施利伦成像:一种可视化超音速流特性的技术

Aeronautical Engineering

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Concepts

资料来源:何塞·罗伯托·莫尔托、海梅·多拉多和刘晓峰,圣地亚哥州立大学航空航天工程系,加利福尼亚州圣地亚哥

军用喷气式战斗机和弹丸的飞行速度超惊人的音速,这意味着它们以超音速飞行。声速是声波通过介质传播的速度,即343米/s。 马赫数用于测量物体相对于声速的飞行速度。

以音速行驶的物体的马赫数为 1.0,而行驶速度高于音速的物体的马赫数大于 1.0。以这样的速度行驶时,必须考虑空气的可压缩性效应。当马赫数大于 0.3 时,流被视为可压缩的。在本演示中,通过可视化可压缩流中的冲击波和压缩波的形成,将使用Schlieren系统对圆锥体的Mach 2.0超音速流进行分析。

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JoVE Science Education Database. 航空工程. 施利伦成像:一种可视化超音速流特性的技术. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

当流体的密度发生显著变化时,就会发生可压缩流量或高速流。当超音速流经过身体时,冲击波和膨胀波在身体周围形成。冲击波是一个极其薄的区域,在10-5米,其中流动属性显著变化。当压力在波内持续减小且流速增加时,就会发生膨胀波。

schlieren 成像方法是一种基于密度的流量可视化技术,用于检测流体折射率的变化,这与冲击波或膨胀波中流体密度的变化成正比。这使得超音速流场中的冲击波和膨胀波模式得以可视化。

如图 1 所示,schlieren 成像系统将由流中的密度梯度引起的角光差转换为屏幕上的光强度差异。流动现象通过固有的密度变化可见。如图 1 所示,平行光源自光源,通过凸透镜 L1 的聚焦点,并照亮超音速风洞测试部分的可压缩流场。穿过测试部分后,射焦光射线在其焦点处通过镜头 L2 收敛并进一步移动,直到投影到屏幕上。位于镜头L2焦平面上的刀刃K,对于确保屏幕上的图像质量至关重要。阻止某些偏转光可显著增强屏幕上投影图像的对比度。如果没有刀刃的适当堵塞,通过密度变化流体的偏转事件光的可见性将受到影响。

图 1:施利伦成像系统的示意图,显示位于镜头L2焦平面的刀边K阻挡的偏转光。

本实验中使用的 schlieren 成像系统如图 2 所示,它是与图 1 所示的替代方案。两种配置之间的主要区别是图 1 中的凸透镜对,而图 2 中使用了一对凹透镜。所有其他组件都相同。

图 2:演示中使用的施利伦成像系统的原理图。

Procedure

1. 使用施利伦成像系统可视化冲击波

  1. 激活干燥塔以脱水空气。这将确保气流不含水分,并防止在测试部分局部温度因超音速流动而下降时形成冰。
  2. 打开测试部分,将 15° 半角锥形模型固定到支撑结构上。
  3. 检查测试部分是否没有碎屑或其他物体,然后关闭测试部分。
  4. 确保空气流量控制的主阀关闭,然后打开压缩机对储气罐加压。在关闭压缩机之前,让压缩机达到 210 psi。
  5. 打开高速阀的控制器,并设置表 1 中列出的以下参数。

表 1:马赫 2 运行的控制参数。

Pl 0 *MV 25
*PV 100 DVL 100
Df 0.25 Kp 1.1
立法会 关闭 0.01
Rh 100 Td 0
Rl 0 Rt 1
光伏 -- Bs 0
简历 -- *T 1
Sv 17 D/R 转速
Mv -25 Vd 转速
模式 A MVF -25
MH 100 Ph 100
毫升 0
  1. 打开 schlieren 成像系统的灯和冷却风扇。
  2. 将一张纸放在光源文本部分的另一侧。
  3. 对齐第一个凹面镜,使光线通过测试部分。检查光线照射到纸张上。
  4. 调整第二个凹面镜,使穿过测试部分的光线反射到投影屏幕上。
  5. 调整刀刃,使其位于第二面镜的焦点处。并调整刀刃的光圈,达到所需的图像质量。
  6. 将相机直接放置在刀刃光圈前面的三脚架上,以记录投影图像。
  7. 戴上适当的听力保护装置,检查建筑物外的排气口附近是否有人。
  8. 打开快速阀控制器的供气口,然后打开让空气进入系统的主阀。
  9. 关闭房间的灯,以便更容易看到投影图像。
  10. 激活风洞。
  11. 观察在锥体模型上流动的马赫 2 流的 schlieren 图像。
  12. 通过按相反顺序关闭阀门关闭风洞。然后关闭控制器。
  13. 等待所有空气从设备释放,然后拆下您的听力保护。

