구조의 5-10 스냅샷을 캡처.
   3. 레프 코어의 경도 단면도에 레이저 시트 인지 확인 하십시오 ( 그림 3에 표시 된 일반적인 구조를 참조). 그렇다면, 나중 PIV 측정;에 대 한 참조로 서 델타 날개 모델에이 위치를 표시 그렇지 않으면, 광학 렌즈를 조정 하 여 레이저 시트의 위치를 변경 하 고 재설정 단계 1.4.6-1.5.3 교정.
   4. 그 이미지를 검토 하 고 초점과 밝기를 확인 합니다. 이미지 품질 만족 하지 않으면 렌즈 또는 ISO 설정의 조리개를 조정 합니다.
   5. 더 많은 스냅샷 (일반적으로 약 20) 및 비디오 (약 40 s) 적절 한 설치와. 레이저를 끄고 컴퓨터에 데이터를 전송.
2. PIV 측정
   1. 2.1.3 단계와 단계 2.1.5에서에서 스냅샷의 결과에서 알려진 참조 위치에 따라, 흥미로운 지역 선택 (x/c≈ 0.3) 회전력 콘텐츠의 볼 수 있습니다 FOV로. 연속 레이저와 듀얼 펄스 레이저와 디지털 카메라 및 CCD 카메라 PIV 측정에 대 한 교체 합니다.
   2. 단계 1.4.6-PIV 측정에 대 한 교정 기록 1.5.3 반복 합니다.
   3. U 원하는 freestream 속도로 바람 터널 설정 = 2.64 m/s freestream 속도 안정 되도록 10 분 동안 그것을 실행.
   4. 듀얼 펄스 레이저는 가장 높은 전력 레벨을 조정 하 고 대기. 100에 대 한 데이터 수집을 시작 하는 소프트웨어를 사용 하 여 s. 데이터 기록 완료 되 면, 레이저 머리를 해제 합니다.
   5. 소프트웨어에서 수집 된 이미지를 검토 하 고 레이저 시트 배포, 입자 밀도 (일반적으로 6-10 입자 각 원하는 심문 지역), 초점, 및 이중 프레임 (심문의 25-50% 사이 입자 변위 지역)입니다.
   6. 2.2.5 단계에서 설명한 대로 이미지의 품질은 만족 하는 경우., PC의 하드 디스크에 데이터를 저장 하 고 다른 경우 위의 단계를 반복 하 여 실행. 그렇지 않으면, 1.7-2.2 단계를 반복 하 고 신중 하 게 설치를 조정 합니다.

3입니다. 데이터 처리

1. 향상 된 연기 시각화
   참고: 다음 단계, 3.1.1-3.1.4, MATLAB 코드를 통해 자동으로 수행 됩니다 ( 추가 코딩 파일참조).
   1. 비디오 프레임의 시퀀스로 변환. 회색 음영으로 RGB 형식에서 프레임을 변환 합니다. 델타 날개 표면 수평 수 있도록 프레임을 회전 합니다. 나중에 처리 (그림 2a)에 대 한 관심의 영역을 선택 합니다.
   2. 흐름 구조를 강조 하기 위해 명암과 밝기를 조정 합니다. 이진 이미지 (그림 2b)에 회색 이미지를 변환 하는 적응형 임계값을 적용 합니다.
   3. 각 열에 있는 이진 값을 추가 하 고 합계 갑자기 변경 되는 위치를 찾습니다. 이 위치는 소용돌이 고장 위치 (그림 2c).
   4. 와 동 고장 위치 및 그들의 대응 시간을 기록 합니다. 따라서 고장 진동의 시간 역사 얻을 수 있습니다.
   5. (단계 1.5.3에서에서 교정 대상 플레이트 이미지에서 측정 되는) 픽셀 실제 크기 배율 인수를 사용 하 여 픽셀 실제 크기의 시간 역사를 변환 하 고 참조 위치를 식별 하. 시간 역사 분석 진동의 플롯.
2. PIV 측정
   1. PIV 소프트웨어를 실행 합니다. 단계 2.2.2에서에서 획득 하는 이미지를 사용 하 여 배율 계수와 좌표 참조 위치를 설정. 전 입자를 줄일 소음¹⁸이미지 처리 라이브러리를 통해 수집 된 데이터를 처리 합니다.
   2. 적응형 심문 지역 메서드를 사용 하 여 32 × 32 픽셀의 최소 눈금 크기와 50%의 최소 중복. 이미지 영역을 선택 하 고 적응 간 상관 관계에 대 한 3 x 3 벡터 유효성 검사를 설정 합니다.
   3. 결과 속도 벡터 필드, 블루 벡터는 올바른 벡터에서 녹색 것 들은 대체 벡터 되며 붉은 색은 나쁜 벡터.
   4. 3 x 3 이동 하는 그것의 이웃에서 벡터를 비교 하 여 로컬 속도 추정 하는 평균 유효성 검사 메서드를 적용 합니다. 그들의 이웃의 평균 그들의 이웃에서 너무 많이 일탈 하는 벡터를 교체 합니다.
   5. 흐름 특성에 시간 역사, 예를 들어, 시간 평균 속도, 표준 편차, 크로스-속도 구성 요소 간의 상관 관계를 속도 지도에서 벡터 통계를 계산 합니다. 흐름 필드, 예를 들면, 전단, 전단 응력, 그리고 소용돌이 치는 힘의 내부 기능을 보여 주기 위해 벡터 지도에서 스칼라 파생 상품을 계산 합니다.

