Visualización de flujo en un túnel de agua: Observando el vórtice de vanguardia sobre un ala Delta

Aeronautical Engineering

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Concepts

El ala delta, que se muestra en la Figura 1D, es un diseño popular en aviones de alta velocidad debido a su excelente rendimiento en regímenes de vuelo transónicos y supersónicos. Este tipo de ala tiene una pequeña relación de aspecto y un alto ángulo de barrido, lo que reduce la resistencia a los regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. La relación de aspecto se define como el intervalo de ala dividido por el acorde promedio.

Una ventaja importante del ala delta es su ángulo de alto estancamiento. El estancamiento de un ala delta se retrasa en comparación con el establo de un ala de alta relación de aspecto. Esto se debe a que la elevación de un ala delta se ve reforzada por el vórtice de vanguardia sobre el ala.

Una manera eficaz de observar este fenómeno de flujo de vórtice y estudiar la descomposición del vórtice en un ala delta es visualizando el flujo en un túnel de agua. Mediante la inyección de tinte en el flujo que rodea un modelo de los puertos de tinte en el borde de ataque, se puede observar el desarrollo y la descomposición del vórtice y medir su posición. Los datos también se pueden utilizar para estimar el ángulo de parada.

Figura 1. Formas típicas de la forma del plano del ala: A) Rectangular, con acorde constante a lo largo del palmo, B) elíptica, C) cónica, con acorde variable a lo largo del palmo, y ala delta D), un ala barrida en popa con relación cónico cero.

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JoVE Science Education Database. Ingeniería Aeronáutica. Visualización de flujo en un túnel de agua: Observando el vórtice de vanguardia sobre un ala Delta. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

Cuando un ala delta está sujeta a ángulos de ataque ligeramente más altos, generalmente ángulos superiores a 7o, se produce una separación de flujo en el borde delantero. En lugar de la separación de flujo que se produce aguas abajo cerca del borde de arrastre, como ocurriría en un ala rectangular, el enrollamiento de los vórtices de borde delantero, como se muestra en la Figura 2, induce baja presión en la superficie superior del ala y mejora la elevación. Este fenómeno se llama elevación de vórtice y contribuye a un ángulo de alto estancamiento retardado en comparación con el ángulo de parada de un ala rectangular.

Figura 2. Formación de vórtice sobre un ala delta en un ángulo moderado de ataque. A) Vista superior con una línea de rayas azules que muestra el núcleo y el vórtice formando en el ápice del ala, y la línea de rayas verde que muestra el rollup de vórtice desde el borde delantero a medio acorde. B) Vista lateral con el paquete acumulativo de vórtices. El vórtice que se origina en el ápice (tinte azul) interactúa con el vórtice generado a media cuerda (tinte verde).

Estos vórtices comienzan en el ápice del ala y progresan aguas abajo donde en algún momento estallan (descomposición del vórtice) debido a un gradiente de presión adversa alta. Una vez que se produce la descomposición del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. Para ángulos de ataque relativamente bajos, la descomposición del vórtice se produce aguas abajo del borde final. Sin embargo, cuando aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se mueve aguas arriba, hasta un punto donde la descomposición se produce sobre la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la elevación y hace que el ala se detenga.

Estos patrones de vórtice se pueden observar utilizando la visualización de flujo con tinte en un túnel de agua. Un flujo constante de tinte se libera a través de los puertos en las ubicaciones apropiadas en el modelo cerca del borde de ataque. El tinte se mezcla con el agua y sigue el flujo permitiendo la visualización de rayas. Se realiza un seguimiento del flujo teniado y se observa la formación, el desarrollo y la interacción del vórtice con otros vórtices y estructuras de flujo hasta la descomposición del vórtice.

El tinte y el agua en el túnel deben tener propiedades físicas similares, y la presión de liberación en la abertura del puerto debe ser la misma que la presión de flujo local para minimizar las perturbaciones al flujo. Las rayas, formadas por el tinte, resaltan varias estructuras de flujo, como vórtices, regiones laminar, regiones turbulentas y regiones de transición. Estas estructuras se pueden observar y utilizar para comparar los efectos de diferentes geometrías o actitudes de modelo en el flujo.