军用喷气式飞机的飞行速度超过了音速,称为超音速。在描述超音速时,我们使用马赫数来测量相对于音速的速度。在马赫数大于 0.8,但小于 1.2 时,速度是跨音的。在马赫1.2以上,速度是超音速的。

让我们通过分析锥形体周围的气流来详细了解这些高速下发生的情况。在马赫数为0.3以上时,必须考虑空气的可压缩性效应,因为这些高速下,空气的密度变化很大。当流入流量速度高于马赫 1.0 时,从圆锥或楔子的鼻子形成倾斜的冲击波,并在运动体周围形成膨胀风扇。

冲击波是一种极薄的传播扰动,在流动特性(如压力、温度和密度)发生突然变化时,膨胀风扇由无限数量的波组成,当超音速流动围绕凸角转动时引起。膨胀扇上的压力、密度和温度持续降低,而速度增加。由于冲击波和膨胀扇内的空气密度变化显著,因此可以使用基于密度的流量可视化技术(称为 Schlieren 成像)进行可视化。

Schlieren 方法依赖于折射率(即真空中光的速度与特定介质内的速度之比)。折射率的变化与密度的变化成正比。因此,随着冲击波和膨胀扇中空气密度的变化,折射率也发生了变化。

在Schlieren成像中,一个准直光源照射到身体上,折射率的变化扭曲了光束。为了可视化偏转,在透射光的焦平面处放置一个刀刃,从而阻挡了部分偏转光,并增强了屏幕上投影图像的对比度。这会产生高光和低光强度的图像,绘制高和低空气密度区域,从而能够可视化冲击波和膨胀风扇。

在本实验中,我们将演示使用 Schlieren 成像系统来可视化由马赫 2 气流在圆锥体上形成的冲击波和膨胀风扇。

该实验利用Schlieren系统来成像由15°半角锥形模型周围的超音速风洞产生的冲击波。本实验中使用的施利伦系统如图所示。

首先,激活干燥塔以脱水空气。这将防止由于测试部分的局部温度下降而形成冰层。然后,打开文本部分,并将 15° 半角锥形模型固定到内部支撑结构。检查测试部分,确保没有碎屑和任何其他物体。然后关闭测试部分。

确保空气流量控制的主阀关闭,然后打开压缩机对储气罐加压,让油箱达到 210 psi。如果压缩机在达到压力时未自动关闭,请手动关闭压缩机。现在,打开高速阀的控制器。

要设置 Schlieren 成像系统,请先打开灯和冷却风扇。然后,将一张纸放在从光源的测试部分的另一侧。对齐第一个凹面镜,使光线通过测试部分,并检查光线是否击中纸张。然后,放置形成图像的投影屏幕。

现在,调整第二个凹面镜,使穿过测试部分的光线反射到投影屏幕上。调整刀刃,使其位于第二面镜的焦点处。然后,调整刀刃光圈,以达到所需的图像质量。

要录制投影图像,在面向屏幕的三脚架上设置摄像机。要直接在相机传感器上录制,将相机放置在刀刃光圈前面。现在设备已经设置,让我们运行实验。

首先,戴上适当的听力保护装置,确保建筑物外没有人靠近排气管。首先打开快速阀控制器的供气。然后,打开主阀,让空气进入系统。现在,关闭房间的灯,以便更容易看到投影图像。然后,通过按下控制器旁边的绿色按钮激活风洞,该按钮可打开快速阀。

观察马赫 2.0 流在锥体模型上的 Schlieren 图像。完成后,关闭风洞,按相反顺序关闭阀门,然后关闭控制器。等待设备释放空气后,再取下您的听力保护。

现在,让我们看一下使用 Schlieren 设置获取的图像。本实验使用的模型是半角15°的圆锥体,在马赫2.0时受到超音速流动的影响。我们可以观察到冲击波的存在,如这里所示。

从理论上讲,斜冲击应在锥面形成,角度为33.9°。斜冲击角值取自泰勒-麦克科尔方程,必须用数值求解。与理论数据相比,测得的实验角度为33.6°,误差小于1%。

此外,Schlieren 技术使膨胀风扇在圆锥体上实现可视化。膨胀风扇是当超音速流围绕凸角旋转时发生的预期膨胀过程。

总之,我们了解了Schlieren方法如何使用折射率的变化来可视化超音速流中的冲击波和膨胀扇。然后,我们利用成像技术在圆锥体上可视化马赫 2.0 流场中的冲击和膨胀波模式。

