Overview
La visualización de flujo alrededor o en un cuerpo es una herramienta importante en la investigación aerodinámica. Proporciona un método para estudiar cualitativa y cuantitativamente la estructura de flujo, y también ayuda a los investigadores a teorizar y verificar el comportamiento del flujo de fluidos. La visualización de flujo se puede dividir en dos categorías: visualización fuera de la superficie y visualización de flujo de superficie. Las técnicas de visualización de flujo fuera de la superficie implican determinar las características de flujo alrededor del cuerpo de interés. Incluyen pero no se limitan a la velocimetría de imágenes de partículas (PIV), la imagen Schlieren y la visualización del flujo de humo. Estas técnicas pueden proporcionar datos cualitativos y cuantitativos sobre el flujo alrededor de un cuerpo. Sin embargo, estas técnicas son generalmente costosas y difíciles de configurar. Las técnicas de visualización del flujo de superficie, por otro lado, implican el recubrimiento del cuerpo de interés con un tinte para estudiar el flujo en la superficie. Estas técnicas, que son más invasivas en la práctica, incluyen la visualización del flujo de tinte y, más recientemente, utilizar pintura sensible a la presión, que da una imagen detallada del flujo en la superficie del cuerpo. Esto permite a los investigadores visualizar diferentes entidades de flujo, incluidas burbujas laminares, transiciones de capa de contorno y separación de flujo. La visualización del flujo de tinte, la técnica de interés en el experimento actual, proporciona una imagen cualitativa del flujo de superficie y es uno de los métodos de visualización de flujo de superficie más simples y rentables, específicamente para visualizar flujos gaseosos en un Cuerpo.
En este experimento, el comportamiento del flujo de superficie en seis cuerpos se estudia en flujo supersónico. Los patrones de raya se obtienen utilizando la técnica de visualización del flujo de colorante, y las trayectorias de flujo, el grado de unión y separación del flujo, y la ubicación y el tipo de choques se identifican y estudian a partir de las imágenes de flujo.
Principles
En la visualización del flujo de tinte, las partículas fluidas se marcan con un tinte para obtener la trayectoria trazada por las partículas a medida que se introduce el flujo. El tinte es una mezcla semi-viscosa de partículas fluorescentes de tinte y aceite. El tinte fluorescente colorea las partículas fluidas y las ilumina cuando son excitadas por una fuente de luz UV, y el aceite ayuda a mantener los patrones de flujo en la superficie, incluso después de que el cuerpo ya no está expuesto al flujo. La técnica de visualización del flujo de tinte proporciona una forma muy simple, barata y rápida de analizar los patrones de flujo sobre cualquier superficie.
Dependiendo del método de imagen, la visualización del flujo de colorante se puede utilizar para encontrar las rayas como resultado del flujo de fluido. Si la imagen se toma con exposición prolongada, el tinte se puede utilizar para rastrear la trayectoria tomada por una sola partícula de fluido a medida que se mueve en el flujo. En la técnica utilizada en el experimento actual, todas las partículas de fluido que pasan a través de un punto o área se marcan con un tinte, y la línea que une todas las partículas teñidas después de que el cuerpo se ha colocado en un flujo activo es la línea de estrado. Aquí, un solo fotograma capturado al final del experimento de visualización de flujo proporciona suficiente información para estudiar el flujo de superficie general en el cuerpo. La visualización del tinte a través de rayas, además de proporcionar detalles sobre el movimiento del flujo a lo largo de la superficie, también ayuda a identificar las entidades de flujo de superficie. El uso de la visualización del tinte en el flujo supersónico puede identificar la separación del flujo, la formación de choques y el movimiento del flujo a través de la superficie del cuerpo, todas las cuales son características que ayudan a optimizar el cuerpo aerodinámicamente.
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Procedure
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Observando esrayas en el flujo supersónico
- Mezcle el polvo de colorante fluorescente y el aceite mineral en un recipiente de plástico. Añadir pequeñas cantidades de aceite mineral al tinte en incrementos, mezclando continuamente hasta obtener una mezcla semi-viscosa. La mezcla no debe ser moquea.
- Monte el aguijón por encima de la cámara de prueba del túnel de viento supersónico y enciérrelo en su lugar. En esta demostración se utilizó un túnel de viento supersónico de soplado con una sección de prueba de 6 en x 4 y un rango de números Mach de funcionamiento de 1,5 a 4, como se muestra en la Figura 1. El número Mach se varía ajustando el ajuste del bloque (cambiando la relación de área de la sección de prueba).
- Atornille el modelo de cuña 2D en el soporte de picadura y fije la dirección de la cuña de modo que la superficie de la cuña esté orientada hacia las paredes laterales transparentes de la sección de prueba del túnel de viento. Todos los modelos se muestran en la Figura 2.