Figura 3. Configuración experimental del ala Delta. A) Ala Delta montada en el puntal C dentro de una sección de prueba de túnel de agua. B) Conexión C-Strut a las paredes del túnel de agua. C) Contenedores de tinte, suministro de aire presurizado y tres válvulas para controlar el caudal de tinte.

Procedure

1. Preparación del túnel de agua

  1. Obtenga tres recipientes de 500 ml y llene cada recipiente al menos medio lleno con tinte. Debe haber un recipiente con tinte azul, otro con tinte verde y otro con tinte rojo. La concentración no es importante porque el caudal de tinte se ajustará en consecuencia.
  2. Instale el ala delta en su soporte en el túnel de agua. Fije el soporte C-strut al túnel de agua con tornillos, manteniendo el ángulo de guias en cero. Vea la figura 3.
  3. Llene el túnel de agua con agua.
  4. Coloque una cámara para capturar una vista superior del ala y una segunda cámara para capturar la vista lateral.

2. Visualización de rayas sobre un ala delta

  1. Establezca el ángulo de ataque en cero ajustando el ángulo en el puntal C.
  2. Establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s y permita que el flujo se estabilice.
  3. Suministre presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba.
  4. Observe las rayas de tinte y, a continuación, ajuste el caudal del tinte según sea necesario para tener una veta continua. No hay un caudal establecido para el tinte. Aplique todos los colores al mismo tiempo. Cada color se aplica a una región diferente del ala para visualizar las interacciones de vórtice. Vea la figura 2.
  5. Pulse grabar en cada cámara para empezar a capturar material de archivo. Observe las interacciones del vórtice e identifique el roll-up del vórtice y el núcleo primario del vórtice.
  6. Registre al menos 10 s del vórtice.
  7. Aumente el ángulo de ataque a 5o, espere a que el flujo y las rayas se estabilicen y registre los vórtices durante 10 s.
  8. Repita el experimento aumentando el ángulo de ataque en incrementos de 5o de 0 a 55o.
  9. Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las estriatadas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte, detenga el túnel y reemplácelo con agua dulce antes de continuar.
  10. Cuando se hayan realizado todas las pruebas, apague las cámaras y cierre el suministro de tinte.
  11. Apague el túnel, drene el agua del tanque y lave cualquier resto de tinte de las paredes del túnel.

Las alas de avión, y su diseño, son esenciales para definir las características de rendimiento de un avión. El ala delta es un diseño popular en aviones de alta velocidad debido a su excelente rendimiento en regímenes de vuelo transónicos y supersónicos.

El ala delta tiene una pequeña relación de aspecto, que se define como la envergadura dividida por la longitud media del cordón. Para un ala delta, esto es 1/2 la longitud del cordón raíz. Otros diseños de alas comunes, como el ala rectangular y el ala barrida, tienen relaciones de aspecto más altas.

El ala delta también tiene un ángulo de barrido alto, que se define como el ángulo entre la línea de cuerda del 25% y el eje lateral. Estas características de las alas reducen la resistencia aerodinámica a altos regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. Es importante destacar que el ala delta tiene un ángulo de bloqueo alto en comparación con las alas de alta relación de aspecto.

En aerodinámica, el ángulo de parada es el punto en el que el ángulo de ataque es demasiado alto, lo que hace que la elevación disminuya. El ángulo alto de estancamiento de un ala delta se debe a una elevación mejorada por un vórtice de borde delantero sobre el ala, llamado elevación de vórtice. La elevación del vórtice se produce cuando un ala delta está sujeta a ángulos de ataque más altos, lo que hace que la separación del flujo tenga lugar en el borde delantero del ala, en lugar de ocurrir aguas abajo cerca del borde de arrastre, como lo haría para un ala rectangular.