Results

在这个演示中,一个半角为15度的圆锥体在马赫2.0处受到超音速流动的影响。在图 3 中,观察到锥体上的冲击唤醒和膨胀风扇。从理论上讲,斜冲击应在锥面以 33.9° 的角度形成。实验角度测量为33.6°,如图3B中的红线所示。与理论数据相比,误差百分比小于1%。此外,该流可视化方法能够显示模型后缘上的扩展风扇。

Figure 3
图 3:马赫 2 的 Schlieren 图像流过 15° 半角圆锥体。A) 原始图像。B) 高亮显示的要素,在前缘显示冲击波,在后缘显示扩展风扇。

Applications and Summary

schlieren成像技术是基于流体密度变化的经典光流可视化技术。这是一个简单的系统,由凹面镜、刀刃和光源建造。通过该系统,可以可视化冲击波和膨胀波等超音速流动功能。但是,这种技术对低速流具有灵敏度限制。

schlieren成像方法可用于各种应用,特别是在流体力学研究和湍流可视化方面。Schlieren 成像提供了关于复杂流结构在可压缩、湍流和试飞中的空间分布的宝贵信息。

这项技术还用于超音速飞机的空对空摄影,包括利用太阳和/或月球作为光源,将沙漠地面用作投影表面,以可视化冲击波。通常,超级计算机和风洞测试用于预测飞机上冲击波的形成、传播和合并。为了提高这些预测的质量,以各种速度和高度收集了声震测量数据库。这种技术允许全尺度飞机的超音速流动可视化,而不是缩小模型。

这种技术也可以适应Scramjets。Scramjets 是空气呼吸发动机,依靠飞机的纯转速在燃烧前将空气压缩到发动机中。聚焦-施利伦可视化能够显示燃油喷射、混合湍流结构以及 Scramjet 发动机内的冲击波。

名字 公司 目录号 评论
设备
超音速风洞 SDSU 操作马赫数(1;2;3;4.5)
测试部分 6"x6"x10"
施利伦系统 SDSU
锥体模型 SDSU 15 度半角。
德莱赛往复式空气压缩机。
空气干燥器。 奥里亚德 每座塔需要4小时才能干燥。
大型储气罐。
6 英寸控制阀。 该阀采用气动动力和电控。
EC-321 进程环路控制器。 东芝
压力变送器。 罗斯蒙特

1. 使用施利伦成像系统可视化冲击波

  1. 激活干燥塔以脱水空气。这将确保气流不含水分,并防止在测试部分局部温度因超音速流动而下降时形成冰。
  2. 打开测试部分,将 15° 半角锥形模型固定到支撑结构上。
  3. 检查测试部分是否没有碎屑或其他物体,然后关闭测试部分。
  4. 确保空气流量控制的主阀关闭,然后打开压缩机对储气罐加压。在关闭压缩机之前,让压缩机达到 210 psi。
  5. 打开高速阀的控制器,并设置表 1 中列出的以下参数。

表 1:马赫 2 运行的控制参数。

Pl 0 *MV 25
*PV 100 DVL 100
Df 0.25 Kp 1.1
立法会 关闭 0.01
Rh 100 Td 0
Rl 0 Rt 1
光伏 -- Bs 0
简历 -- *T 1
Sv 17 D/R 转速
Mv -25 Vd 转速
模式 A MVF -25
MH 100 Ph 100
毫升 0
  1. 打开 schlieren 成像系统的灯和冷却风扇。
  2. 将一张纸放在光源文本部分的另一侧。
  3. 对齐第一个凹面镜,使光线通过测试部分。检查光线照射到纸张上。
  4. 调整第二个凹面镜,使穿过测试部分的光线反射到投影屏幕上。
  5. 调整刀刃,使其位于第二面镜的焦点处。并调整刀刃的光圈,达到所需的图像质量。
  6. 将相机直接放置在刀刃光圈前面的三脚架上,以记录投影图像。
  7. 戴上适当的听力保护装置,检查建筑物外的排气口附近是否有人。
  8. 打开快速阀控制器的供气口,然后打开让空气进入系统的主阀。
  9. 关闭房间的灯,以便更容易看到投影图像。
  10. 激活风洞。
  11. 观察在锥体模型上流动的马赫 2 流的 schlieren 图像。
  12. 通过按相反顺序关闭阀门关闭风洞。然后关闭控制器。
  13. 等待所有空气从设备释放,然后拆下您的听力保护。

