Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التحقيق التجريبية في هيكل التدفق عبر جناح دلتا عن طريق أساليب التصور تدفق

Published: April 23, 2018 doi: 10.3791/57244
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Hong Kong Polytechnic University

Summary

نقدم هنا، وضع بروتوكول لمراقبة تدفقات دوامة متقلب على جناح دلتا استخدام تقنية تصور تعديل تدفق دخان والتحقيق الآلية المسؤولة عن الذبذبات لمواقع توزيع دوامة الرائدة.

Abstract

فمن المعروف جيدا أن مجال التدفق عبر جناح دلتا يهيمن على زوج من عداد الدورية الرائدة الدوامات (ليف). غير أن هذه الآلية ليست مفهومة جيدا. تقنية التصور تدفق طريقة غير تدخلية واعدة لتوضيح مجال التدفق معقدة مكانياً وزمنياً. إعداد تصور تدفق أساسي يتكون من ليزر ذات الطاقة العالية والعدسات البصرية لتوليد الورقة الليزر وكاميرا ومولد جسيمات الراسم ومعالج البيانات. إعداد نفق الرياح ومواصفات الأجهزة المعنية، وإعدادات المعلمة المقابلة تعتمد على ميزات التدفق للحصول عليها.

ويستخدم سلك الدخان العادي تدفق التصور سلك دخان لإثبات خط التدفق. ومع ذلك، يقتصر أداء هذا الأسلوب القرار المكانية الفقيرة عندما يجري في حقل تدفق معقدة. ولذلك، تم تطوير أسلوب تصور تحسين تدفق دخان. هذا الأسلوب يوضح مجال التدفق ليف العالمية الواسعة النطاق والهيكل تدفق طبقة القص الصغيرة في الوقت نفسه، يوفر مرجعاً قيماً لقياس فيلوسيميتري (PIV) الصورة في وقت لاحق مفصل الجسيمات.

ويتجلى في هذه الورقة، والتطبيق لتحسين تدفق الدخان التصور والقياس PIV دراسة الظواهر تدفق متقلب على جناح دلتا. يتم سرد الإجراءات ويحذر لإجراء التجربة، بما في ذلك إعداد نفق الرياح، والحصول على البيانات، وتجهيز البيانات. وتبين النتائج الممثل أن هذه الأساليب التصور تدفق اثنين تقنيات فعالة للتحقيق في مجال التدفق ثلاثي الأبعاد كما وكيفا.

Introduction

قياس تدفق الحقل عن طريق تقنيات التصور منهجية أساسية في هندسة السوائل. بين تقنيات مختلفة التصور، سلك الدخان تدفق التصور في تجارب نفق الرياح وصبغ التصور في تجارب نفق المياه هي الأكثر استخداماً لتوضيح تدفق هياكل نوعيا. PIV والليزر دوبلر أنيموميتري (LDA) على اثنين من التقنيات الكمية النموذجية1.

في التصور تدفق الدخان الأسلاك، ولدت من قطرات النفط على سلك تدفئة خط الدخان أو حقن من الدخان الخارجي المولد/الحاوية خلال التجارب. وتستخدم مصابيح عالية الطاقة أو أوراق الليزر لإلقاء الضوء على خط الدخان. ثم يتم تسجيل الصور لمزيد من التحليل. هذه بسيطة ولكنها مفيدة جداً تدفق التصور الأسلوب2. بيد أن فعالية هذا الأسلوب قد تكون محدودة بعوامل مختلفة، مثل مدة قصيرة من الأسلاك الدخان، مجال التدفق ثلاثي الأبعاد المعقدة، وسرعة التدفق عالية نسبيا، وكفاءة توليد الدخان3.

