表面染料流可视化:观察超音速流中条纹模式的定性方法

Aeronautical Engineering

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Concepts

周围或身体上的流量可视化是空气动力学研究的重要工具。它提供了一种定性和定量研究流结构的方法,也有助于研究者对流体流动行为进行理论研究和验证。流可视化可以分为两类:场外可视化和表面流可视化。场外流动可视化技术涉及确定感兴趣主体周围的流动特征。它们包括但不限于粒子图像速度测量 (PIV)、Schlieren 成像和烟流可视化。这些技术可以提供身体周围流动的定性和定量数据。但是,这些技术通常成本高昂且难以设置。另一方面,表面流可视化技术涉及用染料涂覆感兴趣的主体,以研究表面的流动。这些技术在实践中更具侵入性,包括染料流动可视化,最近还使用压敏涂料,从而提供身体表面流动的详细图像。这使得研究人员能够可视化不同的流动特征,包括层状气泡、边界层过渡和流分离。染料流可视化是当前实验中感兴趣的技术,它提供了表面流的定性图像,是最简单、最具成本效益的表面流可视化方法之一,专门用于可视化身体。

本实验中,在超音速流中研究了六个物体的表面流动行为。利用染料流可视化技术获得条纹图案,从流图像中识别和研究流道、流动附着和分离程度以及冲击的位置和类型。

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JoVE Science Education Database. 航空工程. 表面染料流可视化:观察超音速流中条纹模式的定性方法. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

在染料流动可视化中,流体颗粒用染料标记,以获得引入流时由粒子跟踪的路径。染料是荧光染料颗粒和油的半粘性混合物。荧光染料对流体颗粒进行颜色,并在紫外线光源激发时照亮它们,即使身体不再暴露于流动中,油也有助于维持表面的流动模式。染料流可视化技术提供了一种非常简单、廉价和快速的方法来分析任何表面上的流模式。

根据成像方法,染料流可视化可用于查找流体流动产生的条纹。如果图像是在长时间曝光时拍摄的,则染料可用于跟踪单个流体粒子在流动中移动时所走的路径。在当前实验中使用的技术中,所有流过点或区域的流体颗粒都用染料标记,在主体置于活动流动后连接所有染色颗粒的线是条纹。在这里,在流可视化实验结束时捕获的单个帧提供了足够的信息来研究主体上的一般表面流。通过条纹进行染料可视化,除了提供有关沿曲面的流量移动的详细信息外,还有助于识别表面流动特征。在超音速流动中使用染料可视化可以识别流分离、冲击形成和流在身体表面的运动,所有这些都有助于在空气动力学方面优化车身。

Procedure

  1. 在超音速流中观察条纹
    1. 将荧光染料粉末和矿物油混合在塑料碗中。以增量向染料中加入少量矿物油,持续混合,直到获得半粘性混合物。混合物不应该是稀血的。
    2. 将刺痛安装在超音速风洞试验室上方,并将其锁定到位。本演示使用了测试部分为 6 in x 4 且工作马赫数范围为 1.5 到 4 的吹落超音速风洞,如图1所示。通过调整块设置(更改测试部分的面积比),马赫数会发生变化。
    3. 将 2D 楔形模型拧到刺安装上并固定楔块的方向,使楔形表面面向风洞测试部分的透明侧壁。所有模型如图2所示。
    4. 使用画笔将足够数量的染料混合物涂到模型上。确保染料不会从模型上滴下来。请参阅图 3以寻求参考。
    5. 调整所需自由流马赫数的块设置。
    6. 关闭并固定风洞面板。
    7. 运行风洞 6 秒。
    8. 运行完成后,将紫外线照射到模型上以照亮染料。使用相机捕获条纹图像。
    9. 根据表 1 中列出的模型和重复步骤 1.4 - 1.9 中列出的测试矩阵调整攻击角度或马赫数。
    10. 对表 1 中列出的所有型号重复步骤 1.3 - 1.9。
    11. 所有型号均经过测试后,关闭风洞并拆除设置。