- Utilice un pincel para aplicar una cantidad suficiente de la mezcla de tinte en el modelo. Asegúrese de que el tinte no gotee del modelo. Vea la figura 3 para la referencia.
- Ajuste la configuración del bloque para el número Mach de flujo libre deseado.
- Cierre y asegure los paneles del túnel de viento.
- Ejecuta el túnel de viento durante 6 segundos.
- Una vez finalizada la carrera, haz brillar una luz UV sobre el modelo para iluminar el tinte. Captura la imagen del rayado con una cámara.
- Ajuste el ángulo de ataque o el número Mach de acuerdo con la matriz de prueba enumerada en la Tabla 1 para el modelo y repita los pasos 1.4 - 1.9.
- Repita los pasos 1.3 - 1.9 para todos los modelos enumerados en la Tabla 1.
- Cuando todos los modelos hayan sido probados, apague el túnel de viento y desmonte la configuración.
Figura 1. Túnel de viento supersónico.
Figura 2. Modelos de túnel de viento (de izquierda a derecha) cuña 2D, cuña 3D, cono, cuerpo de nariz contundente, esfera y misil.
Tabla 1. Matriz de prueba.
| Modelo | Ajuste del ángulo de ataque (q) o del número Mach (M) |
| Cuña 2D de 10o | 0, 12 y -12o |
| Cuña 3D de 10o | 0, 12 y -12o |
| Cono | 0, 13 y -13o |
| Blunt Nose Body | 0, 11 y -11o |
| Misil | - 0 y 11o |
| Esfera | M 2, 2,5 y 3 |
Figura 3. Imagen representativa del tinte fluorescente pintado en la cuña 2D.
Visualizar el flujo alrededor de un cuerpo automático es fundamental para comprender y cuantificar la estructura de flujo, así como para teorizar el comportamiento del flujo de fluido. Un tipo de visualización de flujo se denomina visualización de flujo de superficie que utiliza un fluido tetado para observar la ruta trazada por el flujo de fluido alrededor de un objeto.
La visualización del flujo de tinte implica el recubrimiento del cuerpo de interés con un tinte para observar patrones de flujo a lo largo de la superficie del cuerpo. El tinte es una mezcla semi-viscosa de partículas fluorescentes de tinte y aceite. La naturaleza altamente viscosa del aceite ayuda a mantener los patrones de flujo en la superficie del cuerpo. Mientras que el tinte fluorescente nos permite visualizar esos patrones bajo una luz UV.
Si la imagen se toma con exposición prolongada, el tinte se puede utilizar para rastrear la trayectoria tomada por una sola partícula de fluido a medida que se mueve en el flujo. A medida que las partículas de líquido marcadas con tinte pasan a través de un punto o área, podemos observar la línea que une todas las partículas teñidas. Esto se llama el raya.
En el flujo supersónico, estas rayas se pueden utilizar para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choque y el movimiento del flujo a través de la superficie.
Ahora echemos un vistazo más de cerca al flujo sobre la esfera. El flujo adjunto aparece como rayas lisas y la dirección de las rayas nos indica la dirección del flujo en la superficie. La separación del flujo se puede identificar como la región donde el tinte se aglutina y parece más brillante. Esto se debe a que el tinte más allá del punto de separación del flujo no se altera.
En el flujo supersónico, también podemos observar la formación de ondas de choque en la superficie del cuerpo como en las aletas de un misil mostrado por una curva brillante delgada. También podemos utilizar esta técnica para identificar deformidades en una superficie como lo demuestran las regiones donde se perturban las rayas.
En este laboratorio, demostraremos la técnica de visualización del flujo de tinte utilizando varios cuerpos diferentes expuestos al flujo supersónico.
Para este experimento, usaremos un túnel de viento supersónico con un rango de números Mach operativo de 1. 5 a 4. Este túnel de viento tiene una sección de prueba de 6 en x 4. El número Mach se varía ajustando la sección de bloque. En otras palabras, cambiando la relación de área de la sección de prueba. Probaremos y observaremos las rayas alrededor de varios modelos diferentes: una cuña 2D, una cuña 3D, un cono, un cuerpo de nariz contundente, una esfera y un misil.
Para comenzar el experimento, mezcle el polvo de colorante fluorescente y el aceite mineral en un recipiente de plástico. Añadir pequeñas cantidades de aceite mineral al tinte en incrementos mezclando continuamente hasta que la mezcla sea semi-viscosa y no delgada y escurrida.
Ahora, monte la picadura por encima de la cámara de prueba del túnel de viento y enciérrela en su lugar. A continuación, atornille el modelo de cuña 2D en el soporte de picadura. Fije la dirección de la cuña para que la superficie de la cuña esté orientada hacia las paredes laterales transparentes de la sección de prueba.