في القياسات PIV، قطاعا عريضاً حقل التدفق مع جزيئات مجرور مضاءة بورقة ليزر، ومواقف فورية للجسيمات في هذا المقطع العرضي يتم التقاطها بواسطة كاميرا عالية السرعة. ضمن فاصل زمني الصغيرة جداً، يتم تسجيل زوج من الصور. تقسيم الصور إلى شبكة مجالات التحقيق، وحساب متوسط حركة الجسيمات في مجالات الاستجواب من خلال وظائف عبر الارتباط، يمكن الحصول على خريطة ناقل السرعة الفورية في هذا المقطع العرضي الملاحظة. ومع ذلك، من المعروف أيضا أنه يجب التوصل إلى حلول توفيقية لعوامل بما في ذلك حجم إطار المراقبة، القرار خارطة السرعة، ومدى السرعة في الطائرة، الفاصل الزمني بين زوج الصور، سرعة متعامد حجم و كثافة الجسيمات4. ولذلك، قد تحتاج العديد من التجارب الاستكشافية تحسين إعدادات التجريبية. أنها ستكون مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً للتحقيق في حقل تدفق غير معروف ومعقدة مع PIV القياس وحدها5،6. في ضوء الشواغل المذكورة أعلاه، يقترح استراتيجية الجمع بين التصور تدفق الدخان وقياس PIV وأثبت هنا لدراسة تدفق المعقدة على جناح دلتا مرهف.

وكانت العديد من الدراسات من تدفقات ليف على أجنحة دلتا أجرى7،8، مع تدفق التصور التقنيات المستخدمة كالأدوات الأولية. وقد لوحظ العديد من الظواهر المثيرة للاهتمام في التدفق: اكتب نوع دوامة وفقاعة دوامة الانهيار9،10، قص متقلب طبقة محيطة11،12، ذبذبات ليف انهيار المواقع13 ، وآثار الترويج وياو زوايا14،،من1516 في بنيات التدفق. ومع ذلك، تظل الآليات الكامنة لبعض الظواهر متقلب في تدفقات الجناح دلتا غير واضحة7. في هذا العمل، وتحسين تدفق الدخان التصور استخدام الجسيمات بذر نفسها المستخدمة في قياس PIV، بدلاً من سلك دخان. هذا التحسن إلى حد كبير يبسط عملية التصور ويزيد من جودة الصور. استناداً إلى النتائج من التصور تحسين تدفق الدخان، قياس PIV يركز على مجالات تدفق تلك الفائدة للحصول على المعلومات الكمية.

هنا، يرد وصف مفصل لشرح كيفية إجراء تجربة تصور تدفق في نفق الرياح للتحقيق في ظاهرة تدفق متقلب على جناح دلتا. يتم استخدام أسلوبين من أساليب التصور، تصور تحسين تدفق الدخان وقياس PIV، معا في هذه التجربة. ويشمل الإجراء إرشادات خطوة بخطوة لتعديل المعلمة والإعداد للجهاز. وأظهرت النتائج النموذجية لإظهار ميزة الجمع بين هاتين الطريقتين لقياس مجال التدفق معقدة مكانياً وزمنياً.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1-الإعداد نفق الرياح