图 1.吹落超音速风洞。


图 2.风洞模型(从左到右)2D楔形、3D楔形、圆锥体、钝鼻体、球体和导弹。

表1.测试矩阵。

模型 攻击角度q 或马赫数M) 设置
2D 10° 楔形 ± = 0、12 和 -12°
3D 10° 楔形 ± = 0、12 和 -12°
± = 0、13 和 -13°
钝鼻子身体 ± = 0、11 和 -11°
导弹 [ ] 0 和 11°
领域 M = 2、2.5 和 3


图3.绘制在 2D 楔形上的荧光染料的代表性图像。

可视化汽车体周围的流对于理解和量化流结构以及对流体流动行为进行理论上的规范至关重要。一种类型的流动可视化称为表面流可视化,它使用染色流体来观察由物体周围的流体流跟踪的路径。

染料流动可视化涉及用染料涂覆感兴趣的主体,以观察身体表面的流动模式。染料是荧光染料颗粒和油的半粘性混合物。机油的高度粘性有助于维持车身表面的流动模式。而荧光染料让我们在紫外光下想象这些图案。

如果图像是在长时间曝光时拍摄的,则染料可用于跟踪单个流体粒子在流动中移动时所走的路径。当染料标记的流体颗粒穿过一个点或一个区域时,我们可以观察到连接所有染色颗粒的线。这称为条纹线。

在超音速流中,这些条纹可用于识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。

现在,让我们仔细看看球体的流动。附加的流显示为平滑的条纹,条纹的方向告诉我们曲面上的流动方向。流分离可以识别为染料团团和看起来更亮的区域。这是因为超过流动点分离的染料不受干扰。

在超音速流中,我们还可以观察到在身体表面形成冲击波,就像在导弹的鳍上由细薄的明亮曲线显示的。我们还可以使用此技术识别曲面上的畸形,如条纹受到干扰的区域所证明的那样。

在本实验中,我们将演示使用几个暴露于超音速流的不同物体的染料流可视化技术。

对于这个实验,我们将使用一个爆炸超音速风洞,其运行马赫数范围为1。5 到 4。此风洞在测试部分有 6 in x 4。通过调整块部分来改变马赫数。换句话说,通过更改测试部分的面积比。我们将测试和观察几个不同模型周围的条纹:2D楔形,3D楔块,圆锥体,钝鼻体,球体和导弹。

为了开始实验,将荧光染料粉末和矿物油混合在塑料碗中。在染料中加入少量矿物油,以增量连续混合,直到混合物是半粘性的,而不是薄和流淌。

现在,将刺放在风洞试验室上方,并将其锁定到位。然后,将 2D 楔形模型拧到刺痛安装上。固定楔块的方向,使楔形表面面向测试部分的透明侧壁。

使用画笔将厚厚的染料涂在模型表面,确保没有那么多染料滴落。然后调整块设置以达到所需的自由流马赫数。使用数字电平将攻击 Alpha 的角度调整为 0°。

现在,关闭并固定测试部分门,运行风洞 6 s。 在运行过程中向模型照射紫外线,以照亮染料。这使我们能够观察条纹模式的演变。

运行完成后,捕获最终流模式的图像。接下来,将攻击角度调整为 12°。像以前那样用染料绘制模型,在风洞运行6s。用紫外线照亮条纹,用相机捕捉图像。

在 -12° 处对 2D 楔形模型重复这些步骤。根据此处所示的测试矩阵,执行所有模型的测试并捕获条纹图像。在每个型号上完成所有测试后,关闭风洞并拆解设置。

现在,让我们来看看从 2D 楔块上的条纹开始的结果。0° 时,条纹图案显示整个主体的均匀流动,但中心存在表面畸形导致流分离的区域除外。当楔块角度为 12° 时,沿曲面的流量向上偏转,而流量在 -12° 设置下向下偏转。

