Шлиреновская визуализация: метод визуализации особенностей сверхзвукового потока

Военные самолеты летают с невероятными скоростями, превышающими скорость звука, которые называются сверхзвуковыми скоростями. При описании сверхзвуковых скоростей мы используем число Маха, чтобы измерить эту скорость относительно скорости звука. При числе Маха больше 0,8, но меньше 1,2 скорость является околозвуковой. Выше 1.2 Маха скорость сверхзвуковая.

Давайте подробнее рассмотрим, что происходит на этих высоких скоростях, проанализировав воздушный поток вокруг конусообразного тела. При значении выше 0,3 Маха необходимо учитывать влияние сжатия воздуха, поскольку на этих высоких скоростях воздух имеет значительные изменения плотности. Когда скорость входящего потока превышает 1,0 Маха, из носовой части конуса или клина образуется косая ударная волна, а вокруг движущегося тела образуются расширительные вентиляторы.

Ударная волна — это чрезвычайно тонкое распространяющееся возмущение, при котором происходят резкие изменения свойств потока, таких как давление, температура и плотность. Расширительный вентилятор состоит из бесконечного числа волн и возникает, когда сверхзвуковой поток поворачивает вокруг выпуклого угла. Давление, плотность и температура непрерывно снижаются по всему расширительному вентилятору, в то время как скорость увеличивается. Поскольку плотность воздуха значительно изменяется в ударно-волновых и расширительных вентиляторах, их можно визуализировать с помощью метода визуализации потока на основе плотности, называемого Schlieren Imaging.

Метод Шлирена основан на показателе преломления, который представляет собой отношение скорости света в вакууме к его скорости в определенной среде. Изменение показателя преломления пропорционально изменению плотности. Таким образом, по мере того как изменяется плотность воздуха в ударной волне и расширительном вентиляторе, изменяется и показатель преломления.

В Schlieren Imaging коллимированный источник света светит на тело, и изменение показателя преломления искажает световой луч. Чтобы визуализировать отклонение, лезвие ножа помещается в фокальной плоскости проходящего света, тем самым блокируя часть отклоняемого света и усиливая контраст проецируемого изображения на экране. В результате получается изображение с высокой и низкой интенсивностью света, которое отображает области с высокой и низкой плотностью воздуха, что позволяет нам визуализировать ударные волны и расширяющиеся вентиляторы.

В этом эксперименте мы продемонстрируем использование системы Schlieren Imaging для визуализации ударных волн и расширительных вентиляторов, образующихся под действием потока воздуха со скоростью 2 Маха над конусом.

В этом эксперименте используется система Шлирена для отображения ударных волн, генерируемых сверхзвуковой аэродинамической трубой около 15? Модель с полуугловым конусом. Система Шлирена, используемая в этом эксперименте, настроена так, как показано на рисунке.

Во-первых, активируйте сушильные башни для обезвоживания воздуха. Это предотвратит образование льда из-за локальных перепадов температуры на испытательном участке. Затем откройте текстовый раздел и закрепите 15? Модель полууглового конуса к опорной конструкции внутри. Проверьте тестовый участок, чтобы убедиться, что на нем нет мусора и любых других предметов. Затем закройте тестовый участок.

Убедитесь, что главный клапан для управления потоком воздуха закрыт, затем включите компрессор, чтобы создать давление в резервуаре для хранения воздуха, и дайте баку нагреться до 210 фунтов на квадратный дюйм. Если компрессор не отключается автоматически при достижении давления, выключите компрессор вручную. Теперь включите контроллер для высокоскоростного клапана.

Чтобы настроить систему обработки изображений Schlieren, сначала включите вентилятор освещения и охлаждения. Затем положите лист бумаги на противоположную сторону тестового участка от источника света. Выровняйте первое вогнутое зеркало так, чтобы свет проходил через тестовую секцию, и убедитесь, что свет попадает на бумагу. Затем расположите проекционный экран там, где формируется изображение.

Теперь отрегулируйте второе вогнутое зеркало так, чтобы свет, проходящий через тестовую секцию, отражался на проекционный экран. Отрегулируйте лезвие ножа так, чтобы оно находилось в фокусной точке второго зеркала. Затем отрегулируйте диафрагму по лезвию ножа, чтобы добиться желаемого качества изображения.

Чтобы записать проецируемое изображение, установите камеру на штатив, обращенный к экрану. Чтобы вести запись непосредственно на сенсоре камеры, расположите камеру перед отверстием ножа. Теперь, когда аппарат настроен, давайте проведем эксперимент.

Во-первых, наденьте соответствующие средства защиты органов слуха, затем убедитесь, что рядом с вытяжкой воздуха за пределами здания никого нет. Начните с открытия подачи воздуха к контроллеру быстрого клапана. Затем откройте главный клапан, который пропускает воздух в систему. Теперь выключите свет в комнате, чтобы проецируемое изображение было легче видно. Затем активируйте аэродинамическую трубу, нажав зеленую кнопку, расположенную рядом с контроллером, которая открывает клапан быстрого доступа.

Понаблюдайте за изображением Шлирена для течения Маха 2.0 над моделью конуса. Когда закончите, выключите аэродинамическую трубу, закрыв клапаны в обратном порядке, а затем выключите контроллер. Подождите, пока аппарат не выпустит воздух, прежде чем снимать средства защиты органов слуха.

Теперь давайте посмотрим на изображение, полученное с помощью настройки Schlieren. Модель, использованная в этом эксперименте, представляла собой конус с полууглом 15°, и он подвергался воздействию сверхзвукового потока со скоростью 2,0 Маха. Мы можем наблюдать присутствие ударной волны, как показано здесь.

Теоретически косая ударная волна должна образоваться на поверхности конуса, под углом 33,9°. Значение угла косой ударной волны получается из уравнения Тейлора-Макколла, которое должно быть решено численно. Измеренный экспериментальный угол составил 33,6°, процентная погрешность менее 1% по сравнению с теоретическими данными.

Кроме того, метод Шлирена позволяет визуализировать расширительные вентиляторы над конусом. Расширительный вентилятор — это ожидаемый процесс расширения, который происходит, когда сверхзвуковой поток поворачивается вокруг выпуклого угла.

Таким образом, мы узнали, как метод Шлирена использует изменения показателя преломления для визуализации ударных волн и расширительных вентиляторов в сверхзвуковом потоке. Затем мы использовали метод визуализации для визуализации картин ударной волны и волны расширения в поле потока со скоростью 2,0 Маха над конусом.