  1. نموذج الجناح دلتا
    1. بناء نموذج جناح دلتا من الألمنيوم، مع زاوية اكتساح φ ° 75، طول وتر ج من 280 مم جذر تمتد ب 150 مم وسمك 5 ملم. لها حواف الرائدة في كلا مشطوب في 35° لإصلاح نقطة الفصل17 (انظر الشكل 1a).
  2. مرفق نفق الرياح
    1. إجراء تجارب في نفق الرياح منخفضة السرعة مغلقة، مع قسم اختبار من 2.4 متر (طول) × 0.6 متر (عرض) × 0.6 م (الارتفاع) التي مجهزة بالجدران الزجاجية التي تسمح بالوصول البصرية أثناء التجارب. ينبغي أن تكون كثافة مضطربة مثل هذا المرفق أقل من 0.4 في المائة.
      ملاحظة: في هذه الدراسة، كنا نفق الرياح في "جامعة البوليتكنيك هونغ كونغ" مع الخصائص المذكورة أعلاه. أيضا، على السرعة فريستريم يو∞ 10.56 m/s، وتراوحت 2.64 m/s المقابلة لعدد رينولدز، الطاقة المتجددة، من 5 × 104 إلى 2 × 105، استناداً إلى طول وتر الجناح دلتا، وهو نطاق رحلة نموذجية المركبات الجوية غير المأهولة (الطائرات بدون طيار).
    2. حسب الحاجة، استخدم ثلاثة ترتيبات مختلفة (انظر الشكل 1 باء-d) الورقة الليزر والكاميرات لمراقبة هياكل تدفق في المقطع العرضي الطولي والمقطع العرضي سبانويسي والمقطع العرضي عرضية. ويبين الشكل 1bالرسومات الإعداد.
      ملاحظة: هذا البروتوكول يدل على الإعداد والقياس في المقطع العرضي طولية بالتفصيل.
  3. تثبيت الجناح دلتا
    1. إصلاح الحافة الجناح دلتا على اللدغة، ودليل حركة دائرية تستخدم لضبط زاوية للهجوم (الزراعة)، α. مركز الدليل التعميم على الخط المركزي للمقطع اختبار نفق الرياح. وهكذا، يمكن دائماً مركز الجناح دلتا في وسط المقطع الاختبار. تعديل الاتفاق بشأن الزراعة إلى α = 34 °.
    2. ضبط النموذج الجناح دلتا التقليل إلى أدنى حد من أي زاوية الانعراج ودحر زاوية، بالتحقق من القراءات زاوية متر ومستوى ليزر ثلاثي المحاور بعناية. في الدراسة الحالية، وعدم التيقن من هذه الزوايا هما أقل من 0.1 درجة.
  4. قم بإعداد الورقة الليزر
    1. تستخدم أشعة الليزر اثنين بشكل منفصل لإلقاء الضوء على هياكل تدفق لقياس PIV والتصور تدفق الدخان.
      1. لقياس PIV، استخدام ليزر نبض مزدوج، مع موجه 532 نانومتر و طاقة قصوى من 600 مللي جول (قابل للتعديل) لكل نبضة. السيطرة عليه مع مزامن مع إشارات منطق (TTL) الترانزستور الترانزستور (انظر الشكل 1b).
      2. للتصور تدفق الدخان، واستخدام ليزر مستمر مع طول موجه 532 نانومتر وقوة 1 دبليو ويعمل هذا الليزر المستمر بشكل مستقل. أثناء تثبيت برنامج الإعداد، استخدم مرشح كثافة محايدة مع نفاذية 10% لتصفية شعاع الليزر للسلامة.
    2. ارتداء نظارات الليزر المناسبة.
    3. ضبط مرآة انعكاس لإدخال شعاع الليزر في نفق الرياح. الزاوية بين محور ضوء الليزر والمرأة Equation 1 ، وجعل شعاع الليزر العادي على سطح الجناح دلتا. التأكد من أن شعاع الليزر حول موقف س/ج ≅ 0.25، الذي سيكون في وقت لاحق وسط حقل الرؤية (FOV).
    4. تثبيت أشعة الليزر (مع الليزر المستمر، في البداية) لتشكيل الورقة الليزر، كما هو مبين في الشكل 1 باء. عدسة محدبة يستخدم للتحكم في حجم شعاع الليزر (سمك الورقة أيضا). عدسة أسطوانية يوسع شعاع الليزر إلى ورقة ليزر.
      ملاحظة: في الدراسة الحالية، والبعد البؤري للعدسة الاسطوانية 700 مم، وقطر العدسة الاسطوانية 12 مم.
    5. فحص سمك الورقة الليزر بقياس خط الليزر على النموذج. ضبط مكان العدسة محدبة إذا كان سمك الورقة الليزر غير مناسب (هنا، حوالي 1 ملم، مع عرض فعالية الليزر في المقطع اختبار حوالي 100 مم). لاحظ أن سمك الورقة الليزر يعتمد على 1) عنصر السرعة في الاتجاه الطبيعي للورقة الليزر و 2) الفاصل الزمني بين زوج اللقطات في قياس PIV.
    6. وضع لوحة هدف معايرة على الجناح دلتا، مع سطحه تزامنت للورقة الليزر. هذه الخطوة ضروري لأن فوف في الدراسة الحالية ليست متعامد إلى الإحداثيات نفق الرياح.
  5. إعداد الكاميرا
    1. قم بإيقاف تشغيل الليزر عند إعداد الكاميرا. كما مع الليزر، واستخدام اثنين من الكاميرات لكل جزء منفصل من هذه التجربة:
      1. لقياس PIV، استخدام كاميرا CCD عالي السرعة بدقة 2048 × 2048 بكسل. هذه الكاميرا هو يسيطر عليها "المزامن" والنبض المزدوج بالليزر (انظر الشكل 1b). سوف تحال البيانات في هذه الكاميرا مباشرة إلى الكمبيوتر.
      2. للتصور تدفق الدخان، واستخدام كاميرا رقمية تجارية مع قرار لقطة من 4,000 بكسل × 6,000 وقرار تسجيل فيديو 50 هرتز 1280 × 720 بكسل أثناء التصور تدفق الدخان. وسيتم تشغيل أنه يدوياً.
    2. تحريك موضع الكاميرا (التجارية الكاميرا الرقمية، في البداية) للحصول على فوف المرجوة. ضبط عدسة الكاميرا إلى التركيز على لوحة المعايرة المستهدفة. تأكد من أن تركز الحقل بأكمله. إذا لم يكن الأمر كذلك، قد لا تكون إحداثيات الكاميرا متعامد على لوحة المعايرة الهدف. وهكذا، ضبط موضع الكاميرا بدقة18.
    3. تتخذ عدة إطارات بعد الكاميرا أيضا تعيين. في وقت لاحق، ستستخدم هذه الإطارات من لوحة الهدف معايرة معايرة عامل المقياس بين الحجم الحقيقي والإطار بكسل، وتحديد موقف المرجعية في إحداثيات xyz. ثم إزالة لوحة المعايرة المستهدفة.
  6. تشغيل نفق الرياح بسرعة منخفضة (مثلاً، 3 m/s) وضخ النفط الجسيمات في نفق الرياح. تعيين ضغط مولدات الأيروسول في 2.5 بار وتشغيله لمدة 30 ق لأسلوب التصور المصنف قبل تدفق. وبعد ذلك، سوف المصنف نفق الرياح كله موحد مع جزيئات النفط في عادي يبلغ قطرها حوالي 1 ميكرون.
    ملاحظة: في الدراسة الحالية، وأن تركيز كثافة الجسيمات النفط المقدر في نفق الرياح تقريبا Equation 2 في التصور تدفق الدخان؛ وهكذا، التغيير الشامل كثافة التدفق في نفق الرياح Equation 3 .
  7. PIV برنامج الإعداد
    1. التحكم في نظام PIV مع البرمجيات PIV (انظر الجدول للمواد). هذا البرنامج يمكن أن الأمر "المزامن" لإرسال إشارات TTL بالليزر والكاميرا، كما هو مبين في الشكل 1 باء.
    2. ضبط تردد أخذ العينات في 5 هرتز، مع عدد عينات الكلي من 500. الفاصل الزمني بين إطارات PIV هو 80 المايكروثانيه. علما أن الفاصل الزمني للوقت يتوقف على حجم سرعة فوف وتدفق. تأكد من وجود مجالات الاستجواب في إطارين حول تداخل نسبة 50-75%.