查看 3D 楔形,我们可以看到模型中心的流模式与所有角度设置为 2D 楔形的流量模式相似。但是,顶部和底部边缘的流模式显示偏转,并且沿其长度观察到尖端涡效应。

圆锥体的条纹图案表明,对于所有攻击角度,围绕身体的流动曲线。我们还可以观察到,流分离发生在圆锥体的末端,如染料团团所在的区域所示。

对于钝鼻模型,我们以 0° 的攻击角度观察整个身体的附着流。 在 11 和 -11° 时,流沿表面轮廓绕主体旋转,并沿着染料凝聚的线分离。

虽然导弹模型前面的流动模式与钝鼻体相似,但鳍上的条纹显示了不同的特征。0° 时,顶部和底部鳍上的条纹在翅片前部显示附加的流,以交叉模式逐渐分离。我们还观察到,与吸头相比,流在鳍根处分离得更早。

如果我们看一下中央鳍的前缘的凝聚染料,我们可以看到条纹图案表示弓冲击与染料标记的冲击的形状。在 11° 的攻击角度下,我们观察到底部鳍上的完全连接的流量,但分离的流量靠近顶部鳍的根部。与 0° 外壳类似,中央鳍的存在会导致鳍前缘的弓冲击。

最后,对于球体,我们根据攻击角度的变化变化,因为无论偏转角度如何,流模式都保持不变。我们可以看到,随着马赫数的增加,分离点向身体的尾部移动,显示流量分离的减少。这是因为高速流具有更多的动量,这有助于流量克服球体上的不利压力梯度。这导致更高的流量附件与增加的马赫数。

总之,我们学习了如何使用条纹来识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。然后,我们在风洞中将几个物体暴露在超音速流中,并观察到每个表面以不同攻击角度形成的条纹。

Results

表 1 中列出的六个模型和条件的条纹流模式如下所示。对于 2D 楔块,在体上观察到均匀的流动模式,如图4所示,但表面畸形导致流分离的区域除外。当在12°时倾斜时,沿表面的流动向上偏转。当模型以 -12°为角度时,将镜像此效果。通常,所有情况都显示整个曲面的附着流,但表面畸形区域及其后除外。


图 4.在 2D 楔块上(从左到右)的条纹流模式为 ± = 0°、12°和 -12°。

5的观测显示,虽然 3D 楔块中心处的流量模式与所有三个角度设置中观察到的 2D 楔形相似,但顶部和底部边缘附近的流模式显示流量偏转。这可以归因于楔形边缘的尖涡。当 2D 楔形存在尖端效果时,楔形中心与边之间的距离越大,将抵消尖端对中央楔形流的影响。此外,条纹显示没有流分离。


图5.3D 楔块上的条纹流模式(从左到右),为 ± 0°、12° 和-12°

圆锥体的条纹流模式如图6所示,显示了流线型、附加流,用于所有攻击角度的穿过体,而流在偏转方向弯曲。我们还观察到,流分离发生在圆锥体的末端,如染料团团所在的区域所示。


图 6.锥体上的条纹流模式(从左到右)为 ± = 0°、13°和 -13°。

图 7比较了三个攻击角度的钝边上的流模式。当 [] 0° 时,我们看到整个身体上连接的流动。在 ± = 11 和 -11°时,围绕主体的流动曲线(沿曲面轮廓),但沿染料凝聚的直线分离。


图7.在钝鼻体上(从左到右)的条纹流模式为 ± 0°、11°和 -11°。

虽然导弹前部的流动模式与钝鼻体上的流型相似,但导弹鳍上的条纹(图8)显示了有趣的流动特征。在 ± = 0° 时,顶部和底部鳍上的条纹在鳍的前部显示附加的流,并逐渐分离,呈交叉模式,源自鳍尖和根部。我们还观察到,与吸头相比,流量在鳍根处分离得更早。另一个有趣的观察是通过研究中央鳍前缘的凝聚染料。条纹图案表示弓冲击,其形状由染料标记。当导弹在11°的角度时,我们观察到底部鳍上完全连接的流量,但分离的流靠近顶部鳍的根部。与外壳类似,中央鳍的存在会导致鳍前缘的弓冲击。


图8.在导弹上(从左到右)的条纹流模式为 ± = 0° 和 11°。

对于球体,由于马赫数不同,无论偏转角度如何,球体的流动模式保持不变。图9的观察表明,随着马赫数的增加,分离区域(由染料不受干扰的区域表示)减小。这是因为高速流具有更多的动量,这反过来又允许流动克服球体上的不利压力梯度。这会导致流量附加程度越高,马赫数也不断增加。


图 9.球体上的条纹流模式(从左到右)M = 2、2.5 和 3。

Applications and Summary

利用表面染料流可视化,研究了超音速流中六个物体的条纹流模式。2D 和 3D 楔块上的流模式表明,尖端效应在确定表面流结构方面起着主导作用。在圆锥体上的流量被证明完全附着在±13°的偏转范围内。钝鼻模型是第一个在以 11°角偏转时显示清晰分离线的身体,在导弹的初始部分也观察到了这种模式。导弹翅片上的流动模式指示有趣的特征,如流分离和冲击形成。我们还推导出了在鳍的前缘形成的冲击(弓冲击)类型。最后,改变球体上流动的马赫数表明,流点分离随着流动速度的增加而在球体上移动。总体而言,该实验演示了条纹染料流可视化的简单性和有效性,这是航空航天工程师在快速设计过程中采用的技术,以获得更精简、更高效的航空飞行器。

  1. 在超音速流中观察条纹
    1. 将荧光染料粉末和矿物油混合在塑料碗中。以增量向染料中加入少量矿物油,持续混合,直到获得半粘性混合物。混合物不应该是稀血的。
    2. 将刺痛安装在超音速风洞试验室上方,并将其锁定到位。本演示使用了测试部分为 6 in x 4 且工作马赫数范围为 1.5 到 4 的吹落超音速风洞,如图1所示。通过调整块设置(更改测试部分的面积比),马赫数会发生变化。
    3. 将 2D 楔形模型拧到刺安装上并固定楔块的方向,使楔形表面面向风洞测试部分的透明侧壁。所有模型如图2所示。
    4. 使用画笔将足够数量的染料混合物涂到模型上。确保染料不会从模型上滴下来。请参阅图 3以寻求参考。
    5. 调整所需自由流马赫数的块设置。
    6. 关闭并固定风洞面板。
    7. 运行风洞 6 秒。
    8. 运行完成后,将紫外线照射到模型上以照亮染料。使用相机捕获条纹图像。
    9. 根据表 1 中列出的模型和重复步骤 1.4 - 1.9 中列出的测试矩阵调整攻击角度或马赫数。
    10. 对表 1 中列出的所有型号重复步骤 1.3 - 1.9。
    11. 所有型号均经过测试后,关闭风洞并拆除设置。


图 1.吹落超音速风洞。


图 2.风洞模型(从左到右)2D楔形、3D楔形、圆锥体、钝鼻体、球体和导弹。

表1.测试矩阵。

模型 攻击角度q 或马赫数M) 设置
2D 10° 楔形 ± = 0、12 和 -12°
3D 10° 楔形 ± = 0、12 和 -12°
± = 0、13 和 -13°
钝鼻子身体 ± = 0、11 和 -11°
导弹 [ ] 0 和 11°
领域 M = 2、2.5 和 3


图3.绘制在 2D 楔形上的荧光染料的代表性图像。

可视化汽车体周围的流对于理解和量化流结构以及对流体流动行为进行理论上的规范至关重要。一种类型的流动可视化称为表面流可视化,它使用染色流体来观察由物体周围的流体流跟踪的路径。

染料流动可视化涉及用染料涂覆感兴趣的主体,以观察身体表面的流动模式。染料是荧光染料颗粒和油的半粘性混合物。机油的高度粘性有助于维持车身表面的流动模式。而荧光染料让我们在紫外光下想象这些图案。

如果图像是在长时间曝光时拍摄的,则染料可用于跟踪单个流体粒子在流动中移动时所走的路径。当染料标记的流体颗粒穿过一个点或一个区域时,我们可以观察到连接所有染色颗粒的线。这称为条纹线。

在超音速流中,这些条纹可用于识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。

现在,让我们仔细看看球体的流动。附加的流显示为平滑的条纹,条纹的方向告诉我们曲面上的流动方向。流分离可以识别为染料团团和看起来更亮的区域。这是因为超过流动点分离的染料不受干扰。

在超音速流中,我们还可以观察到在身体表面形成冲击波,就像在导弹的鳍上由细薄的明亮曲线显示的。我们还可以使用此技术识别曲面上的畸形,如条纹受到干扰的区域所证明的那样。

在本实验中,我们将演示使用几个暴露于超音速流的不同物体的染料流可视化技术。

对于这个实验,我们将使用一个爆炸超音速风洞,其运行马赫数范围为1。5 到 4。此风洞在测试部分有 6 in x 4。通过调整块部分来改变马赫数。换句话说,通过更改测试部分的面积比。我们将测试和观察几个不同模型周围的条纹:2D楔形,3D楔块,圆锥体,钝鼻体,球体和导弹。

为了开始实验,将荧光染料粉末和矿物油混合在塑料碗中。在染料中加入少量矿物油,以增量连续混合,直到混合物是半粘性的,而不是薄和流淌。

现在,将刺放在风洞试验室上方,并将其锁定到位。然后,将 2D 楔形模型拧到刺痛安装上。固定楔块的方向,使楔形表面面向测试部分的透明侧壁。

使用画笔将厚厚的染料涂在模型表面,确保没有那么多染料滴落。然后调整块设置以达到所需的自由流马赫数。使用数字电平将攻击 Alpha 的角度调整为 0°。

现在,关闭并固定测试部分门,运行风洞 6 s。 在运行过程中向模型照射紫外线,以照亮染料。这使我们能够观察条纹模式的演变。

运行完成后,捕获最终流模式的图像。接下来,将攻击角度调整为 12°。像以前那样用染料绘制模型,在风洞运行6s。用紫外线照亮条纹,用相机捕捉图像。

在 -12° 处对 2D 楔形模型重复这些步骤。根据此处所示的测试矩阵,执行所有模型的测试并捕获条纹图像。在每个型号上完成所有测试后,关闭风洞并拆解设置。

现在,让我们来看看从 2D 楔块上的条纹开始的结果。0° 时,条纹图案显示整个主体的均匀流动,但中心存在表面畸形导致流分离的区域除外。当楔块角度为 12° 时,沿曲面的流量向上偏转,而流量在 -12° 设置下向下偏转。

查看 3D 楔形,我们可以看到模型中心的流模式与所有角度设置为 2D 楔形的流量模式相似。但是,顶部和底部边缘的流模式显示偏转,并且沿其长度观察到尖端涡效应。

圆锥体的条纹图案表明,对于所有攻击角度,围绕身体的流动曲线。我们还可以观察到,流分离发生在圆锥体的末端,如染料团团所在的区域所示。

对于钝鼻模型,我们以 0° 的攻击角度观察整个身体的附着流。 在 11 和 -11° 时,流沿表面轮廓绕主体旋转,并沿着染料凝聚的线分离。

虽然导弹模型前面的流动模式与钝鼻体相似,但鳍上的条纹显示了不同的特征。0° 时,顶部和底部鳍上的条纹在翅片前部显示附加的流,以交叉模式逐渐分离。我们还观察到,与吸头相比,流在鳍根处分离得更早。

如果我们看一下中央鳍的前缘的凝聚染料,我们可以看到条纹图案表示弓冲击与染料标记的冲击的形状。在 11° 的攻击角度下,我们观察到底部鳍上的完全连接的流量,但分离的流量靠近顶部鳍的根部。与 0° 外壳类似,中央鳍的存在会导致鳍前缘的弓冲击。

最后,对于球体,我们根据攻击角度的变化变化,因为无论偏转角度如何,流模式都保持不变。我们可以看到,随着马赫数的增加,分离点向身体的尾部移动,显示流量分离的减少。这是因为高速流具有更多的动量,这有助于流量克服球体上的不利压力梯度。这导致更高的流量附件与增加的马赫数。

总之,我们学习了如何使用条纹来识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。然后,我们在风洞中将几个物体暴露在超音速流中,并观察到每个表面以不同攻击角度形成的条纹。

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