Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

חקירה נסיונית של מבנה הזרימה מעל כנף דלתא באמצעות שיטות הדמיה זרימה

Published: April 23, 2018 doi: 10.3791/57244
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Mechanical Engineering, Hong Kong Polytechnic University

Summary

כאן, אנו מציגים פרוטוקול להתבונן זורם טרנדו לא יציב מעל כנף דלתא בטכניקה הדמיית זרימה עשן ששונה ולחקור את המנגנון האחראי על תנודות של המיקומים פירוק מתקדמים מערבולת.

Abstract

זה ידוע כי השדה זרימה מעל כנף דלתא נשלטת על ידי זוג מונה מסתובב הקצה המוביל מערבולות (לב). עם זאת, מנגנון שלהם אינה מובנת היטב. הטכניקה ויזואליזציה הזרימה היא שיטה פולשנית מבטיח כדי להמחיש את שדה זרימה מורכבים במרחב של חנותם. מלכודת הדמיית זרימה בסיסי מורכב לייזר רב עוצמה, עדשות אופטיים כדי ליצור את הגליון בלייזר, מצלמה, מחולל חלקיקים tracer, מעבד נתונים. ההגדרה של מנהרת רוח, המפרט של התקנים מעורב, הגדרות הפרמטר המתאימות תלויים בתכונות זרימה כדי להתקבל.

הדמיית זרימה רגילה תיל עשן משתמש חוט עשן כדי להדגים את זרימת streaklines. עם זאת, הביצועים של שיטה זו הוא מוגבל על ידי רזולוציה מרחבית נמוכה כאשר הוא מתקיים בשדה זרימה מורכבים. לכן, פותחה שיטת הדמיית זרימה משופרת עשן. טכניקה זו ממחישה שדה הזרימה לב גלובלי בקנה מידה גדול ואת המבנה זרימה של שכבה הטיה בקנה מידה קטן במקביל, ומספק הפניה ערך למדידה velocimetry (PIV) תמונה מאוחר יותר מפורט של חלקיקים.

בנייר זה, הוא הפגין את היישום של הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV ללמוד את התופעות זרימה לא יציב מעל כנף דלתא. הליך והתראות לביצוע הניסוי מפורטים, כולל הגדרת מנהרת רוח, חדרי קירור והקפאה של עיבוד נתונים. התוצאות נציג מראים כי שיטות הדמיה אלה זרימה שתי טכניקות אפקטיביות עבור חוקרים את שדה הזרימה תלת מימדי איכותית, באופן כמותי.

Introduction

מדידת שדה באמצעות טכניקות הדמיה היא מתודולוגיה בסיסית בהנדסה נוזלים. בין טכניקות הדמיה שונים, חוט עשן הדמיית זרימה בניסויים מנהרת רוח והדמיה לצבוע בניסויים מנהרת המים הם הנפוצה ביותר כדי להדגים את זרימת מבנים איכותית. PIV לייזר anemometry דופלר (אידה) שתי טכניקות כמותיות טיפוסי1בקרב אנשי עסקים ותיירים כאחד.

הדמיית זרימה תיל עשן, עשן streaklines הם המופקים טיפות שמן על חוט חימום או מוזרק מהגורם החיצוני עשן הגנרטור/במהלך הניסויים. אורות ובעוצמת או גליונות לייזר משמשים כדי להאיר את streaklines עשן. תמונות נרשמים אז לצורך ניתוח נוסף. זה פשוט אבל שימושי מאוד זרימה ויזואליזציה שיטה2. עם זאת, האפקטיביות של שיטה זו מוגבלים על ידי גורמים שונים, כגון משך קצר של חוטים עשן, השדה זרימה תלת מימדי מורכב, המהירות גבוהה יחסית של הזרם, ואת היעילות של עשן דור3.

