水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流

Aeronautical Engineering

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Concepts

图1D所示的三角翼,由于其在跨音和超音速飞行系统中的卓越性能,在高速飞机中是一种流行的设计。这种类型的机翼具有小纵横比和高扫描角度,减少了在高亚音速、跨音和超音速飞行系统下阻力。纵横比定义为翼展除以平均和弦。

三角洲翼的一个重要优势是其高失速角度。与高纵横比翼的失速相比,三角翼的失速延迟。这是因为三角翼的提升被机翼上的前沿涡旋增强。

观察这种涡流现象并研究三角洲翼中涡流分解的有效方法是在水隧道中可视化水流。通过在从前沿的染料端口将染料注入模型周围的流动中,可以观察到涡流的发展和分解,并测量其位置。数据还可用于估计失速角度。

图 1.典型的翼平面形状:A) 矩形,沿跨度恒和弦,B) 椭圆,C) 锥形,沿跨度可变和弦,D) 增量翼,一个带零锥比的后扫翼。

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JoVE Science Education Database. 航空工程. 水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

当增量翼受到略高的攻击角度(通常角度超过 7°)时,在前沿处发生流量分离。与在后缘附近下游发生的流量分离(如在矩形翼中发生)不同,前缘涡流的卷起(如图 2 所示)在机翼上表面产生低压,并增强提升力。这种现象称为涡旋提升,与矩形翼的失速角度相比,导致延迟高失速角度。

图 2.涡旋形成在三角洲翼以中等攻击角度。A) 顶部视图,显示在机翼顶点形成的核心和涡流,以及显示半和弦前缘的涡流卷起的绿色条纹。B) 带涡状卷起的侧视图。源自顶点(蓝色染料)的涡旋与半和弦(绿色染料)产生的涡旋相互作用。

这些涡流从机翼顶点开始,并向下游推进,在某些时候,由于高负压梯度,它们爆裂(涡流破裂)。一旦涡流分解,涡流就不能再诱导低压。对于相对较低的攻击角度,涡流分解发生在后缘的下游。但是,当攻击角度增加时,涡流分解的位置会向上游移动,到大多数机翼表面发生分解的点。这减少了提升并导致机翼失速。

这些涡流模式可以在水隧道中使用染料的流量可视化来观察。在模型靠近前缘的适当位置,通过端口释放稳定的染料流。染料与水混合,并遵循流允许条纹的可视化。对染色的流进行跟踪,并观察到涡流的形成、发育和与其他涡流和流动结构的相互作用,直到涡流破裂。

隧道中的染料和水应具有类似的物理特性,并且端口开口处的释放压力应与本地流量压力相同,以尽量减少对流量的干扰。由染料形成的条纹突出各种流动结构,如涡流、层状区域、湍流区域和过渡区域。这些结构可以观察,并用于比较不同几何形状或模型对流动的影响。

图 3.三角洲机翼实验设置。A) 安装在水隧道测试部分内的 C 柱架上的增量翼。B) C-Strut 连接到水隧道的墙壁。C) 染料容器、加压空气供应和三个阀门来控制染料流速。

Procedure

1. 准备水隧道

  1. 获得三个 500 mL 容器,每个容器至少加满一半染料。应该有一个带有蓝色染料的容器,一个带有绿色染料,一个装有红色染料。浓度并不重要,因为染料流速将相应地调整。
  2. 在水隧道中安装三角翼。用螺钉将 C 柱支撑连接到水隧道,使偏航角度保持在零。参见图 3。
  3. 给水隧道加水。
  4. 放置一台摄像机以捕获翼子板的顶视图,放置第二个摄像机以捕获侧视图。

2. 在三角洲翼上可视化条纹

  1. 通过调整 C 支柱上的角度,将攻击角度设置为零。
  2. 将水隧道流量速度设置为 4 in/s,并允许流量稳定。
  3. 使用泵向染料储液罐提供压力。
  4. 观察染料的条纹,然后根据需要调整染料流速,以产生连续条纹。染料没有设定的流速。同时应用所有颜色。每种颜色都应用于机翼的不同区域,以可视化涡流相互作用。参见图 2。
  5. 按每台摄像机上的记录开始捕捉素材。观察涡流相互作用,识别涡旋卷起和主涡芯。
  6. 记录至少 10 s 的漩涡。
  7. 将攻击角度增加到 5°,等待流量和条纹稳定,并将涡流记录为 10 s。
  8. 将攻击角度从 0 - 55° 增加 5°,重复实验。
  9. 如果水变得太模糊,导致条纹显得暗淡,关闭染料供应,停止隧道,并更换它与淡水,然后再继续。
  10. 完成所有试验后,关闭摄像机并关闭染料供应。
  11. 关闭隧道,从水箱中排出水,并冲洗隧道墙壁上残留的染料。