军用喷气式飞机的飞行速度超过了音速,称为超音速。在描述超音速时,我们使用马赫数来测量相对于音速的速度。在马赫数大于 0.8,但小于 1.2 时,速度是跨音的。在马赫1.2以上,速度是超音速的。

让我们通过分析锥形体周围的气流来详细了解这些高速下发生的情况。在马赫数为0.3以上时,必须考虑空气的可压缩性效应,因为这些高速下,空气的密度变化很大。当流入流量速度高于马赫 1.0 时,从圆锥或楔子的鼻子形成倾斜的冲击波,并在运动体周围形成膨胀风扇。

冲击波是一种极薄的传播扰动,在流动特性(如压力、温度和密度)发生突然变化时,膨胀风扇由无限数量的波组成,当超音速流动围绕凸角转动时引起。膨胀扇上的压力、密度和温度持续降低,而速度增加。由于冲击波和膨胀扇内的空气密度变化显著,因此可以使用基于密度的流量可视化技术(称为 Schlieren 成像)进行可视化。

Schlieren 方法依赖于折射率(即真空中光的速度与特定介质内的速度之比)。折射率的变化与密度的变化成正比。因此,随着冲击波和膨胀扇中空气密度的变化,折射率也发生了变化。

在Schlieren成像中,一个准直光源照射到身体上,折射率的变化扭曲了光束。为了可视化偏转,在透射光的焦平面处放置一个刀刃,从而阻挡了部分偏转光,并增强了屏幕上投影图像的对比度。这会产生高光和低光强度的图像,绘制高和低空气密度区域,从而能够可视化冲击波和膨胀风扇。

在本实验中,我们将演示使用 Schlieren 成像系统来可视化由马赫 2 气流在圆锥体上形成的冲击波和膨胀风扇。

该实验利用Schlieren系统来成像由15°半角锥形模型周围的超音速风洞产生的冲击波。本实验中使用的施利伦系统如图所示。

首先,激活干燥塔以脱水空气。这将防止由于测试部分的局部温度下降而形成冰层。然后,打开文本部分,并将 15° 半角锥形模型固定到内部支撑结构。检查测试部分,确保没有碎屑和任何其他物体。然后关闭测试部分。

确保空气流量控制的主阀关闭,然后打开压缩机对储气罐加压,让油箱达到 210 psi。如果压缩机在达到压力时未自动关闭,请手动关闭压缩机。现在,打开高速阀的控制器。

要设置 Schlieren 成像系统,请先打开灯和冷却风扇。然后,将一张纸放在从光源的测试部分的另一侧。对齐第一个凹面镜,使光线通过测试部分,并检查光线是否击中纸张。然后,放置形成图像的投影屏幕。

现在,调整第二个凹面镜,使穿过测试部分的光线反射到投影屏幕上。调整刀刃,使其位于第二面镜的焦点处。然后,调整刀刃光圈,以达到所需的图像质量。

要录制投影图像,在面向屏幕的三脚架上设置摄像机。要直接在相机传感器上录制,将相机放置在刀刃光圈前面。现在设备已经设置,让我们运行实验。

首先,戴上适当的听力保护装置,确保建筑物外没有人靠近排气管。首先打开快速阀控制器的供气。然后,打开主阀,让空气进入系统。现在,关闭房间的灯,以便更容易看到投影图像。然后,通过按下控制器旁边的绿色按钮激活风洞,该按钮可打开快速阀。

观察马赫 2.0 流在锥体模型上的 Schlieren 图像。完成后,关闭风洞,按相反顺序关闭阀门,然后关闭控制器。等待设备释放空气后,再取下您的听力保护。

现在,让我们看一下使用 Schlieren 设置获取的图像。本实验使用的模型是半角15°的圆锥体,在马赫2.0时受到超音速流动的影响。我们可以观察到冲击波的存在,如这里所示。

从理论上讲,斜冲击应在锥面形成,角度为33.9°。斜冲击角值取自泰勒-麦克科尔方程,必须用数值求解。与理论数据相比,测得的实验角度为33.6°,误差小于1%。

此外,Schlieren 技术使膨胀风扇在圆锥体上实现可视化。膨胀风扇是当超音速流围绕凸角旋转时发生的预期膨胀过程。

总之,我们了解了Schlieren方法如何使用折射率的变化来可视化超音速流中的冲击波和膨胀扇。然后,我们利用成像技术在圆锥体上可视化马赫 2.0 流场中的冲击和膨胀波模式。

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