Utilice un pincel para aplicar una gruesa capa de tinte a la superficie del modelo asegurando que no hay tanto que gotee. A continuación, ajuste el ajuste del bloque para alcanzar el número de mach de flujo libre deseado. Ajuste el ángulo de ataque alfa a 0o utilizando un nivel digital.
Ahora, cierre y asegure la puerta de la sección de prueba y ejecute el túnel de viento durante 6 s. Brilla una luz UV en el modelo durante la carrera para iluminar el tinte. Esto nos permite observar la evolución de los patrones de rayas.
Una vez completada la ejecución, capture una imagen de los patrones de flujo finales. A continuación, ajuste el ángulo de ataque a 12o. Pinta el modelo con tinte como antes y ejecuta el túnel de viento durante 6 s. Ilumina las rayas con la luz UV y captura la imagen con una cámara.
Repita estos pasos para el modelo de cuña 2D a -12o. Ejecute la prueba y capture imágenes de línea de banda para todos los modelos de acuerdo con la matriz de prueba que se muestra aquí. Cuando se hayan completado todas las pruebas en cada modelo, apague el túnel de viento y desmonte la configuración.
Ahora echemos un vistazo a los resultados comenzando con las rayas sobre la cuña 2D. A 0o, el patrón de raya muestra un flujo uniforme en todo el cuerpo, excepto en la región donde hay una deformidad de superficie en el centro que hace que el flujo se separe. Cuando la cuña está en ángulo de 12o, el flujo a lo largo de la superficie se desvía hacia arriba mientras que el flujo se desvía hacia abajo en el ajuste de -12o.
Mirando la cuña 3D, podemos ver que el patrón de flujo en el centro del modelo es similar al observado para la cuña 2D en todos los ajustes de ángulo. Sin embargo, el patrón de flujo en los bordes superior e inferior muestran la desviación y el efecto de vórtice de punta se observa a lo largo de su longitud.
Los patrones de raya para el cono muestran que para todos los ángulos de ataque, el flujo se curva alrededor del cuerpo. También podemos observar que la separación del flujo se produce al final del cono como lo indica la región donde el tinte se aglutina.
Para el modelo de nariz contundente, observamos el flujo unido en todo el cuerpo en un ángulo de ataque de 0o. A 11 y -11o, el flujo se curva alrededor del cuerpo siguiendo el contorno de la superficie y se separa a lo largo de la línea donde se une el tinte.
Mientras que los patrones de flujo en la parte delantera del modelo de misil son similares a los del cuerpo de la nariz contundente, las rayas en las aletas muestran características variadas. A 0o, las rayas en las aletas superior e inferior muestran un flujo unido en la parte delantera de la aleta con separación gradual que ocurre en un patrón cruzado. También observamos que el flujo se separa mucho antes en la raíz de las aletas en comparación con las puntas.
Si nos fijamos en el tinte fusionado en el borde delantero de la aleta central, podemos ver que los patrones de raya indican un choque de arco con la forma del amortiguador marcado por el tinte. En un ángulo de ataque de 11o, observamos un flujo completamente unido en la aleta inferior, pero flujo separado cerca de la raíz de la aleta superior. De forma similar a la caja de 0o, la presencia de la aleta central provoca un golpe en el borde delantero de la aleta.
Finalmente, para la esfera, variamos el número mach en lugar del ángulo de ataque, ya que los patrones de flujo siguen siendo los mismos independientemente del ángulo de desviación. Podemos ver que a medida que aumenta el número de mach, el punto de separación se mueve hacia la popa del cuerpo mostrando una separación de flujo decreciente. Esto se debe al hecho de que los flujos de velocidad más altos tienen más impulso que ayuda al flujo a superar el gradiente de presión adversa sobre la esfera. Esto conduce a un mayor grado de conexión de flujo con mayor número de mach.
En resumen, aprendimos cómo se pueden utilizar las rayas para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choques y el movimiento del flujo a través de una superficie. Luego expusimos varios cuerpos a flujo supersónico en un túnel de viento y observamos las rayas que se formaban en cada superficie en diferentes ángulos de ataque.
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Results
A continuación se muestran los patrones de flujo de línea de raya para los seis modelos y condiciones enumerados en la Tabla 1. Para la cuña 2D, se observa un patrón de flujo uniforme sobre el cuerpo, como se muestra en la Figura 4,excepto en la región donde hay una deformidad de superficie, lo que hace que el flujo se separe. Cuando se inclina a12o,el flujo a lo largo de la superficie se desvía hacia arriba. Este efecto se refleja cuando el modelo está en ángulo de-12o. En general, todos los casos muestran un flujo unido a través de toda la superficie, excepto en y detrás de la región de la deformidad de la superficie.