El enrollado de los vórtices de vanguardia induce baja presión en la superficie superior del ala. Este diferencial de presión mejora la elevación. Estos vórtices comienzan desde el ápice del ala, y progresan aguas abajo. En algún momento, estallan, llamada descomposición del vórtice, debido al gradiente de presión adversa alta.

Una vez que se produce la descomposición del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. En ángulos bajos de ataque, la descomposición del vórtice se produce aguas abajo del borde final. Sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se mueve aguas arriba hasta un punto donde la avería se produce sobre la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la elevación y hace que el ala se detenga.

En este experimento, utilizaremos un túnel de agua con tinte para visualizar estos patrones de vórtice en un modelo de ala delta y rastrear la ubicación de la descomposición del vórtice en diferentes ángulos de ataque.

Para llevar a cabo este experimento, necesitará acceso a un túnel de agua. En primer lugar, obtener tres recipientes de 500 ml y llenar cada uno al menos medio lleno de tinte. Use un recipiente para el tinte azul, otro para el tinte verde y el último para el tinte rojo.

El modelo de ala delta utilizado en nuestro experimento tiene tubos ya conectados a los tres contenedores de tinte. También tiene tres grifos de inyección de tinte, que dispersarán un tinte de color diferente en tres regiones diferentes del ala. Las mediciones de distancia se marcan en el ala utilizando marcas de graduación de 1 cm. El ala delta ya debería estar unida a un soporte de puntal C. Conéctelo al túnel con tornillos, manteniendo el ángulo de guijo lo más cerca posible de 0.

Una vez que el ala delta esté en su lugar, llene el túnel de agua con agua. Asegúrese de adjuntar un papel con marcas de graduación para proporcionar una referencia para la vista lateral. A continuación, coloque una cámara para capturar la vista superior del ala. Coloque una segunda cámara para capturar la vista lateral. Ahora pulse 'Grabar' en cada cámara para capturar imágenes de la inyección de tinte y los vórtices subsiguientes.

Ajuste manualmente el ángulo de ataque a 0 ajustando el ángulo en el puntal C. A continuación, establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s. Una vez que el flujo se haya estabilizado, suministre la presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba manual.

Observe las rayas de tinte y, a continuación, ajuste el caudal del tinte utilizando las tres perillas para generar una raya continua. La aplicación de los tres colores a la vez nos permite ver las interacciones de vórtice en diferentes regiones del ala. Observe las interacciones del vórtice e identifique el rollo de vórtice y el núcleo del vórtice primario.

Después de grabar al menos 10 segundos del vórtice, cambia el ángulo de ataque a cinco grados. Espere a que las líneas de flujo y raya se estabilicen y registren los vórtices durante al menos 10 s.

Repita la medición aumentando el ángulo de ataque en incrementos de 5o hasta 55o. Registre al menos 10 s del patrón de vórtice de raya cada vez.

Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las líneas de rayas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte y apague el túnel. Escurra el agua y reemplácela con agua dulce antes de continuar.

Cuando finalicen todas las pruebas, apague la cámara y cierre el suministro de tinte. A continuación, apague el túnel y drene el agua. Asegúrese de lavar el tinte del túnel cuando haya terminado.

A partir del experimento, podemos identificar averías de vórtice en diferentes ángulos de ataque. La distancia desde el ápice del ala hasta la descomposición del vórtice, etiquetada como LB, se mide, como se muestra. Para simplificar, hacemos referencia a esta distancia como un porcentaje de la longitud del acorde desde el borde final.

Ahora echemos un vistazo a la distancia desde el borde final hasta la descomposición del vórtice para cada ángulo de ataque. Como se muestra aquí, la ubicación de descomposición del vórtice se mueve gradualmente aguas arriba a medida que aumenta el ángulo de ataque. Cuando el ángulo de ataque es igual a 40o, la descomposición del vórtice se produce en el 96% de la ubicación del acorde desde el borde final. En otras palabras, casi hasta el ápice del ala. En esta actitud, el ala delta experimenta un puesto completo. En otras palabras, experimenta una pérdida total de elevación.

