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

A visualização do fluxo em torno de uma carroceria é fundamental para entender e quantificar a estrutura do fluxo, bem como para teorizar o comportamento do fluxo do fluido. 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 revestir o corpo de interesse com um corante para observar os 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 ultravioleta.

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

No fluxo supersônico, essas linhas de raia podem ser usadas para identificar o ponto de separação do fluxo, a formação de choque e o movimento do fluxo na superfície.

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

No fluxo supersônico, também podemos observar a formação de ondas de choque na superfície do corpo, como nas barbatanas de um míssil mostradas por uma fina curva brilhante. Também podemos usar essa técnica para identificar deformidades em uma superfície, conforme evidenciado por regiões onde as linhas de estrias 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 de sopro com uma faixa de número de Mach operacional de 1. 5 a 4. Este túnel de vento tem uma seção de teste de 6 pol x 4 pol. O número de Mach é variado ajustando a seção do bloco. Em outras palavras, alterando a proporção da área da seção de teste. Vamos testar e observar as linhas de raia em torno de vários modelos diferentes: uma cunha 2D, uma cunha 3D, um cone, um corpo de nariz rombudo, uma esfera e um míssil.

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

Agora, monte o ferrão acima da câmara de teste do túnel de vento e trave-o no lugar. Em seguida, aparafuse o modelo de cunha 2D no suporte da picada. Fixe a direção da cunha de forma que a superfície da cunha fique voltada para as paredes laterais transparentes da seção de teste.

Use um pincel para aplicar uma camada espessa de tinta na superfície do modelo, garantindo que não escorra tanto. Em seguida, ajuste a configuração do bloco para atingir o número de mach de fluxo livre desejado. Ajustar o ângulo de ataque alfa para 0? usando um nível digital.

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

Quando a execução for concluída, capture uma imagem dos padrões de fluxo finais. Em seguida, ajuste o ângulo de ataque para 12?. Pinte o modelo com tinta como antes e execute o túnel de vento por 6 s. Ilumine as linhas de risco com a luz UV e capture a imagem com uma câmera.

Repita essas etapas para o modelo de cunha 2D em -12?. Execute o teste e capture imagens de linha de estria 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 listras sobre a cunha 2D. Em 0?, o padrão de linha de listras mostra fluxo uniforme por todo o corpo, exceto na região onde há uma deformidade superficial no centro, causando a separação do fluxo. Quando a cunha é inclinada para 12?, o fluxo ao longo da superfície é desviado para cima enquanto o fluxo é desviado para baixo no -12? ambiente.

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 de ângulo. No entanto, o padrão de fluxo nas bordas superior e inferior mostra deflexão e o efeito de vórtice da ponta é observado ao longo de seu comprimento.

Os padrões de linha de listras para o cone mostram que, para todos os ângulos de ataque, o fluxo se curva ao redor do corpo. Também podemos observar que a separação do fluxo ocorre no final do cone, conforme indicado pela região onde o corante se aglomera.

Para o modelo de nariz rombudo, observamos fluxo anexado por todo o corpo em um ângulo de ataque de 0?.? Em 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 coalesce.

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

Se olharmos para o corante coalescido na borda dianteira da barbatana central, podemos ver que os padrões de linha de listras indicam um choque de arco com a forma do choque marcada pelo corante. Em um 11? ângulo de ataque, observamos um fluxo totalmente preso na barbatana inferior, mas um fluxo separado próximo à raiz da barbatana superior. Semelhante ao 0? caso, a presença da barbatana central causa um choque de arco na borda de ataque 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 uma separação de fluxo decrescente. Isso se deve ao fato de que os fluxos de velocidade mais alta têm mais impulso, o que ajuda o fluxo a superar o gradiente de pressão adverso sobre a esfera. Isso leva a um maior grau de fixação de fluxo com maior número de mach.

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