2-تشغيل التجربة

  1. تحسن التصور تدفق الدخان
    1. قم بتشغيل نفق الرياح في السرعة المرجوة فريستريم (U = 2.64 م/ث). قم بتشغيلها لمدة 10 دقيقة لتثبيت السرعة فريستريم. في Re = 50,000، هو سرعة فريستريم ش = 2.64 م/ث.
    2. قم بتشغيل الليزر المستمر. استخدام الكاميرا الرقمية لالتقاط لقطات 5-10 من هيكل التدفق.
    3. تحقق ما إذا كانت الورقة الليزر في شريحة طولية من صميم ليف (انظر هيكل نموذجي هو موضح في الشكل 3). إذا كان الأمر كذلك، وضع علامة على هذا الموقف على نموذج الجناح دلتا كمرجع لقياس PIV لاحقاً؛ وبخلاف ذلك، تغيير موضع الورقة الليزر بضبط العدسة البصرية وإعادة معايرة اتباع الخطوات 1.4.6-1.5.3.
    4. استعراض تلك الصور، والتحقق من التركيز والسطوع. إذا كانت جودة الصورة غير مرضية، قم بضبط فتحه العدسة أو الإعداد ISO.
    5. اتخاذ مزيد من اللقطات (عادة حوالي 20) وأشرطة الفيديو (حوالي 40 s) مع الإعداد الصحيحة. إيقاف الليزر ونقل البيانات إلى الكمبيوتر.
  2. قياس PIV
    1. يستند موقف مرجع معروف من الخطوة 2.1.3 ونتائج اللقطات من الخطوة 2.1.5، اختر منطقة مثيرة لاهتمام (س/ج≈ 0.3) فوف، حيث يمكن ملاحظة هياكل فرعية دوامة. استبدال الليزر المستمر وكاميرا رقمية مع الليزر النبض المزدوج وكاميرا CCD لقياس PIV.
    2. كرر الخطوات 1.4.6-1.5.3 لتسجيل المعايرة لقياس PIV.
    3. تشغيل نفق الرياح في السرعة المرجوة فريستريم، ش = 2.64 م/س. وتشغيلها لمدة 10 دقائق التأكد من أن سرعة فريستريم مستقرة.
    4. ضبط الليزر النبض المزدوج إلى مستوى طاقة أعلى والوقوف إلى جانب. استخدام البرنامج لبدء الحصول على البيانات ل 100 s. وبمجرد الانتهاء من تسجيل البيانات، قم بإيقاف رئيس الليزر.
    5. استعراض الصور المكتسبة في البرمجيات والتحقق من توزيع ورقة الليزر، وكثافة الجسيمات (عادة 6-10 جزيئات في كل مجال من مجالات التحقيق المطلوب)، والتركيز، وتشريد الجسيمات بين إطارات مزدوجة (25-50 ٪ الاستجواب المنطقة).
    6. وإذا كانت جودة الصور مرضية، كما هو موضح في الخطوة 2.2.5. وحفظ البيانات على القرص الثابت لجهاز الكمبيوتر وتشغيل حالات أخرى بتكرار الخطوات المذكورة أعلاه. خلاف ذلك، كرر الخطوات 1، 7 و 2-2 وضبط الإعداد بعناية.

