Visualização de fluxo com corante de superfície: um método qualitativo para observar padrões de estrias em fluxo supersônico

Visualizar o fluxo ao redor de um corpo automático é fundamental para entender e quantificar a estrutura de fluxo, bem como para teorizar o comportamento do fluxo de fluidos. Um tipo de visualização de fluxo é chamado de visualização de fluxo de superfície que usa um fluido tingido para observar o caminho traçado pelo fluxo de fluido em torno de um objeto.

A visualização do fluxo de corante envolve o revestimento do corpo de interesse com um corante para observar padrões de fluxo ao longo da superfície do corpo. O corante é uma mistura semi-viscosa de partículas de corante fluorescente e óleo. A natureza altamente viscosa do óleo ajuda a manter os padrões de fluxo na superfície do corpo. Enquanto o corante fluorescente nos permite visualizar esses padrões sob uma luz UV.

Se a imagem for tirada com exposição prolongada, o corante pode ser usado para rastrear o caminho tomado por uma única partícula de fluido à medida que se move no fluxo. À medida que partículas de fluidos marcadas por corante passam por um ponto ou área, podemos observar a linha unindo todas as partículas tingidas. Isso é chamado de streakline.

No fluxo supersônico, essas linhas de listras podem ser usadas para identificar o ponto de separação do fluxo, formação de choque e movimento de fluxo através da superfície.

Agora vamos dar uma olhada mais de perto no fluxo sobre a esfera. O fluxo anexado aparece como linhas lisas e a direção das linhas de listras nos diz a direção do fluxo na superfície. A separação do fluxo pode ser identificada como a região onde o corante se agrupa e parece mais brilhante. Isso porque o corante além do ponto de separação do fluxo não é perturbado.

Em fluxo supersônico, também podemos observar a formação de ondas de choque na superfície do corpo como nas barbatanas de um míssil mostrado por uma fina curva brilhante. Também podemos usar essa técnica para identificar deformidades em uma superfície, como evidenciado por regiões onde as linhas de listras são perturbadas.

Neste laboratório, demonstraremos a técnica de visualização do fluxo de corante usando vários corpos diferentes expostos ao fluxo supersônico.

Para este experimento, usaremos um túnel de vento supersônico com uma faixa de mach operacional de 1. 5 a 4. Este túnel de vento tem um 6 em x 4 na seção de teste. O número mach é variado ajustando a seção do bloco. Em outras palavras, alterando a razão de área da seção de teste. Vamos testar e observar as linhas de listras em torno de vários modelos diferentes: uma cunha 2D, uma cunha 3D, um cone, um corpo de nariz sem corte, uma esfera e um míssil.

Para começar o experimento, misture o pó de corante fluorescente e o óleo mineral em uma tigela de plástico. Adicione pequenas quantidades de óleo mineral ao corante em incrementos misturando continuamente até que a mistura seja semi-viscosa e não fina e escorrendo.

Agora, monte a picada acima da câmara de teste do túnel de vento e bloqueie-a no lugar. Em seguida, enrosque o modelo de cunha 2D no suporte da picada. Fixar a direção da cunha para que a superfície da cunha esteja voltada para as paredes laterais transparentes da seção de teste.

Use um pincel para aplicar uma camada grossa de corante na superfície do modelo, garantindo que não haja tanto que ele escorre. Em seguida, ajuste a configuração do bloco para atingir o número de mach de fluxo livre desejado. Ajuste o ângulo de ataque alfa para 0° usando um nível digital.

Agora, feche e proteja a porta da seção de teste e execute o túnel de vento por 6 s. Brilhe uma luz UV no modelo durante a corrida para iluminar o corante. Isso nos permite observar a evolução dos padrões streakline.

Uma vez que a execução esteja completa, capture uma imagem dos padrões finais de fluxo. Em seguida, ajuste o ângulo de ataque para 12°. Pinte o modelo com corante como antes e execute o túnel de vento por 6 s. Ilumine as linhas com a luz UV e capture a imagem com uma câmera.

Repita estas etapas para o modelo de cunha 2D a -12°. Execute o teste e capture imagens streakline para todos os modelos de acordo com a matriz de teste mostrada aqui. Quando todos os testes forem concluídos em cada modelo, desligue o túnel de vento e desmonte a configuração.

Agora vamos dar uma olhada nos resultados começando com as linhas de fenda sobre a cunha 2D. A 0°, o padrão streakline mostra fluxo uniforme por todo o corpo, exceto na região onde há uma deformidade superficial no centro fazendo com que o fluxo se separe. Quando a cunha é inclinada para 12°, o fluxo ao longo da superfície é desviado para cima enquanto o fluxo é desviado para baixo na configuração -12°.

Olhando para a cunha 3D, podemos ver que o padrão de fluxo no centro do modelo é semelhante ao observado para a cunha 2D em todas as configurações angulares. No entanto, o padrão de fluxo nas bordas superior e inferior mostram deflexão e o efeito vórtice de ponta é observado ao longo de seu comprimento.

Padrões streakline para o cone mostram que para todos os ângulos de ataque, o fluxo se curva ao redor do corpo. Observa-se também que a separação do fluxo ocorre no final do cone, conforme indicado pela região onde o corante se agrupa.

Para o modelo de nariz contundente, observamos o fluxo ligado por todo o corpo em um ângulo de ataque de 0°.  A 11 e -11°, o fluxo se curva ao redor do corpo seguindo o contorno da superfície e se separa ao longo da linha onde o corante se coalesce.

Enquanto os padrões de fluxo na frente do modelo de míssil são semelhantes aos do corpo do nariz contundente, as linhas nas barbatanas mostram características variadas. Em 0°, as linhas de listras nas aletas superior e inferior mostram fluxo anexado na frente da barbatana com separação gradual ocorrendo em um padrão cruzado. Também observamos que o fluxo se destaca muito mais cedo na raiz das barbatanas em comparação com as pontas.

Se olharmos para o corante coalesced na borda principal da barbatana central, podemos ver que os padrões streakline indicam um choque de arco com a forma do choque marcado pelo corante. Em um ângulo de ataque de 11°, observamos fluxo totalmente ligado na barbatana inferior, mas fluxo separado perto da raiz da barbatana superior. Semelhante ao caso 0°, a presença da barbatana central causa um choque de arco na borda principal da barbatana.

Finalmente, para a esfera, variamos o número de mach em oposição ao ângulo de ataque, pois os padrões de fluxo permanecem os mesmos, independentemente do ângulo de deflexão. Podemos ver que à medida que o número de mach aumenta, o ponto de separação se move em direção à popa do corpo mostrando diminuição da separação do fluxo. Isso se deve ao fato de que fluxos de velocidade mais altos têm mais impulso, o que ajuda o fluxo a superar o gradiente de pressão adversa sobre a esfera. Isso leva a um maior grau de fixação de fluxo com o aumento do número de mach.

Em resumo, aprendemos como as linhas de listras podem ser usadas para identificar o ponto de separação do fluxo, formação de choque e movimento do fluxo através de uma superfície. Em seguida, expôs vários corpos ao fluxo supersônico em um túnel de vento e observamos as linhas de listras que se formaram em cada superfície em diferentes ângulos de ataque.