Экспериментальное исследование структуры потока над треугольного крыла через методы визуализации потока

Общая цель этого эксперимента — наблюдать нестационарные вихревые потоки над треугольным крылом с использованием методов визуализации и исследовать механизм, ответственный за колебания мест пробоя вихря на передней кромке. Этот метод может помочь ответить на ключевые вопросы о явлении нестационарного течения треугольного крыла цилиндра, таком как колебание передней кромки места пробоя вершины. Основное преимущество этого метода заключается в том, что крупномасштабное глобальное поле вихревого потока и мелкомасштабные ячеистые субструктуры могут быть проиллюстрированы одновременно.

Начните с модели для эксперимента. Для этого эксперимента модель представляет собой алюминиевое треугольное крыло длиной 280 миллиметров. Возьмите модель для монтажа в аэродинамическую трубу, которая имеет замкнутый контур и низкую скорость.

Его тестовая секция имеет стеклянные стены, обеспечивающие оптический доступ для эксперимента. Здесь треугольное крыло было правильно установлено в аэродинамической трубе. Два лазера могут освещать структуры потока, двухимпульсный лазер с яркостью 532 нанометра во время скоростной обработки изображений частиц или лазер с непрерывной волной 532 нанометра во время визуализации дымовых потоков

На этой схеме представлена информация об оптической установке с непрерывным лазером. Выпуклая линза контролирует размер лазерного луча. Цилиндрическая линза расширяет луч до листа.

Зеркало отражает лазерный лист в аэродинамическую трубу. Наденьте соответствующие лазерные очки и начните с непрерывного лазерного излучения. Для безопасности уменьшите коэффициент пропускания луча с помощью фильтра нейтральной плотности.

Начните только с лазера, фильтра и зеркала. Отрегулируйте зеркало, чтобы ввести луч в аэродинамическую трубу. Убедитесь, что балка пересекает модель примерно на 1/4 длины модели за ее передней частью.

Далее установите выпуклую линзу и цилиндрическую линзу. Затем на модели измерьте лазерную линию, которая ее пересекает, чтобы проверить толщину листа лазера. При необходимости отрегулируйте выпуклую линзу.

Остановите регулировку, когда будет получена желаемая толщина. Поместите калибровочную целевую пластину на треугольное крыло так, чтобы ее поверхность совпадала с лазерным листом. Выключив лазер, перейдите к настройке камеры.

Используйте коммерческую цифровую камеру для визуализации потоков дыма и управляйте ею вручную. Поместите камеру так, чтобы получить желаемое поле зрения, и сфокусируйте ее на пластине калибровочной мишени. Когда фотоаппарат будет готов, сделайте несколько кадров для калибровки.

Затем снимите пластину калибровочной мишени. Включите аэродинамическую трубу на низкой скорости, и впрыскивайте частицы масла, чтобы равномерно посадить ее. Чтобы визуализировать дымовой поток, включите аэродинамическую трубу до нужной скорости.

Далее включаем непрерывный лазер без фильтра. В камеру сделайте от пяти до 10 снимков структуры потока. С помощью изображений убедитесь, что лист лазера находится в продольном сечении ядра переднего края вихря.

На этом рисунке в примере показано четкое вихревое ядро и подструктуры, указывающие на хорошо расположенный лазерный лист. Отрегулируйте параметры камеры в соответствии с качеством изображения, а также записывайте изображения и видео. Когда закончите, выключите воздушный поток и подойдите к модели.

Там отметьте положение лазерного листа в качестве ориентира для последующих измерений. В завершение выключите лазер и перенесите данные на компьютер. Для этого измерения требуется другой лазер.

Замените непрерывный лазер на импульсный. При включенном лазере проверьте его траекторию и, при необходимости, отрегулируйте выпуклую линзу. Убедитесь, что луч пересекает модель вдоль линии, обозначающей положение непрерывного лазера.

Кроме того, замените цифровую камеру. На его место подставьте высокоскоростную ПЗС-камеру. Управляйте камерой с помощью синхронизатора и двухимпульсного лазера.

Теперь перейдите к модели и определите область, где можно наблюдать структуры. Еще раз поместите калибровочную целевую пластину на крыло в этой области. Сфокусируйтесь на калибровочной пластине и сделайте несколько фотографий.

Прежде чем продолжить, снимите калибровочную пластину. Запустите программное обеспечение PIV и задайте параметры. Запускайте поток в аэродинамической трубе с нужной скоростью.

Настройте лазер на максимальный уровень мощности. Используйте программное обеспечение для запуска сбора данных в течение 100 секунд. Если полученные изображения приемлемы, сохраните их и продолжите, выполняя другие дела.

Это обработанное изображение продольного сечения из визуализации дымового потока. Для справки имеется 10-миллиметровая шкала. На изображении видно ядро первичного вихря переднего края, сворачивающийся сдвиговый слой с вихревыми подструктурами, прорыв вихря и турбулентный след.

На этом видео показаны колебания мест пробоя вихря на передней кромке в поперечных сечениях переноса. Анализ измеренных мест пробоя для каждого момента времени указывает на сильное антисимметричное взаимодействие. Это усредненный по времени результат скоростной обработки изображения частицы, показывающий безразмерную завихренность в продольном поперечном сечении.

Первичное ядро вихря можно определить по линии перегиба положительной и отрицательной завихренности, отмеченной черной пунктирной линией. Сплошные линии окружают области с локальной силой завихрения ниже нуля, указывая на вихри сдвигового слоя. Дополнительные подконструкции обведены белыми пунктирными линиями.

Этот усредненный по времени результат скорости завихрения на изображении частиц находится в поперечном сечении по пролету. Поток отделяется от передней кромки, образует сдвиговый слой и скатывается в вихревое ядро по обе стороны от крыла. Внутри сдвиговых слоев находятся неподвижные вихревые подструктуры.

После освоения этой техники ее можно выполнить за один час, если она выполнена правильно. После просмотра этого видео у вас должно сложиться хорошее представление о том, как наблюдать явление нестационарного потока треугольного крыла цилиндра с помощью вышеупомянутых методов визуализации потока. Не забывайте, что работа с лазерами может быть чрезвычайно опасной, и при проведении каждого эксперимента всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как ношение защитных очков от лазера.