Imageamento de Schlieren: uma técnica para visualizar recursos de fluxo supersônico

Jatos militares voam a velocidades incríveis que excedem a velocidade do som, chamadas velocidades supersônicas. Ao descrever velocidades supersônicas, usamos o número mach para medir essa velocidade em relação à velocidade do som. Em um número mach maior que 0,8, mas menos de 1,2, a velocidade é transônica. Acima de Mach 1.2, a velocidade é supersônica.

Vamos dar uma olhada mais de perto no que está acontecendo nessas altas velocidades, analisando o fluxo de ar em torno de um corpo em forma de cone. Acima de um número mach de 0.3, os efeitos de compressão do ar devem ser considerados, porque nestas altas velocidades o ar tem mudanças significativas de densidade. Quando a velocidade de fluxo de entrada está acima de Mach 1.0, uma onda de choque oblíqua se forma do nariz do cone ou cunha, e ventiladores de expansão se formam ao redor do corpo em movimento.

Uma onda de choque é uma perturbação de propagação extremamente fina, onde mudanças abruptas nas propriedades de fluxo, como pressão, temperatura e densidade, ocorrem. Um ventilador de expansão consiste em um número infinito de ondas e é causado quando o fluxo supersônico gira em torno de um canto convexo. A pressão, a densidade e a temperatura diminuem continuamente através do ventilador de expansão, enquanto a velocidade aumenta. Uma vez que a densidade do ar muda significativamente dentro da onda de choque e ventiladores de expansão, eles podem ser visualizados usando uma técnica de visualização de fluxo baseada em densidade, chamada Schlieren Imaging.

O método Schlieren baseia-se no índice de refração, que é a razão da velocidade da luz em um vácuo, para sua velocidade dentro de um meio específico. A variação do índice de refração é proporcional à variação da densidade. Assim, à medida que a densidade do ar muda na onda de choque e ventilador de expansão, o mesmo acontece com o índice de refração.

Na Schlieren Imaging, uma fonte de luz colidida brilha sobre o corpo, e a variação no índice de refração distorce o feixe de luz. Para visualizar a deflexão, uma ponta de faca é colocada no plano focal da luz transmitida, bloqueando assim parte da luz desviada, e aumentando o contraste da imagem projetada na tela. Isso resulta em uma imagem de alta e baixa intensidade de luz, que mapeia as áreas de alta e baixa densidade do ar, permitindo assim visualizar as ondas de choque e ventiladores de expansão.

Neste experimento, demonstraremos o uso de um sistema de imagem Schlieren para visualizar as ondas de choque e ventiladores de expansão formados pelo fluxo de ar Mach 2 sobre um cone.

Este experimento utiliza um sistema Schlieren para imagens de ondas de choque geradas por um túnel de vento supersônico em torno de um modelo de cone de meio ângulo de 15°. O sistema Schlieren usado neste experimento está configurado como mostrado.

Primeiro, ative as torres secadoras para desidratar o ar. Isso evitará a formação de gelo devido a quedas de temperatura locais na seção de teste. Em seguida, abra a seção de texto e fixe o modelo de cone de meio ângulo de 15° na estrutura de suporte no interior. Verifique a seção de teste para ter certeza de que está livre de detritos e quaisquer outros objetos. Em seguida, feche a seção de teste.

Certifique-se de que a válvula principal para o controle de fluxo de ar está fechada, em seguida, ligue o compressor para pressurizar o tanque de armazenamento de ar e deixe o tanque chegar a 210 psi. Se o compressor não desligar automaticamente quando a pressão for atingida, desligue o compressor manualmente. Agora, ligue o controlador para a válvula de alta velocidade.

Para configurar o sistema de imagem Schlieren, primeiro acenda a luz e o ventilador de resfriamento. Em seguida, coloque um pedaço de papel no lado oposto da seção de teste a partir da fonte de luz. Alinhe o primeiro espelho côncavo para permitir que a luz passe pela seção de teste e verifique se a luz atinge o papel. Em seguida, posicione uma tela de projeção onde a imagem é formada.

Agora, ajuste o segundo espelho côncavo para que a luz que passa pela seção de teste seja refletida na tela de projeção. Ajuste a borda da faca de modo que ela esteja no ponto focal do segundo espelho. Em seguida, ajuste a abertura da ponta da faca para alcançar a qualidade de imagem desejada.

Para gravar a imagem projetada, coloque uma câmera em um tripé que fica de frente para a tela. Para gravar diretamente no sensor da câmera, posicione a câmera na frente da abertura da borda da faca. Agora que o aparelho está configurado, vamos executar o experimento.

Primeiro, coloque a proteção auditiva apropriada, depois certifique-se de que ninguém está perto do escapamento do ar fora do prédio. Comece abrindo o fornecimento de ar para o controlador de válvulas rápida. Em seguida, abra a válvula principal, que permite o ar para dentro do sistema. Agora, desligue as luzes da sala para que a imagem projetada seja mais fácil de ver. Em seguida, ative o túnel de vento pressionando o botão verde localizado ao lado do controlador, que abre a válvula rápida.

Observe a Imagem Schlieren do fluxo Mach 2.0 sobre o modelo cone. Quando terminar, desligue o túnel de vento fechando as válvulas em ordem inversa e, em seguida, desligando o controlador. Aguarde até que o aparelho esteja pronto liberando ar antes de remover a proteção auditiva.

Agora, vamos dar uma olhada na imagem adquirida usando a configuração Schlieren. O modelo usado neste experimento foi um cone com um ângulo meio de 15°, e foi submetido a fluxo supersônico em Mach 2.0. Podemos observar a presença de uma onda de choque, como mostrado aqui.

Teoricamente, um choque oblíquo deve se formar na superfície do cone, em um ângulo de 33,9°. O valor do ângulo de choque oblíquo é obtido a partir da Equação Taylor-Maccoll, que deve ser resolvida numericamente. O ângulo experimental medido foi de 33,6%, um erro percentual inferior a 1%, em comparação com os dados teóricos.

Além disso, a técnica Schlieren permite a visualização de ventiladores de expansão sobre o cone. O ventilador de expansão é um processo de expansão esperado que ocorre quando o fluxo supersônico gira em torno de um ângulo convexo.

Em resumo, aprendemos como o Método Schlieren usa mudanças no índice de refração para visualizar ondas de choque e ventiladores de expansão em fluxo supersônico. Em seguida, utilizamos a técnica de imagem para visualizar os padrões de ondas de choque e expansão no campo de fluxo Mach 2.0 sobre um cone.