במדידות PIV, חתך רוחב של שדה זרימה עם חלקיקים entrained הוא מואר על ידי גיליון בלייזר, עמדות מיידית של החלקיקים הזה חתך נלכדים ע י מצלמה במהירות גבוהה. בתוך מאוד קטן. מרווח, נרשם זוג תמונות. על ידי חלוקת התמונות רשת של תחומי חקירה וחישוב התנועה הממוצעת של חלקיקי באזורים חקירה באמצעות פונקציות קרוס-קורלציה, ניתן להשיג את המפה וקטור מהירות מיידי בזו נצפתה בחתך. עם זאת, הוא גם ידוע כי יש להגיע פשרות עבור גורמים, כולל גודל חלון התצפית, הרזולוציה של המפה מהירות, גודל מהירות בתוך המטוס, מרווח הזמן בין זוג תמונות, מהירות אורתוגונלית בסולם ריכטר, את צפיפות החלקיקים4. לכן, ניסויים רבים גישוש עשוי להיות נחוץ כדי למטב את הגדרות ניסיוני. זה יהיה יקר, ודורש זמן לחקור שדה לא ידוע, מורכבים זרימה PIV מדידה לבד5,6. בהתחשב לעיל חששות, אסטרטגיה לשלב הדמיית עשן זרימה PIV מדידה הציע, שמוצג כאן ללמוד את זרימת מורכבים על כנף דלתא ודק.

מחקרים רבים של לב זורם על כנפי דלתא כבר מתנהל7,8, עם טכניקות הדמיה זרימה משמש כלי ראשי. נצפו תופעות רבות זרימה מעניין: ספירלה סוג ובועות הקלד מערבולת קלקולים9,10, הטיה לא יציב שכבה11,התחתי12, תנודות של לב פירוט המיקומים13 , ואת ההשפעות של התנדנדות yaw זוויות14,15,16 על מבנים זרימה. עם זאת, המנגנון הבסיסי של כמה תופעות לא יציב תזרימי כנף דלתא נשאר לא ברור7. בעבודה זו, הדמיית עשן זרימה משופרת באמצעות החלקיקים זריעה אותו בשימוש המדידה PIV, במקום חוט עשן. שיפור זה מאוד מפשט את הפעולה של הפריט החזותי ומגביר את האיכות של התמונות. בהתבסס על התוצאות של הפריט החזותי זרימה משופרת עשן, מדידה PIV מתמקד שדות אלה זרימה עניין לרכוש את המידע כמותית.

. הנה, תיאור מפורט מסופק להסביר איך מבצעים ניסוי הדמיית זרימה במנהרת רוח כדי לחקור תופעות זרימה לא יציב מעל כנף דלתא. שתי שיטות הדמיה, הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV, משמשים יחד בניסוי זה. ההליך כולל הדרכה שלב אחר שלב עבור התאמת פרמטר וההתקנה של התקן. תוצאות טיפוסי מודגמות להראות את היתרון של שילוב של שתי השיטות למדידת שדה זרימה מורכבים במרחב של חנותם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מנהרת רוח ההתקנה