飞机机翼及其设计对于确定飞机的性能特性至关重要。三角翼是高速飞机的热门设计,由于其在跨音和超音速飞行系统的出色表现。

增量翼具有较小的纵横比,定义为翼展除以平均线长。对于增量翼,这是根线长度的 1/2。其他常见的翼形设计,如矩形翼和扫锥翼,具有更高的纵横比。

增量翼子板也有一个高扫描角度,定义为 25% 和弦线和侧轴之间的角度。这些机翼特性减少了高亚音速、跨音和超音速飞行装置的阻力。重要的是,与高纵横比翼相比,三角翼具有较高的失速角度。

在空气动力学中,失速角度是攻击角度过高,导致提升降低的点。三角洲翼的高失速角度是由于机翼上由一个前沿涡旋增强的提升,称为涡旋提升。当三角洲翼受到更高的攻击角时,就会发生涡流提升,导致在机翼前缘发生流量分离,而不是像矩形翼一样在后缘附近下游发生。

前缘涡流卷起导致机翼上表面低压。此压差可增强提升。这些涡流从机翼顶点开始,向下游推进。在某个时候,由于高气压梯度,它们爆裂,称为涡流分解。

一旦涡流分解,涡流就不能再诱导低压了。在低攻击角度时,涡流分解发生在后缘的下游。然而,随着攻击角度的增加,涡流击穿的位置会向上游移动,直到在大部分机翼表面发生击穿。这减少了提升,并导致机翼失速。

在本实验中,我们将使用带有染料的水隧道在三角洲翼模型上可视化这些涡流模式,并跟踪不同攻击角度的涡流分解位置。

要进行此实验,您需要访问水隧道。首先,获得三个500-mL容器,每个容器至少装满一半的染料。使用一个容器用于蓝色染料,另一个用于绿色染料,最后一个用于红色染料。

实验中使用的增量翼模型已经将管子连接到三个染料容器。它还有三个染料注射水龙头,这将分散不同的颜色染料在机翼的三个不同区域。距离测量值使用 1 厘米刻度线在机翼上标记。增量翼应该已经连接到 C 支柱支架上。使用螺钉将其连接到隧道,使偏航角度尽可能接近 0。

一旦三角洲翼就位,就给水隧道注水。确保附加带有刻度线的纸张,为侧视图提供参考。然后,放置摄像机以捕捉机翼的顶视图。放置第二个摄像机以捕获侧视图。现在,按每台相机上的"记录"来捕捉染料注射和随后的涡流的镜头。

通过调整 C 柱上的角度,手动将攻击角度设置为 0。然后,将水隧道流量速度设置为 4 in/s。一旦流量稳定,使用手动泵向染料储液罐提供压力。

观察染料的条纹,然后使用三个旋钮调整染料流速以生成连续条纹。同时应用所有三种颜色,使我们能够查看机翼不同区域的涡流相互作用。观察涡流相互作用,识别涡旋卷起和主涡芯。

记录至少 10 秒的漩涡后,将攻击角度更改为 5 度。等待流和条纹线稳定并记录涡流至少 10 s。

通过以 5° 的增量将攻击角度增加到 55°来重复测量。每次记录至少 10 s 的条纹涡流模式。

如果水变得太模糊,导致条纹线显得暗淡,关闭染料供应并关闭隧道。先排干水,用清水代替,然后再继续。

完成所有试验后,关闭相机并关闭染料供应。然后关闭隧道并排干水。完成后,一定要把染料从隧道里洗掉。

通过实验,我们可以识别不同攻击角度的涡流分解。如图所示,测量了从机翼顶点到涡流分解的距离(标记为 LB)。为简单起见,我们将此距离作为从后缘的弦长度的百分比进行引用。

现在,让我们来看看从后缘到涡流分解每个攻击角度的距离。如图所示,随着攻击角度的增加,涡流分解位置会逐渐向上游移动。当攻击角度等于 40°时,涡流分解发生在从后缘到弦位置的 96% 处。换句话说,几乎达到机翼的顶点。在这种态度下,三角洲的机翼经历了一个满的摊位。换句话说,它经历了完全失去的提升。