En resumen, aprendimos cómo la relación de aspecto baja y el ángulo de barrido alto de un ala delta contribuyen a su elevación de vórtice y estancamiento retardado. Luego observamos el fenómeno de flujo de vórtice en un ala delta modelo en un túnel de agua, y usamos la descomposición del vórtice para estimar el ángulo de parada.

Results

A partir del experimento, podemos identificar el desglose del vórtice, como se ilustra en la Figura 4. La distancia desde el ápice del ala hasta la descomposición del vórtice se puede medir utilizando la escala dibujada en el ala (Figura 4B). Durante el experimento, el ángulo de ataque del ala se incrementó gradualmente, y se midió la ubicación de descomposición del vórtice, lb,con respecto al ápice del ala. La ubicación de descomposición, x/c, con respecto al borde de arrastre del ala se graficó contra el ángulo de ataque, como se muestra en la Figura 5. Cuando se encuentra en el borde final del ala delta, con un promedio de tiempo de la avería del vórtice de vanguardia. Junto con un aumento en el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se movió gradualmente aguas arriba. Cuando se produce un valor de 40o, la descomposición del vórtice se produjo en la ubicación del acorde del 96% desde el borde final, casi en el ápice del ala delta. En esta actitud, el ala delta experimenta un puesto completo, una pérdida total de elevación.

Figure 4
Figura 4. Identificación de avería de vórtice. A) Vista lateral de la descomposición del vórtice y la distancia de la descomposición del vórtice desde el ápice del ala lb. B) Vista superior de la descomposición del vórtice y la distancia desde el ápice del ala lb.

Figure 5
Figura 5. Ubicación de descomposición del vórtice. Para los ángulos de ataque < 10o, la descomposición del vórtice se produjo aguas abajo del ala. Para ángulos de ataque >40o, el flujo se separa en la punta del ala.

Applications and Summary

Mediante el uso de la visualización de flujo en un túnel de agua, se identificaron las ubicaciones de descomposición del vórtice para varios ángulos de ataques en un ala delta. La visualización del flujo en un túnel de agua se realiza inyectando tinte en ubicaciones específicas del campo de flujo. El tinte sigue el flujo, lo que nos permite observar las rayas de flujo. Este método es similar a la técnica de visualización del humo que se utiliza en un túnel de viento. Sin embargo, la capacidad de utilizar múltiples colores de tinte diferentes permitió una fácil visualización de las estructuras de flujo y las interacciones. Otra ventaja de este método es que es una técnica de bajo costo que proporciona información 3D del campo de flujo.

La inyección de tinte para la visualización de flujo es un método clásico con numerosas aplicaciones. Por ejemplo, el famoso experimento Reynolds sobre turbulencia en el flujo de tuberías se ejecutó utilizando tinte para la visualización, e identificó regiones de flujo laminar y turbulentoen en tuberías circulares. Esta técnica se puede utilizar no sólo para identificar las regiones turbulentas, sino que también se puede utilizar para estudiar la mezcla que se promueve por turbulencia para estudiar otras estructuras de flujo.

Las estructuras de flujo, como los vórtices y las burbujas de separación, proporcionan información importante sobre los fenómenos que rigen la física, incluido el levantamiento de vórtice. Por lo tanto, este método se puede utilizar para la visualización de flujo para ayudar en el diseño y optimización de dispositivos afectados por campos de flujo, como automóviles, barcos, edificios altos y puentes largos.