3-معالجة البيانات

  1. تحسن التصور الدخان
    ملاحظة: الخطوات التالية، 3.1.1-3.1.4، تتم عن طريق مدونة MATLAB تلقائياً (راجع ملف الترميز الإضافي).
    1. تحويل الفيديو إلى سلسلة إطارات. تحويل الإطارات من النموذج RGB إلى تدرج الرمادي. استدارة الإطار لجعل سطح الجناح دلتا الأفقي. اختر مجال الاهتمام لمعالجة لاحقة (الشكل 2a).
    2. ضبط السطوع والتباين لتسليط الضوء على هيكل التدفق. تطبيق حد تكيفية لتحويل صورة رمادية إلى صورة ثنائية (الشكل 2).
    3. إضافة القيم الثنائية في كل عمود والعثور على الموضع الذي المجموع تتغير فجأة. وهذا الموقف هو موقع انهيار دوامة (الشكل 2 (ج)).
    4. تسجيل مواقع انهيار دوامة وأوقات المقابلة الخاصة بهم. وهكذا يمكن الحصول على تاريخ وقت انهيار التذبذب.
    5. استخدم عامل مقياس حجم بكسل-الحقيقي (يتم قياسها من الصور مع لوحة المعايرة الهدف في الخطوة 1.5.3) لتحويل التاريخ الوقت من بكسل للحجم الحقيقي وتحديد موقف المرجعية. ارسم تاريخ وقت انهيار التذبذب.
  2. قياس PIV
    1. قم بتشغيل برنامج PIV. استخدام الصور التي اكتسبها في خطوة 2.2.2 لتعيين عامل المقياس وموقف المرجعية من الإحداثيات. قبل معالجة البيانات المكتسبة من خلال مكتبة معالجة الصور تسليط الضوء على الجسيمات، والحد من الضوضاء18.
    2. استخدم الأسلوب مجال الاستجواب التكيف مع حجم شبكة الحد أدنى 32 × 32 بكسل وتداخل الحد أدنى من 50%. اختر مساحة الصورة وتعيين التحقق من صحة 3 × 3 ناقلات للتكيف عبر-الارتباطات.
    3. وتعطي النتيجة كحقل ناقل سرعة وفي التي هي الأزرق ناقلات ناقلات الصحيح، هم الأخضر ناقلات المستبدلة والحمراء منها نواقل سيئة.
    4. تطبيق 3 × 3 نقل طريقة متوسط التحقق من الصحة لتقدير سرعة المحلية عن طريق مقارنة ناقلات حي. استبدال النواقل التي تنحرف كثيرا عن جيرانهم بالمتوسط من جيرانهم.
    5. حساب الإحصائيات متجه في الخرائط السرعة للحصول على خصائص تدفق في التاريخ الوقت مثلاًوسرعة بلغ متوسط الوقت، والانحراف المعياري، والصليب-العلاقة المتبادلة بين مكونات السرعة. حساب مشتقات مفردة من الخريطة متجه إظهار ميزات الداخلية مجال التدفق، مثلاً، الدردوريه وتؤكد القص، وقوة دوامات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ويبين الشكل 2d تاريخها وقت المواقع انهيار ليف. المنحنى الأسود إلى ليف بورتسيدي والمنحنى الأحمر تشير إلى الميمنة ليف. مقياس الوقت نونديمينسيوناليزيد بطول السرعة ووتر تيار مجاناً. معامل الارتباط بين هذين الوقت وتاريخها r = −0.53، مما يشير إلى وجود تفاعل متماثل لمكافحة قوية للذبذبات موقع انهيار ليف. وتتفق هذه النتيجة جيدا مع عمل الآخرين13،،من1920.