결과

그림 2d 레프 고장 위치의 시간 기록을 보여줍니다. 블랙 곡선 좌측 레프 나타내고 빨간색 곡선 레프 우 현을 나타냅니다. 시간 규모는 자유 흐름 속도 및 줄 길이 의해 nondimensionalized. 이 두 사이의 상관 계수 시간 역사는 r = −0.53, 레프 고장 위치 진동의 강한 반대로 대칭 상호 작용을 나타내는. 이 결과^13,,1920타인의 작품으로 잘 동의합니다.

그림 3 α 에서 경도 횡단면 레프 흐름 구조에서는 34 °와 다시 ...

토론

이 문서 두 가지 흐름 시각화 방법, 향상 된 연기 흐름 시각화 및 PIV 측정, 질적 및 양적 흐름 구조 델타 날개를 통해 조사를 선물 한다. 실험의 일반적인 절차는 단계적으로 설명 되어 있습니다. 포함 된 장치는 다른 하는 동안 이러한 두 가지 방법의 설정은 거의 동일 합니다. 이러한 두 흐름 시각화 방법의 기본 원리는 레이저 시트를 통해 흐름에 입자를 밝히는 것입니다. 향상 된 연기 흐름 시각화는 알 수 없는 흐름 구조에 대 한 개요를 얻기 위해 도움이 되는 동시에 글로벌 흐름 구조 및 작은 현지 구조를 얻을 수 있습니다. 양적 PIV 분석 재미 있는 흐름 필드의 자세한 벡터 지도를 제공합니다. 따라서, 이러한 흐름 시각화 방법 결합 연구 효율성을 크게 개선할 수 있습니다.

일반 연기 와이어 흐름 시각화와 비교, 여기 설명 연기 흐름 시각화 방법 오히려 효율적으로 실시. 입자는 균일 하 게 배포 하 고, 때문에 작은 흐름 구조는 쉽게 식별 됩니다. 복잡 한 3 차원 흐름에서...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
532 nm Nd:YAG 레이저	콴텔 레이저	에버그린 600mJ
고속 카메라	Dantec Dynamic	HiSense 4M
카메라 렌즈	Tamron	SP AF180mm F/3.5 Di
PIV 기록 및 처리 소프트웨어	Dantec Dynamic	DynamicStudio
원통형 렌즈	Newport		Φ=12mm
볼록 렌즈	Newport		f = 700mm
중립 밀도 필터	Newport
교정 대상			맞춤형
에어로졸 발생기	TSI	TSI 9307-6
펄스 발생기	Berkeley Nucleonics Corp	BNC 575
연속 레이저		APGL-FN-532-1W
디지털 카메라	니콘	니콘 D5200
이미지 처리	Matlab		사용자 정의 코드
풍동 지원			맞춤형
레이저 레벨	BOSCH	GLL3-15X
각도 측정기	BOSCH	GAM220