Nombre Empresa Número de catálogo Comentarios
Equipo
Túnel de agua de escritorio de la universidad Rolling Hills Research Corporation Modelo 0710 Sección de prueba 7" x 10" x 18" (WxHxL)
Down Stream Window 7" x 9.5" (AnxAl)
Velocidad de flujo de 2 a 5 in./seg.
Tinte rojo
Tinte verde
Tinte azul
Cámara de vídeo
Ala Delta Sdsu

1. Preparación del túnel de agua

  1. Obtenga tres recipientes de 500 ml y llene cada recipiente al menos medio lleno con tinte. Debe haber un recipiente con tinte azul, otro con tinte verde y otro con tinte rojo. La concentración no es importante porque el caudal de tinte se ajustará en consecuencia.
  2. Instale el ala delta en su soporte en el túnel de agua. Fije el soporte C-strut al túnel de agua con tornillos, manteniendo el ángulo de guias en cero. Vea la figura 3.
  3. Llene el túnel de agua con agua.
  4. Coloque una cámara para capturar una vista superior del ala y una segunda cámara para capturar la vista lateral.

2. Visualización de rayas sobre un ala delta

  1. Establezca el ángulo de ataque en cero ajustando el ángulo en el puntal C.
  2. Establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s y permita que el flujo se estabilice.
  3. Suministre presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba.
  4. Observe las rayas de tinte y, a continuación, ajuste el caudal del tinte según sea necesario para tener una veta continua. No hay un caudal establecido para el tinte. Aplique todos los colores al mismo tiempo. Cada color se aplica a una región diferente del ala para visualizar las interacciones de vórtice. Vea la figura 2.
  5. Pulse grabar en cada cámara para empezar a capturar material de archivo. Observe las interacciones del vórtice e identifique el roll-up del vórtice y el núcleo primario del vórtice.
  6. Registre al menos 10 s del vórtice.
  7. Aumente el ángulo de ataque a 5o, espere a que el flujo y las rayas se estabilicen y registre los vórtices durante 10 s.
  8. Repita el experimento aumentando el ángulo de ataque en incrementos de 5o de 0 a 55o.
  9. Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las estriatadas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte, detenga el túnel y reemplácelo con agua dulce antes de continuar.
  10. Cuando se hayan realizado todas las pruebas, apague las cámaras y cierre el suministro de tinte.
  11. Apague el túnel, drene el agua del tanque y lave cualquier resto de tinte de las paredes del túnel.

Las alas de avión, y su diseño, son esenciales para definir las características de rendimiento de un avión. El ala delta es un diseño popular en aviones de alta velocidad debido a su excelente rendimiento en regímenes de vuelo transónicos y supersónicos.

El ala delta tiene una pequeña relación de aspecto, que se define como la envergadura dividida por la longitud media del cordón. Para un ala delta, esto es 1/2 la longitud del cordón raíz. Otros diseños de alas comunes, como el ala rectangular y el ala barrida, tienen relaciones de aspecto más altas.

El ala delta también tiene un ángulo de barrido alto, que se define como el ángulo entre la línea de cuerda del 25% y el eje lateral. Estas características de las alas reducen la resistencia aerodinámica a altos regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. Es importante destacar que el ala delta tiene un ángulo de bloqueo alto en comparación con las alas de alta relación de aspecto.

En aerodinámica, el ángulo de parada es el punto en el que el ángulo de ataque es demasiado alto, lo que hace que la elevación disminuya. El ángulo alto de estancamiento de un ala delta se debe a una elevación mejorada por un vórtice de borde delantero sobre el ala, llamado elevación de vórtice. La elevación del vórtice se produce cuando un ala delta está sujeta a ángulos de ataque más altos, lo que hace que la separación del flujo tenga lugar en el borde delantero del ala, en lugar de ocurrir aguas abajo cerca del borde de arrastre, como lo haría para un ala rectangular.

El enrollado de los vórtices de vanguardia induce baja presión en la superficie superior del ala. Este diferencial de presión mejora la elevación. Estos vórtices comienzan desde el ápice del ala, y progresan aguas abajo. En algún momento, estallan, llamada descomposición del vórtice, debido al gradiente de presión adversa alta.

Una vez que se produce la descomposición del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. En ángulos bajos de ataque, la descomposición del vórtice se produce aguas abajo del borde final. Sin embargo, a medida que aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se mueve aguas arriba hasta un punto donde la avería se produce sobre la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la elevación y hace que el ala se detenga.