ويبين الشكل 3 هيكل تدفق ليف في المقطع العرضي طولية في α = 34 ° و Re = 75,000. الصورة الأصلية كانت الملتقطة بواسطة الكاميرا الرقمية في النموذج RGB، مع مدة تعرض 1/500 ثانية. في هذا الشكل، هو تطبيع اﻻحداثي طول وتر الجناح دلتا. يتم رسم نطاق 10 ملم في الركن الأيمن العلوي للرجوع إليها. النتيجة تبين بوضوح جوهر ليف الأولية، التي طورت من طرف الجناح دلتا إلى المصب في خط مستقيم. قرب الموقف في x = 0.19 ج، يوسع قلب دوامة فجأة. هذا هو المعروف بحافة الرائدة في دوامة الانهيار9،21. وبعد موقع الانهيار، يصبح أعقاب المضطربة. حول لب ليف الأولية هياكل دوامة صغيرة. هذه هياكل فرعية تنشأ من حواف الرائدة ودوامه حول دوامة الأولية الأساسية داخل المتداول حتى القص طبقة12،،من2223. كما هياكل فرعية الانتقال إلى الطبقة الداخلية ليف، تمتد شكلها بسبب عنصر السرعة العالية نسبيا في الاتجاه الطولي القرب من صميم دوامة. وخلال التجربة، لوحظ أن هيكل تدفق ليف ثابتة تماما، ما عدا في موقع انهيار ليف. هذه النتيجة تبين أن هذا الأسلوب التصور تدفق الدخان يمكن تحقيق توازن جيد بين هيكل تدفق الصغيرة المحلية وتطور هيكل التدفق العالمي.

ويبين الشكل 4 الصور النمطية الجسيمات في منطقة 64 × 64 بكسل، تم الاستيلاء عليها من قياس PIV. في مجال الاستجواب 32 × 32 بكسل في الإطار ألف، هناك 10 الجسيمات التي تم تحديدها، تميزت الدوائر الصفراء. بعد الفاصل الزمني بين إطارين، يزيح هذه الجسيمات إلى مواقع جديدة، كما هو مبين في "الإطار B" عمليات النزوح ما يقرب من ربع منطقة الاستجواب، نتج عنه تداخل 70% تقريبا بين هذه المجالات الاستجواب. بالإضافة إلى ذلك، لا تزال تقريبا جميع الجسيمات في الطائرة ورقة الليزر، مما يشير إلى أن معلمات الإعداد اختيرت على نحو مناسب لهذه الحالة.

يبين الشكل 5 نتائج PIV بلغ متوسط الوقت في المقاطع العرضية ستريمويسي وسبانويسي. قبل إجراء هذه القياسات، والتصور تحسين تدفق الدخان تجري لتحديد موقف دوامة الأولية الأساسية، اتباع الخطوات 2.1.1-2.1.3. يتم تطبيع الإحداثيات في الشكل 5 بطول وتر الجناح دلتا ج وطول سيميسبان المحلية SL. الدردوريه Equation 4 هو تطبيع ك ω * = ωU∞/ج. وفقا لهذه النتيجة، يمكن تحديد دوامة الأولية الأساسية بسهولة بنبرة خط فورتيسيتيس الإيجابية والسلبية، وأنه يتميز بخط منقط أسود. وتظهر طبقات القص المتداول في منطقتي السفلي والعلوي، فورتيسيتيس كبيرة. 24،25 معيار λci يستخدم لتحديد الدوامات من قياس PIV. في الشكل 5، توضيح خطوط متصلة المنطقة بقوة دوامات محلية أقل من الصفر، مما يشير إلى وجود الدوامات. وقرب الأساسية، التي امتدت هياكل فرعية لا تظهر في كفاف قوة دوامات. بيد كفاف الدردوريه مركزة لا يزال يوحي هياكل فرعية هنا، تميز بخط منقط أبيض. في الشكل 5b، الخريطة ناقل السرعة يبين بوضوح أن التدفق على كل جانب، يفصل في طليعة وتشكل طبقة قوي قص، والتي تتحرك في وقت لاحق في صلب ليف. مكملة لهيكل تدفق في المقطع العرضي ستريمويسي، هيكل تدفق سبانويسي يبين بوضوح تطور هياكل فرعية دوامة الخارجي.

