シュリーレンイメージング:超音速流機能を可視化する技術

Aeronautical Engineering

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Concepts

出典:ホセ・ロベルト・モレト、ジェイミー・ドラド、サンディエゴ州立大学航空宇宙工学科、サンディエゴ、カリフォルニア州

軍用ジェット戦闘機や発射物は、音速を超える驚異的な速度で飛行することができ、超音速で飛行しています。音速は、音波が媒体を通して伝播する速度で、マッハ数は343m/sで、物体の飛行速度を音速に対して測定するために使用されます。

音速で移動するオブジェクトのマッハ数は 1.0 ですが、音速よりも速く移動するオブジェクトのマッハ数は 1.0 より大きくなります。このような速度で移動する場合、空気の圧縮効果を考慮する必要があります。マッハ数が 0.3 より大きい場合、フローは圧縮可能と見なされます。本実証では、シュリーレン系を用いて圧縮流における衝撃波と圧縮波の形成を可視化することで、コーン上のマッハ2.0超音速流を解析する。

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JoVE Science Education Database. 航空工学. シュリーレンイメージング:超音速流機能を可視化する技術. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

圧縮可能な流れ、つまり高速流れは、流体の密度が大幅に変化する場合に発生します。超音速の流れが体を通過すると、衝撃波や膨張波が体の周りに形成されます。衝撃波は、流れの特性が大きく変化する10-5mの順序で、非常に薄い領域です。膨張波は、圧力が波を横切って連続的に減少し、流速が増加したときに発生します。

シュリーレンイメージング法は、衝撃波または膨張波間の流体密度の変化に比例する流体の屈折率の変化を検出する密度ベースのフロー可視化技術です。これにより、超音速流れ場における衝撃波動パターンの可視化が可能になります。

図1に示すように、シュリーレンイメージングシステムは、流れの密度勾配によって引き起こされる角度光の差を、画面上の光強度の差に変換します。流れ現象は、固有の密度変化によって見ることができます。図1に示すように、平行光は凸レンズL1の焦点を通る光源から発生し、超音速風洞の試験区間の圧縮可能な流れ場を照らします。テストセクションを通過した後、入射光線は焦点でレンズL2を通して収束し、さらに画面に投影されるまで移動します。レンズL2の焦点面に位置するナイフエッジKは、画面上の画像の品質を確保する上で重要です。偏向したライトの一部をブロックすると、画面上の投影画像のコントラストが大幅に向上します。ナイフエッジによる適切な閉塞がなければ、密度変化流体を通る偏向入射光の可視性が損なわれます。

図 1:レンズL2の焦点面に位置するナイフエッジKによって遮断された偏向光を示すシュリーレンイメージングシステムの概略図。

この実験で使用したシュリーレンイメージングシステムを図2に示し、図1に示すのとは別のセットアップです。2 つの構成の主な違いは、図 1 の凸レンズのペアと、図 2 の凹面レンズのペアが使用されていることです。他のすべてのコンポーネントは同じです。

図 2:デモンストレーションで使用するシュリーレンイメージングシステムの概略図。

Procedure

1. シュリーレンイメージングシステムを用いて衝撃波を可視化する

  1. 空気を脱水するために乾燥機の塔をアクティブにします。これにより、空気の流れが水分を含まないことが保証され、超音速流によって試験区間の局所温度が低下した場合の氷の形成を防ぐことができます。
  2. テストセクションを開き、15°半角コーンモデルを支持構造に固定します。
  3. テストセクションが破片やその他の物体が見えるかどうかを確認し、テストセクションを閉じます。
  4. 空気の流れ制御のための主弁が閉まっていることを確認し、空気貯蔵タンクを加圧するために圧縮機をオンにします。圧縮機をシャットダウンする前に、210 psi に達するようにします。
  5. 高速バルブのコントローラをオンにし、表 1 に示す次のパラメータを設定します。

表 1:マッハ 2 の実行の制御パラメータ。

Pl 0 ΔMV 25
ΔPV 100 DVL 100
Df 0.25 Kp 1.1
Lc オフ Ti 0.01
Rh 100 Td 0
Rl 0 Rt 1
Pv -- Bs 0
品種 -- △T 1
Sv 17 D/R 牧師
Mv -25 Vd 牧師
モード A MVF -25
Mh 100 博士 100
Ml 0
  1. シュリーレンイメージングシステムの光と冷却ファンの電源を入れます。
  2. 光源からテキストセクションの反対側に用紙を置きます。
  3. 最初の凹面ミラーを位置合わせして、光がテストセクションを通過できるようにします。明かりが紙に当たっていることを確認します。
  4. テスト セクションを通過するライトが投影画面に反映するように、2 番目の凹面ミラーを調整します。
  5. 2 番目のミラーの焦点に合わせてナイフエッジを調整します。そして、所望の画質を達成するためにナイフエッジの絞りを調整します。
  6. カメラを三脚の上に置き、ナイフエッジの開口部の正面に置き、投影された画像を記録します。
  7. 適切な聴覚保護を行い、建物の外側にある排気ガスの近くに誰もいないことを確認します。
  8. 高速バルブコントローラに空気供給を開き、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。
  9. 投影された画像が見やすくなるように、部屋のライトをオフにします。
  10. 風洞を作動させる。
  11. コーンモデル上のマッハ2の流れのシュリーレン画像を観察します。
  12. 逆の順序でバルブを閉じて、風洞をオフにします。次に、コントローラの電源を切します。
  13. すべての空気が装置から放出されるまで待ってから、聴力保護を取り外します。

軍用ジェット機は、超音速と呼ばれる音速を超える驚異的な速度で飛行します。超音速を記述する場合、マッハ番号を使用して音速に対してその速度を測定します。マッハ数が 0.8 より大きいが 1.2 未満の場合、速度はトランスオニックです。マッハ1.2を超えると、速度は超音速です。

コーン型の体の周りの空気の流れを分析して、これらの高速で何が起こっているかを詳しく見てみましょう。マッハ数0.3を超えると、これらの高速空気は大きな密度変化を持つため、空気の圧縮効果を考慮する必要があります。着信速度がマッハ1.0を超えると、円根またはウェッジの機首から斜めの衝撃波が形成され、移動体の周りに膨張ファンが形成されます。

衝撃波は非常に薄い伝搬乱で、圧力、温度、密度などの流れの特性が急激に変化します。拡張ファンは無限の数の波で構成され、超音速の流れが凸角を回るときに発生します。圧力、密度、温度は膨張ファン全体で連続的に減少し、速度は増加します。衝撃波や膨張ファンの中で空気の密度が大きく変化するため、シュリーレンイメージングと呼ばれる密度ベースのフロー可視化技術を用いて可視化できます。

シュリーレン法は、真空中の光の速度と特定の媒体内の速度の比率である屈折率に依存します。屈折率の変化は密度の変化に比例する。これにより、衝撃波や膨張ファンにおける空気の密度が変化するにつれて、屈折率も変化する。

シュリーレンイメージングでは、コリメート光源がボディに光を当て、屈折率の変化が光線を歪めます。たわみを可視化するために、透過光の焦点面にナイフエッジを配置し、従って、偏向光の一部を遮断し、画面上の投影画像のコントラストを高める。これにより、高低の光強度の画像が表示され、高気密度と低密度の領域がマッピングされるため、衝撃波や膨張ファンを可視化できます。

本実験では、シュリーレンイメージングシステムを用いて、マッハ2の空気がコーン上を流れる衝撃波と膨張ファンを可視化する。

この実験では、シュリーレンシステムを用いて、15°半角コーンモデルの周りの超音速風洞によって発生する衝撃波を画像化する。この実験で用いられるシュリーレンシステムは、図に示すように設定される。

まず、空気を脱水するために乾燥塔をアクティブにします。これにより、試験部の局所的な温度低下による氷の形成を防ぐことができます。次に、テキストセクションを開き、15°半角コーンモデルを内部の支持構造に固定します。テストセクションを調べて、破片やその他の物体が見えていないことを確認します。次に、テスト セクションを閉じます。

空気流制御のメインバルブが閉まっていることを確認し、コンプレッサーをオンにして空気貯蔵タンクを加圧し、タンクが210 psiに達するようにします。圧力に達してもコンプレッサーが自動的に遮断されない場合は、コンプレッサーを手動でオフにします。次に、高速バルブのコントローラの電源を入れます。

シュリーレン・イメージング・システムをセットアップするには、まずライトと冷却ファンをオンにします。次に、光源からテストセクションの反対側に用紙を置きます。最初の凹面ミラーを合わせ、光がテストセクションを通過できるようにし、光が用紙に当たっていることを確認します。次に、画像が形成される投影画面を配置します。

次に、テスト セクションを通過する光が投影画面に反映するように、2 番目の凹面ミラーを調整します。2 番目のミラーの焦点に合わせてナイフエッジを調整します。次に、ナイフエッジの絞りを調整して、所望の画質を実現します。

投影された画像を記録するには、画面に面した三脚にカメラをセットします。カメラセンサーに直接記録するには、カメラをナイフエッジ絞りの前に配置します。装置がセットアップされたので、実験を実行してみましょう。

まず、適切な聴覚保護を行い、建物の外の空気排気の近くに誰もいないことを確認します。まず、高速バルブコントローラに空気供給を開きます。次に、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。次に、投影された画像が見やすくなるように、部屋のライトをオフにします。次に、コントローラの横にある緑色のボタンを押して風洞をアクティブにし、高速バルブを開きます。

コーンモデル上のマッハ2.0の流れのシュリーレン画像を観察します。終了したら、逆順にバルブを閉じてから、コントローラをオフにして、風洞をオフにします。聴力保護を取り外す前に、装置が空気を放出するまで待ちます。

それでは、シュリーレンの設定を使用して取得した画像を見てみましょう。この実験で用いられたモデルは、半角15°のコーンで、マッハ2.0で超音速流れを行った。ここに示すように、衝撃波の存在を観察することができます。

理論的には、斜めの衝撃は、33.9°の角度で、コーン表面で形成されるべきです。斜めの衝撃角度値はテイラー・マッコール方程式から得られ、数値的に解かなければなりません。測定した実験角度は33.6°で、理論データと比較して1%未満の誤差であった。

さらに、シュリーレンの技術はコーンの上の拡張ファンの視覚化を可能にする。拡張ファンは、超音速の流れが凸角を回るときに発生する予想される拡張プロセスです。

要約すると、シュリーレン法は、超音速流の衝撃波と膨張ファンを可視化するために屈折率の変化をどのように使用するかを学びました。次に、イメージング技術を利用して、マッハ2.0流れ場の衝撃と膨張波のパターンをコーン上で可視化した。

Results

このデモンストレーションでは、半角15度のコーンをマッハ2.0で超音速流しに行いました。図3では、コーン上の衝撃覚醒と膨張ファンが観察される。理論的には、斜めの衝撃は33.9°の角度でコーン表面で形成されるべきです。実験角度は、図3Bの赤線で示すように33.6°と測定した。理論データと比較して、パーセント誤差は1%未満であることが判明した。さらに、このフロービジュアライゼーション手法では、モデルの後縁に拡張ファンを表示することができました。

Figure 3
図 3:マッハ2のシュリーレン画像は、15°半角コーン上を流れます。A) オリジナル画像。B) 後縁のリーディングエッジと拡張ファンに衝撃波を表示するハイライトされたフィーチャー。

Applications and Summary

シュリーレンイメージング技術は、流体の密度変化に基づく古典的な光学フロー可視化技術です。凹面ミラー、ナイフエッジ、光源で作られたシンプルなシステムです。このシステムにより、衝撃波や膨張波などの超音速流れ機能を可視化することができます。ただし、この手法には、低速フローに対する感度の制限があります。

シュリーレンイメージング法は、流体力学および乱流の可視化の研究において、様々な用途に使用されてもよい。シュリーレンイメージングは、圧縮性、乱流、試験飛行における複雑な流れ構造の空間分布に関する貴重な情報を提供します。

この技術は、太陽や月を光源として使用し、砂漠の床を衝撃波を可視化する投影面として使用する超音速航空機の空対空撮影にも使用されています。通常、スーパーコンピュータと風洞試験は、航空機の衝撃波の形成、伝播、およびマージを予測するために使用されます。これらの予測の質を高めるために、ソニックブーム測定のデータベースは、様々な速度と高度で収集されます。この手法により、スケールダウンモデルではなく、本格的な航空機の超音速フロー可視化が可能です。

この技術は、スクラムジェットにも適応されてもよい。スクラムジェットは、燃焼前にエンジンに空気を圧縮するために航空機の純粋な速度に依存する空気呼吸エンジンです。フォーカスシュリーレンビジュアライゼーションは、スクラムジェットエンジン内部の燃料ジェット、混合の乱流構造、および衝撃波を示すことができる。

名前 会社 カタログ番号 コメント
機器
超音速風洞 Sdsu 操作マッハ番号 (1; 2; 3; 4.5)
テストセクション 6"x6"x10"
シュリーレンシステム Sdsu
コーンモデル Sdsu 15度の半角。
ドレッサー往復エアコンプレッサー。
空気乾燥機。 オリアド 各タワーは乾燥するのに4時間かかります。
大型エアレシーバータンク。
6インチ制御弁。 弁は空気で動力を与えられ、電気的に制御される。
EC-321プロセスループコントローラ。 東芝
圧力送信機。 ローズマウント

1. シュリーレンイメージングシステムを用いて衝撃波を可視化する

  1. 空気を脱水するために乾燥機の塔をアクティブにします。これにより、空気の流れが水分を含まないことが保証され、超音速流によって試験区間の局所温度が低下した場合の氷の形成を防ぐことができます。
  2. テストセクションを開き、15°半角コーンモデルを支持構造に固定します。
  3. テストセクションが破片やその他の物体が見えるかどうかを確認し、テストセクションを閉じます。
  4. 空気の流れ制御のための主弁が閉まっていることを確認し、空気貯蔵タンクを加圧するために圧縮機をオンにします。圧縮機をシャットダウンする前に、210 psi に達するようにします。
  5. 高速バルブのコントローラをオンにし、表 1 に示す次のパラメータを設定します。

表 1:マッハ 2 の実行の制御パラメータ。

Pl 0 ΔMV 25
ΔPV 100 DVL 100
Df 0.25 Kp 1.1
Lc オフ Ti 0.01
Rh 100 Td 0
Rl 0 Rt 1
Pv -- Bs 0
品種 -- △T 1
Sv 17 D/R 牧師
Mv -25 Vd 牧師
モード A MVF -25
Mh 100 博士 100
Ml 0
  1. シュリーレンイメージングシステムの光と冷却ファンの電源を入れます。
  2. 光源からテキストセクションの反対側に用紙を置きます。
  3. 最初の凹面ミラーを位置合わせして、光がテストセクションを通過できるようにします。明かりが紙に当たっていることを確認します。
  4. テスト セクションを通過するライトが投影画面に反映するように、2 番目の凹面ミラーを調整します。
  5. 2 番目のミラーの焦点に合わせてナイフエッジを調整します。そして、所望の画質を達成するためにナイフエッジの絞りを調整します。
  6. カメラを三脚の上に置き、ナイフエッジの開口部の正面に置き、投影された画像を記録します。
  7. 適切な聴覚保護を行い、建物の外側にある排気ガスの近くに誰もいないことを確認します。
  8. 高速バルブコントローラに空気供給を開き、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。
  9. 投影された画像が見やすくなるように、部屋のライトをオフにします。
  10. 風洞を作動させる。
  11. コーンモデル上のマッハ2の流れのシュリーレン画像を観察します。
  12. 逆の順序でバルブを閉じて、風洞をオフにします。次に、コントローラの電源を切します。
  13. すべての空気が装置から放出されるまで待ってから、聴力保護を取り外します。

軍用ジェット機は、超音速と呼ばれる音速を超える驚異的な速度で飛行します。超音速を記述する場合、マッハ番号を使用して音速に対してその速度を測定します。マッハ数が 0.8 より大きいが 1.2 未満の場合、速度はトランスオニックです。マッハ1.2を超えると、速度は超音速です。

コーン型の体の周りの空気の流れを分析して、これらの高速で何が起こっているかを詳しく見てみましょう。マッハ数0.3を超えると、これらの高速空気は大きな密度変化を持つため、空気の圧縮効果を考慮する必要があります。着信速度がマッハ1.0を超えると、円根またはウェッジの機首から斜めの衝撃波が形成され、移動体の周りに膨張ファンが形成されます。

衝撃波は非常に薄い伝搬乱で、圧力、温度、密度などの流れの特性が急激に変化します。拡張ファンは無限の数の波で構成され、超音速の流れが凸角を回るときに発生します。圧力、密度、温度は膨張ファン全体で連続的に減少し、速度は増加します。衝撃波や膨張ファンの中で空気の密度が大きく変化するため、シュリーレンイメージングと呼ばれる密度ベースのフロー可視化技術を用いて可視化できます。

シュリーレン法は、真空中の光の速度と特定の媒体内の速度の比率である屈折率に依存します。屈折率の変化は密度の変化に比例する。これにより、衝撃波や膨張ファンにおける空気の密度が変化するにつれて、屈折率も変化する。

シュリーレンイメージングでは、コリメート光源がボディに光を当て、屈折率の変化が光線を歪めます。たわみを可視化するために、透過光の焦点面にナイフエッジを配置し、従って、偏向光の一部を遮断し、画面上の投影画像のコントラストを高める。これにより、高低の光強度の画像が表示され、高気密度と低密度の領域がマッピングされるため、衝撃波や膨張ファンを可視化できます。

本実験では、シュリーレンイメージングシステムを用いて、マッハ2の空気がコーン上を流れる衝撃波と膨張ファンを可視化する。

この実験では、シュリーレンシステムを用いて、15°半角コーンモデルの周りの超音速風洞によって発生する衝撃波を画像化する。この実験で用いられるシュリーレンシステムは、図に示すように設定される。

まず、空気を脱水するために乾燥塔をアクティブにします。これにより、試験部の局所的な温度低下による氷の形成を防ぐことができます。次に、テキストセクションを開き、15°半角コーンモデルを内部の支持構造に固定します。テストセクションを調べて、破片やその他の物体が見えていないことを確認します。次に、テスト セクションを閉じます。

空気流制御のメインバルブが閉まっていることを確認し、コンプレッサーをオンにして空気貯蔵タンクを加圧し、タンクが210 psiに達するようにします。圧力に達してもコンプレッサーが自動的に遮断されない場合は、コンプレッサーを手動でオフにします。次に、高速バルブのコントローラの電源を入れます。

シュリーレン・イメージング・システムをセットアップするには、まずライトと冷却ファンをオンにします。次に、光源からテストセクションの反対側に用紙を置きます。最初の凹面ミラーを合わせ、光がテストセクションを通過できるようにし、光が用紙に当たっていることを確認します。次に、画像が形成される投影画面を配置します。

次に、テスト セクションを通過する光が投影画面に反映するように、2 番目の凹面ミラーを調整します。2 番目のミラーの焦点に合わせてナイフエッジを調整します。次に、ナイフエッジの絞りを調整して、所望の画質を実現します。

投影された画像を記録するには、画面に面した三脚にカメラをセットします。カメラセンサーに直接記録するには、カメラをナイフエッジ絞りの前に配置します。装置がセットアップされたので、実験を実行してみましょう。

まず、適切な聴覚保護を行い、建物の外の空気排気の近くに誰もいないことを確認します。まず、高速バルブコントローラに空気供給を開きます。次に、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。次に、投影された画像が見やすくなるように、部屋のライトをオフにします。次に、コントローラの横にある緑色のボタンを押して風洞をアクティブにし、高速バルブを開きます。

コーンモデル上のマッハ2.0の流れのシュリーレン画像を観察します。終了したら、逆順にバルブを閉じてから、コントローラをオフにして、風洞をオフにします。聴力保護を取り外す前に、装置が空気を放出するまで待ちます。

それでは、シュリーレンの設定を使用して取得した画像を見てみましょう。この実験で用いられたモデルは、半角15°のコーンで、マッハ2.0で超音速流れを行った。ここに示すように、衝撃波の存在を観察することができます。

理論的には、斜めの衝撃は、33.9°の角度で、コーン表面で形成されるべきです。斜めの衝撃角度値はテイラー・マッコール方程式から得られ、数値的に解かなければなりません。測定した実験角度は33.6°で、理論データと比較して1%未満の誤差であった。

さらに、シュリーレンの技術はコーンの上の拡張ファンの視覚化を可能にする。拡張ファンは、超音速の流れが凸角を回るときに発生する予想される拡張プロセスです。

要約すると、シュリーレン法は、超音速流の衝撃波と膨張ファンを可視化するために屈折率の変化をどのように使用するかを学びました。次に、イメージング技術を利用して、マッハ2.0流れ場の衝撃と膨張波のパターンをコーン上で可視化した。

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