En este experimento, utilizaremos un túnel de agua con tinte para visualizar estos patrones de vórtice en un modelo de ala delta y rastrear la ubicación de la descomposición del vórtice en diferentes ángulos de ataque.

Para llevar a cabo este experimento, necesitará acceso a un túnel de agua. En primer lugar, obtener tres recipientes de 500 ml y llenar cada uno al menos medio lleno de tinte. Use un recipiente para el tinte azul, otro para el tinte verde y el último para el tinte rojo.

El modelo de ala delta utilizado en nuestro experimento tiene tubos ya conectados a los tres contenedores de tinte. También tiene tres grifos de inyección de tinte, que dispersarán un tinte de color diferente en tres regiones diferentes del ala. Las mediciones de distancia se marcan en el ala utilizando marcas de graduación de 1 cm. El ala delta ya debería estar unida a un soporte de puntal C. Conéctelo al túnel con tornillos, manteniendo el ángulo de guijo lo más cerca posible de 0.

Una vez que el ala delta esté en su lugar, llene el túnel de agua con agua. Asegúrese de adjuntar un papel con marcas de graduación para proporcionar una referencia para la vista lateral. A continuación, coloque una cámara para capturar la vista superior del ala. Coloque una segunda cámara para capturar la vista lateral. Ahora pulse 'Grabar' en cada cámara para capturar imágenes de la inyección de tinte y los vórtices subsiguientes.

Ajuste manualmente el ángulo de ataque a 0 ajustando el ángulo en el puntal C. A continuación, establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s. Una vez que el flujo se haya estabilizado, suministre la presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba manual.

Observe las rayas de tinte y, a continuación, ajuste el caudal del tinte utilizando las tres perillas para generar una raya continua. La aplicación de los tres colores a la vez nos permite ver las interacciones de vórtice en diferentes regiones del ala. Observe las interacciones del vórtice e identifique el rollo de vórtice y el núcleo del vórtice primario.

Después de grabar al menos 10 segundos del vórtice, cambia el ángulo de ataque a cinco grados. Espere a que las líneas de flujo y raya se estabilicen y registren los vórtices durante al menos 10 s.

Repita la medición aumentando el ángulo de ataque en incrementos de 5o hasta 55o. Registre al menos 10 s del patrón de vórtice de raya cada vez.

Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las líneas de rayas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte y apague el túnel. Escurra el agua y reemplácela con agua dulce antes de continuar.

Cuando finalicen todas las pruebas, apague la cámara y cierre el suministro de tinte. A continuación, apague el túnel y drene el agua. Asegúrese de lavar el tinte del túnel cuando haya terminado.

A partir del experimento, podemos identificar averías de vórtice en diferentes ángulos de ataque. La distancia desde el ápice del ala hasta la descomposición del vórtice, etiquetada como LB, se mide, como se muestra. Para simplificar, hacemos referencia a esta distancia como un porcentaje de la longitud del acorde desde el borde final.

Ahora echemos un vistazo a la distancia desde el borde final hasta la descomposición del vórtice para cada ángulo de ataque. Como se muestra aquí, la ubicación de descomposición del vórtice se mueve gradualmente aguas arriba a medida que aumenta el ángulo de ataque. Cuando el ángulo de ataque es igual a 40o, la descomposición del vórtice se produce en el 96% de la ubicación del acorde desde el borde final. En otras palabras, casi hasta el ápice del ala. En esta actitud, el ala delta experimenta un puesto completo. En otras palabras, experimenta una pérdida total de elevación.

En resumen, aprendimos cómo la relación de aspecto baja y el ángulo de barrido alto de un ala delta contribuyen a su elevación de vórtice y estancamiento retardado. Luego observamos el fenómeno de flujo de vórtice en un ala delta modelo en un túnel de agua, y usamos la descomposición del vórtice para estimar el ángulo de parada.

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