Figure 1
رقم 1: مخططات للأجهزة. (أ) نموذج الجناح دلتا؛ (ب-د) على الأجهزة لقياس PIV في المقطع العرضي الطولي والعرضي سبانويسي المقطع العرضي عرضية، على التوالي. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 2
رقم 2: قياس موقع انهيار ليف. (أ) نتيجة تصور تدفق دخان يبين هيكل دوامة الرائدة في المقطع العرضي عرضية: α = 34 ° و Re = 50,000؛ منطقة ملحوظ مستدير ومواصلة معالجتها. (ب) صورة ثنائية من منطقة الملحوظ في الفقرة (أ)، تبين بوضوح ليف الأساسية وانهيار. (ج) ملخص لكل عمود في الصورة الثنائية (ب) وتحديد موقع انهيار ليف في الاتجاه ستريمويسي (اتجاه x)، طبعت بطول وتر ج. (د) تاريخ وقت المواقع انهيار ليف. Equation 5 هو الموقف الذي بلغ متوسط الوقت و Equation 6 هي المسافة الفورية للموقف الذي بلغ متوسط الوقت. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 3
الشكل 3: هيكل دوامة الرائدة في المقطع العرضي طولية في α = 34 ° و Re = 75,000، التي تم الحصول عليها من التصور تدفق الدخان. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 4
الشكل 4: صور الجسيمات في منطقة 64 × 64 بكسل- أن المنطقة المقابلة في الاستجواب 32 × 32 بكسل. الفاصل الزمني بين الإطارات أ وب من 80 ميكرو ثانية. الجسيمات التي تم تحديدها في مجال الاستجواب الأصلي تميزت بالدوائر الصفراء. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Figure 5
الرقم 5: نتائج PIV بلغ متوسط وقت. () أبعاد الدردوريه ω * كفاف مع خطوط متصلة وسم المناطق ذات قوة دوامات المحلية أقل من الصفر في المقطع العرضي الطولية. (ب) ديمينسيونلس الدردوريه ω * كفاف مع متجهات السرعة في المقطع العرضي سبانويسي في x = 0.4ج؛ يتم تطبيع الإحداثيات المحلية طول سيميسبان SL (α = 34 ° و Re = 50,000). الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تعرض هذه المقالة طريقتين التصور تدفق وتحسين تدفق الدخان التصور والقياس PIV، للتحقيق في هيكل التدفق عبر الجناح دلتا كمياً ونوعيا. ويرد وصف الإجراءات العامة للتجربة خطوة بخطوة. الأجهزة من هاتين الطريقتين هي نفسها تقريبا، في حين الأجهزة المعنية المختلفة. المبدأ الأساسي لهذه الأساليب التصور تدفق اثنين هو تسليط الضوء الجسيمات في التدفق عبر الورقة الليزر. يمكن الحصول على التصور تحسين تدفق الدخان هيكل التدفق العالمي والهياكل المحلية الصغيرة في نفس الوقت، ومفيدة للحصول على لمحة عامة عن بنية تدفق غير معروف. التحليل الكمي PIV يوفر خريطة مفصلة ناقلات الحقل تدفق مثيرة للاهتمام. وهكذا، الجمع بين هذه الأساليب التصور تدفق يمكن إلى حد كبير تحسين كفاءة البحوث.

بالمقارنة مع التصور تدفق سلك الدخان العادي، يجري بدلاً من كفاءة تدفق الدخان التصور الأسلوب أداءهم هنا. لأنه يتم توزيع الجسيمات شكل موحد، هياكل تدفق صغير يتم التعرف عليها بسهولة. يسمح هذا الأسلوب في تدفق ثلاثي الأبعاد معقدة، الورقة الليزر التي ستنشأ عند أي موضع المكانية لمراقبة تدفق الحقول في المقاطع العرضية مختلفة، بينما في أسلوب الأسلاك الدخان التقليدية، يجب أن تكون محاذاة دائماً الورقة الليزر مع الدخان اتجاه وإطار المراقبة هو محدود وعليه26. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن لا تفوت هذا الأسلوب تحسين أي تفاصيل التدفق الناجم عن عدم وجود الدخان في بعض المناطق خلال تجربة أسلاك دخان. ومع ذلك، هذا الأسلوب لا ستكون مناسبة لمرافق حلقة فتح نفق الرياح بسبب كيفية إجراء البذر. يجب أن يتم تحليل تدفق التصور البيانات بعناية لتجنب مزالق اضاءات خيالية3،27.