Figura 4. Patrones de flujo de raya sobre la cuña 2D (de izquierda a derecha) para los de 0o, 12o y -12o.
Las observaciones de la Figura 5 muestran que mientras que los patrones de flujo en el centro de la cuña 3D son similares a los que se observaron para la cuña 2D en los tres ajustes de ángulo, los patrones de flujo cerca de los bordes superior e inferior muestran la desviación del flujo. Esto podría atribuirse a los vórtices de punta en los bordes de la cuña. Mientras que los efectos de punta existen para la cuña 2D, la mayor distancia entre el centro de la cuña y el borde niega el efecto de la punta en el flujo de cuña central. Además, las rayas no muestran separación de flujo.
Figura 5. Patrones de flujo de raya sobre la cuña 3D (de izquierda a derecha) para los de 0o, 12o y-12o.
Los patrones de flujo de la línea de raya para el cono, que se muestran en la Figura 6,muestran un flujo aerodinámico y unido a través del cuerpo para todos los ángulos de ataque con el flujo curvado en la dirección de la desviación. También observamos que la separación del flujo se produce al final del cono, como lo indica la región donde el tinte se aglutina.
Figura 6. Patrones de flujo de raya sobre el cono (de izquierda a derecha) para los de 0o, 13o y -13o.
La Figura 7 compara los patrones de flujo sobre un borde romo en tres ángulos de ataque. Cuando se realiza un flujo unido sobre todo el cuerpo. A 11 y -11o, el flujo se curva alrededor del cuerpo (siguiendo el contorno de la superficie) pero se separa a lo largo de la línea donde se une el tinte.
Figura 7. Patrones de flujo de raya sobre el cuerpo de la nariz romo (de izquierda a derecha) para los de 0o, 11o y -11o.
Mientras que los patrones de flujo en la parte delantera del misil son similares a los observados en el cuerpo de la nariz contundente, las líneas de raya en las aletas del misil(Figura 8)muestran características de flujo interesantes. En el valor de 0o, las rayas en las aletas superior e inferior muestran el flujo adjunto en la parte delantera de la aleta con separación gradual que ocurre en un patrón cruzado, que se origina en las puntas y raíces de las aletas. También observamos que el flujo se separa mucho antes en la raíz de las aletas en comparación con las puntas. Otra observación interesante se hace mediante el estudio del tinte fusionado en el borde delantero de la aleta central. Los patrones de raya indican un golpe de arco con la forma del amortiguador marcado por el tinte. Cuando el misil está en ángulo a11o,observamos un flujo completamente unido en la aleta inferior, pero el flujo separado cerca de la raíz de la aleta superior. De forma similar a la caja de0o, la presencia de la aleta central provoca un golpe en el borde delantero de las aletas.
Figura 8. Patrones de flujo de raya sobre el misil (de izquierda a derecha) para los de 0o y 11o.
Para la esfera, como el número Mach era variado, los patrones de flujo alrededor de la esfera seguían siendo los mismos, independientemente del ángulo de desviación. Las observaciones de la Figura 9 muestran que a medida que aumenta el número de Mach, la región de separación (indicada por el área donde el tinte no se altera) disminuye. Esto se debe a que los flujos de velocidad más altos tienen más impulso, lo que a su vez permite que el flujo supere el gradiente de presión adversa sobre la esfera. Esto provoca un mayor grado de conexión de flujo con el aumento del número Mach.
Figura 9. Patrones de flujo de raya sobre la esfera (de izquierda a derecha) M a 2, 2,5 y 3.
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Applications and Summary
Los patrones de flujo de raya en seis cuerpos en flujo supersónico se estudiaron utilizando la visualización del flujo de tinte superficial. Los patrones de flujo sobre las cuñas 2D y 3D mostraron que los efectos de la punta desempeñan un papel dominante en la determinación de la estructura de flujo de superficie. Se demostró que el flujo sobre el cono estaba completamente unido para un rango de desviación de 13o. El modelo de nariz contundente fue el primer cuerpo en mostrar una línea de separación clara cuando se desvió en un ángulo de 11o, un patrón que también se observó en la sección inicial del misil. Los patrones de flujo en las aletas de los misiles indican características interesantes, como la separación de flujo y la formación de impactos. También deducimos el tipo de choque (choque de arco) que se formó en el borde delantero de la aleta. Finalmente, variar el número Mach para el flujo sobre una esfera mostró que el punto de separación de flujo se mueve hacia atrás en la esfera con una velocidad de flujo creciente. En general, el experimento demostró la simplicidad y eficacia de la visualización del flujo de tinte de raya, una técnica utilizada por los ingenieros aeroespaciales en procesos de diseño rápido para obtener vehículos aerodinámicos más eficientes y aerodinámicos.
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