总之,我们了解到三角洲翼的低纵横比和高扫描角度如何导致其涡旋提升和延迟失速。然后,我们观察到水隧道中模型三角洲翼上的涡流现象,并使用涡流分解来估计失速角。

Results

通过实验,我们可以识别涡流分解,如图4所示。从机翼顶点到涡流分解的距离可以使用机翼中绘制的刻度进行测量(图 4B)。在实验中,机翼的攻击角度逐渐增大,并测量了涡流分解位置,lb,相对于机翼顶点。相对于机翼后缘的分解位置 x/c 与攻击角度绘制,如图 5 所示。当± = 10° 时,前缘涡流分解的时间平均位置位于增量翼的后缘。随着攻击角度的增加,涡流分解的位置逐渐向上游移动。当α = 40° 时,涡流从后缘以 96% 和弦位置发生,几乎位于增量翼的顶点处。在这种态度下,三角洲机翼经历了一个满的摊位,完全失去了电梯。

Figure 4
图 4.涡流分解识别。A) 涡流分解的侧视图和涡流从机翼顶点分解的距离lb。B) 涡流分解和与机翼顶点lb的距离的顶视图。

Figure 5
图 5.涡流分解位置。对于攻击角度 < 10°,涡流在机翼下游发生断裂。对于攻击角度 >40°,流量在翼尖处分离。

Applications and Summary

通过在水隧道中使用流量可视化,确定了三角洲翼中不同角度攻击的涡流分解位置。水隧道中的流量可视化通过将染料注入流场的特定位置来执行。染料跟随流动,使我们能够观察流动条纹。此方法类似于风洞中使用的烟雾可视化技术。但是,使用多种不同染料颜色的能力使流结构和相互作用易于可视化。此方法的另一个优点是,它是一种低成本技术,提供流场的 3D 信息。

用于流量可视化的染料注入是一种具有众多应用的经典方法。例如,用染料进行著名的雷诺管道流湍流实验,在圆形管道中识别层状和湍流区域。该技术不仅可用于识别湍流区域,还可用于研究湍流促进的混合,以研究其他流动结构。

流动结构,如涡流和分离气泡,提供有关物理控制现象的重要信息,包括涡流提升。因此,此方法可用于流可视化,以帮助设计和优化受流量场影响的设备,如汽车、船舶、高层建筑和长桥。

名字 公司 目录号 评论
设备
大学桌面水隧道 滚山研究公司 型号 0710 测试部分 7" x 10" x 18" (WxHxL)
窗口 7 x 9 . 5 ( WxH )
流速 2 至 5 in/sec
红色染料
绿色染料
蓝色染料
摄像机
三角洲翼 SDSU

1. 准备水隧道

  1. 获得三个 500 mL 容器,每个容器至少加满一半染料。应该有一个带有蓝色染料的容器,一个带有绿色染料,一个装有红色染料。浓度并不重要,因为染料流速将相应地调整。
  2. 在水隧道中安装三角翼。用螺钉将 C 柱支撑连接到水隧道,使偏航角度保持在零。参见图 3。
  3. 给水隧道加水。
  4. 放置一台摄像机以捕获翼子板的顶视图,放置第二个摄像机以捕获侧视图。

2. 在三角洲翼上可视化条纹

  1. 通过调整 C 支柱上的角度,将攻击角度设置为零。
  2. 将水隧道流量速度设置为 4 in/s,并允许流量稳定。
  3. 使用泵向染料储液罐提供压力。
  4. 观察染料的条纹,然后根据需要调整染料流速,以产生连续条纹。染料没有设定的流速。同时应用所有颜色。每种颜色都应用于机翼的不同区域,以可视化涡流相互作用。参见图 2。
  5. 按每台摄像机上的记录开始捕捉素材。观察涡流相互作用,识别涡旋卷起和主涡芯。
  6. 记录至少 10 s 的漩涡。
  7. 将攻击角度增加到 5°,等待流量和条纹稳定,并将涡流记录为 10 s。
  8. 将攻击角度从 0 - 55° 增加 5°,重复实验。
  9. 如果水变得太模糊,导致条纹显得暗淡,关闭染料供应,停止隧道,并更换它与淡水,然后再继续。
  10. 完成所有试验后,关闭摄像机并关闭染料供应。
  11. 关闭隧道,从水箱中排出水,并冲洗隧道墙壁上残留的染料。

飞机机翼及其设计对于确定飞机的性能特性至关重要。三角翼是高速飞机的热门设计,由于其在跨音和超音速飞行系统的出色表现。

增量翼具有较小的纵横比,定义为翼展除以平均线长。对于增量翼,这是根线长度的 1/2。其他常见的翼形设计,如矩形翼和扫锥翼,具有更高的纵横比。

增量翼子板也有一个高扫描角度,定义为 25% 和弦线和侧轴之间的角度。这些机翼特性减少了高亚音速、跨音和超音速飞行装置的阻力。重要的是,与高纵横比翼相比,三角翼具有较高的失速角度。

在空气动力学中,失速角度是攻击角度过高,导致提升降低的点。三角洲翼的高失速角度是由于机翼上由一个前沿涡旋增强的提升,称为涡旋提升。当三角洲翼受到更高的攻击角时,就会发生涡流提升,导致在机翼前缘发生流量分离,而不是像矩形翼一样在后缘附近下游发生。

前缘涡流卷起导致机翼上表面低压。此压差可增强提升。这些涡流从机翼顶点开始,向下游推进。在某个时候,由于高气压梯度,它们爆裂,称为涡流分解。

一旦涡流分解,涡流就不能再诱导低压了。在低攻击角度时,涡流分解发生在后缘的下游。然而,随着攻击角度的增加,涡流击穿的位置会向上游移动,直到在大部分机翼表面发生击穿。这减少了提升,并导致机翼失速。

在本实验中,我们将使用带有染料的水隧道在三角洲翼模型上可视化这些涡流模式,并跟踪不同攻击角度的涡流分解位置。

要进行此实验,您需要访问水隧道。首先,获得三个500-mL容器,每个容器至少装满一半的染料。使用一个容器用于蓝色染料,另一个用于绿色染料,最后一个用于红色染料。

实验中使用的增量翼模型已经将管子连接到三个染料容器。它还有三个染料注射水龙头,这将分散不同的颜色染料在机翼的三个不同区域。距离测量值使用 1 厘米刻度线在机翼上标记。增量翼应该已经连接到 C 支柱支架上。使用螺钉将其连接到隧道,使偏航角度尽可能接近 0。

一旦三角洲翼就位,就给水隧道注水。确保附加带有刻度线的纸张,为侧视图提供参考。然后,放置摄像机以捕捉机翼的顶视图。放置第二个摄像机以捕获侧视图。现在,按每台相机上的"记录"来捕捉染料注射和随后的涡流的镜头。

通过调整 C 柱上的角度,手动将攻击角度设置为 0。然后,将水隧道流量速度设置为 4 in/s。一旦流量稳定,使用手动泵向染料储液罐提供压力。

观察染料的条纹,然后使用三个旋钮调整染料流速以生成连续条纹。同时应用所有三种颜色,使我们能够查看机翼不同区域的涡流相互作用。观察涡流相互作用,识别涡旋卷起和主涡芯。

记录至少 10 秒的漩涡后,将攻击角度更改为 5 度。等待流和条纹线稳定并记录涡流至少 10 s。

通过以 5° 的增量将攻击角度增加到 55°来重复测量。每次记录至少 10 s 的条纹涡流模式。

如果水变得太模糊,导致条纹线显得暗淡,关闭染料供应并关闭隧道。先排干水,用清水代替,然后再继续。

完成所有试验后,关闭相机并关闭染料供应。然后关闭隧道并排干水。完成后,一定要把染料从隧道里洗掉。

通过实验,我们可以识别不同攻击角度的涡流分解。如图所示,测量了从机翼顶点到涡流分解的距离(标记为 LB)。为简单起见,我们将此距离作为从后缘的弦长度的百分比进行引用。

现在,让我们来看看从后缘到涡流分解每个攻击角度的距离。如图所示,随着攻击角度的增加,涡流分解位置会逐渐向上游移动。当攻击角度等于 40°时,涡流分解发生在从后缘到弦位置的 96% 处。换句话说,几乎达到机翼的顶点。在这种态度下,三角洲的机翼经历了一个满的摊位。换句话说,它经历了完全失去的提升。

总之,我们了解到三角洲翼的低纵横比和高扫描角度如何导致其涡旋提升和延迟失速。然后,我们观察到水隧道中模型三角洲翼上的涡流现象,并使用涡流分解来估计失速角。

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