نظراً لأن مجال التدفق عبر الجناح دلتا ثلاثي الأبعاد للغاية وحساسة لأي اضطرابات، ينصح التحقيقات غير تدخلية21. للقياسات في الطائرات، فإنه من الضروري النظر عنصر السرعة متعامد على متن الطائرة المراقبة خلال PIV قياس28،29. وفي هذه الحالة، ينبغي أن يكون الفاصل الزمني بين إطارين وسمك الورقة الليزر حلاً وسطا مع سرعة متعامد التأكد من أن معظم الجزيئات لا تنتقل خارج الورقة الليزر. ويقترح لقياسات مماثلة، لتشغيل العديد من الحالات مع معلمات مختلفة الإعداد مسبقاً لتحديد أنسب تلك.

تدفق التصور الطرق الموضحة في هذه الورقة ملائمة وفعالة ومنخفضة التكلفة. في المستقبل، سيتم تطبيق هذه التقنيات إلى حقول التدفق المعقدة مع التحكم بالانسياب نشطاً، مثل هيئة خدعة اسحب الحد ودوامه-هيكل التفاعل، تقييم آثار التحكم بسرعة وفهم آليات المراقبة، والتعجيل تحسين معلمات عناصر التحكم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لها علاقة بالكشف عن.

Acknowledgments

الكتاب أود أن أشكر "مجلس هونغ كونغ للمنح البحثية" (لا. GRF526913)، هونج كونج الابتكار والتكنولوجيا لجنة (لا. ITS/334/15FP)، و "لنا مكتب البحرية البحوث العالمية" (لا. N00014-16-1-2161) للدعم المالي.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
532 nm Nd:YAG laser Quantel Laser Evergreen 600mJ
High speed camera Dantec Dynamic HiSense 4M
camera lens Tamron SP AF180mm F/3.5 Di
PIV recording and processing software Dantec Dynamic DynamicStudio
cylindrical lens Newport Φ=12 mm
convex lens Newport f=700 mm
neutral density filter Newport
Calibration target custom made
aerosol generator TSI TSI 9307-6
PULSE GENERATOR Berkeley Nucleonics Corp BNC 575
continuous laser APGL-FN-532-1W
Digital camera Nikon Nikon D5200
Image processing Matlab custom code
wind tunnel support custom made
laser level BOSCH GLL3-15X
angle meter BOSCH GAM220

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Smits, A. J. Flow visualization: Techniques and examples. , World Scientific. (2012).
  2. Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. Low-speed wind tunnel testing. , Wiley. New York. (1999).
  3. Merzkirch, W. Flow visualization. , Academic Press. (1987).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows. Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).
  6. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
  7. Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
  8. Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
  9. Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
  10. Payne, F. M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing. AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).
  11. Lowson, M. V. The three dimensional vortex sheet structure on delta wings. Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).
  12. Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
  13. Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
  14. Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing. AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).
  15. Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
  16. Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
  17. Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
  18. Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
  19. Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., Délery, J. Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location. AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).
  20. Shen, L., Wen, C. -y, Chen, H. -A. Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators. AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).
  21. Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
  22. Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
  23. Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
  24. Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
  25. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
  26. Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
  27. Greenwell, D. I. RTO AVT Symposium. , Leon, Norway. RTO-MP-069(I) (2001).
  28. Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
  29. Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. 3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing. Exp Fluids. 57 (6), (2016).

Tags

الهندسة، العدد 134، الجناح دلتا، الدخان التصور التدفق، دوامة الرائدة، دوامة الانهيار، ودوامه التذبذب، والجسيمات الصورة فيلوسيميتري
التحقيق التجريبية في هيكل التدفق عبر جناح دلتا عن طريق أساليب التصور تدفق
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C.… More

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C. Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods. J. Vis. Exp. (134), e57244, doi:10.3791/57244 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter