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

Os jatos militares voam a velocidades incríveis que excedem a velocidade do som, chamadas de velocidades supersônicas. Ao descrever velocidades supersônicas, usamos o número Mach para medir essa velocidade em relação à velocidade do som. Em um número de Mach maior que 0,8, mas menor que 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 compressibilidade do ar devem ser considerados, porque nessas altas velocidades o ar tem mudanças significativas de densidade. Quando a velocidade do fluxo de entrada está acima de Mach 1.0, uma onda de choque oblíqua se forma a partir 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 ocorrem mudanças abruptas nas propriedades do fluxo, como pressão, temperatura e densidade. 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, densidade e temperatura diminuem continuamente no ventilador de expansão, enquanto a velocidade aumenta. Como a densidade do ar muda significativamente dentro da onda de choque e dos ventiladores de expansão, eles podem ser visualizados usando uma técnica de visualização de fluxo baseada em densidade, chamada Schlieren Imaging.

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

Na Schlieren Imaging, uma fonte de luz colimada brilha no corpo e a variação no índice de refração distorce o feixe de luz. Para visualizar a deflexão, um fio de faca é colocado no plano focal da luz transmitida, bloqueando 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 visualizar as ondas de choque e os ventiladores de expansão.

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

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

Primeiro, ative as torres de secagem para desidratar o ar. Isso evitará a formação de gelo devido a quedas de temperatura local na seção de teste. Em seguida, abra a seção de texto e proteja os 15? modelo de cone de meio ângulo para a estrutura de suporte no interior. Verifique a seção de teste para certificar-se de que está livre de detritos e quaisquer outros objetos. Em seguida, feche a seção de teste.

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

Para configurar o sistema Schlieren Imaging, primeiro ligue a luz e o ventilador de resfriamento. Em seguida, coloque um pedaço de papel no lado oposto da seção de teste 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 o fio da faca para que fique no ponto focal do segundo espelho. Em seguida, ajuste a abertura do fio da navalha para obter a qualidade de imagem desejada.

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

Primeiro, coloque a proteção auditiva apropriada e, em seguida, certifique-se de que ninguém esteja perto da exaustão de ar fora do prédio. Comece abrindo o suprimento de ar para o controlador de válvula rápida. Em seguida, abra a válvula principal, que permite a entrada de ar no sistema. Agora, apague 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 de Schlieren do fluxo de Mach 2.0 sobre o modelo de cone. Quando terminar, desligue o túnel de vento fechando as válvulas na ordem inversa e, em seguida, desligando o controlador. Aguarde até que o aparelho termine de liberar o ar antes de remover a proteção auditiva.

Agora, vamos dar uma olhada na imagem adquirida usando a configuração de Schlieren. O modelo utilizado neste experimento foi um cone com meio ângulo de 15?, e foi submetido a escoamento supersônico a 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 de 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 de 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 de Mach 2.0 sobre um cone.