  1. כנף דלתא מודל
    1. לבנות מודל כנף דלתא מאלומיניום, עם זווית לטאטא φ של 75 מעלות, אורך אקורד c של 280 מ מ, טווח הבסיס b של 150 מ מ, עובי של 5 מ מ. יש שני קצוות מובילים משופע-35° כדי לתקן את נקודת הפרדה17 (ראה איור 1 א').
  2. מנהרת הרוח המתקן
    1. לערוך ניסויים במנהרת רוח במהירות נמוכה לולאה סגורה, עם סעיף מבחן של 2.4 מטר (אורך) × × 0.6 מטר (רוחב) 0.6 מטר (גובה) אשר מצויד עם קירות זכוכית המאפשרים גישה אופטי במהלך הניסויים. עוצמת הסוערים של מתקן כזה צריך להיות פחות מ- 0.4%.
      הערה: במחקר זה, השתמשנו באפשרות במנהרת רוח באוניברסיטה הפוליטכני הונג קונג עם המאפיינים לעיל. גם מהירות freestream U∞ נע בין מטר לשנייה 2.64 אל 10.56 m/s, המייצגים מספר ריינולדס, Re, × 10 54 25× 10, המבוססת על האורך אקורד של האגף דלתא, אשר טווח הטיסה טיפוסי בשביל רכב לא מאויש אווירי (ט).
    2. לפי הצורך, השתמש שלושה עיבודים שונים (ראה איור 1b-d) של הגיליון לייזר ומצלמות להתבונן מבני זרימה חתך אורכי חתך הרוחב span-wise, חתך רוחבי. שרטוטים של ההתקנה מוצגות באיור איור 1b.
      הערה: פרוטוקול זה מדגים את ההתקנה ואת המידה חתך אורכי בפירוט.
  3. להתקין את כנף דלתא
    1. לתקן את הקצה נגרר כנף דלתא על העקיצה, אשר על מדריך תנועה מעגלית המשמש עבור התאמת זווית התקיפה (AoA), α. המרכז של המדריך מעגלית נמצא על הקו המרכזי של סעיף מבחן מנהרת רוח. לפיכך, המרכז של כנף דלתא ניתן תמיד במרכז סעיף מבחן. התאם את AoA כדי α = 34 °.
    2. בזהירות להתאים את מודל כנף דלתא למזער כל זווית yaw ולהתגלגל זווית, על-ידי בדיקת הקריאות של מד זווית ורמת לייזר שלושה צירים. במחקר הנוכחי, הוודאות של זוויות שני אלה הוא פחות מ 0.1 º.
  4. הגדר את הגליון בלייזר
    1. משתמשים בלייזר שני בנפרד כדי להאיר את המבנים זרימה PIV מדידה, הדמיית זרימה עשן.
      1. למדידה PIV, משתמשים בלייזר דופק כפול, עם אורך גל של 532 nm ו אנרגיה מקסימלית של 600 mJ (מתכוונן) לכל פעימה. לשלוט בו עם מסנכרן עם טרנזיסטור-טרנזיסטור לוגיקה (TTL) אותות (ראה איור 1b).
      2. הדמיית זרימה עשן, להשתמש לייזר מתמשך עם אורך גל של 532 ננומטר, כוח של 1 W. לייזר מתמשך זה עובד באופן עצמאי. במהלך ההתקנה ההתקנה, השתמש במסנן דחיסות נייטרלית עם 10% להדמיה כדי לסנן את קרן הלייזר לבטיחות.
    2. ללבוש משקפי לייזר מתאים.
    3. להתאים את המראה השתקפות להציג קרן הלייזר לתוך מנהרת הרוח. הזווית בין הציר אור לייזר המראה היא Equation 1 , כדי להפוך את קרן הלייזר נורמלי השטח כנף דלתא. ודא כי קרן הלייזר סביב מיקום x/c ≅ 0.25, אשר מאוחר יותר יהיה במרכז שדה הראייה (FOV).
    4. התקן לייזר אופטיקה (עם לייזר מתמשך, בהתחלה) כדי ליצור את הגליון בלייזר, כפי שמוצג באיור 1b. העדשה קמורה משמש כדי לשלוט בגודל קרן לייזר (גם את עובי גיליון). העדשה גלילי מתרחבת קרן הלייזר לגיליון בלייזר.
      הערה: במחקר הנוכחי, אורך המוקד של העדשה גלילי הוא 700 מ"מ, קוטר העדשה גלילי 12 מ מ.
    5. בדוק את עובי גיליון לייזר על ידי מדידת קו לייזר על המודל. להתאים את המיקום של העדשה קמורה אם העובי גיליון בלייזר אינה מתאימה (כאן, בסביבות 1 מ מ, רוחב יעיל הגיליון לייזר בסעיף מבחן כ-100 מ מ). שימו לב כי העובי של הגיליון לייזר תלוי 1) הרכיב מהירות בכיוון נורמלי הגיליון לייזר ו 2) את מרווח הזמן בין זוג תמונות במדידה PIV.
    6. לשים צלחת היעד כיול בכנף דלתא, שפני השטח שלו וצירוף בגיליון לייזר. שלב זה חיוני, כי FOV במחקר הנוכחי אינה אורתוגונלית כדי הקואורדינטה מנהרת רוח.
  5. מצלמה
    1. כבה את הלייזרים בעת הגדרת המצלמה. כמו עם לייזרים, השתמש שתי מצלמות עבור כל חלק נפרד של הניסוי הזה:
      1. למדידה PIV, השתמש מצלמת CCD במהירות גבוהה עם רזולוציה של 2048 × 2048 פיקסלים. זו מצלמה נשלטת על-ידי המסנכרן את הדופק כפול לייזר (ראה איור 1b). נתוני מצלמה זו יועברו ישירות למחשב.
      2. הדמיית זרימה עשן, לשימוש במצלמה דיגיטלית מסחרי עם רזולוציה תמונה של 4,000 × 6,000 פיקסלים ו- 50 הרץ הקלטת וידאו ברזולוציה של 1280 × 720 פיקסלים במהלך הדמיית זרימה עשן. זה יופעל באופן ידני.
    2. העבר את המיקום של המצלמה (מסחרי מצלמה דיגיטלית, בהתחלה) כדי להשיג את FOV הרצוי. להתאים את עדשת המצלמה להתמקד לצלחת היעד כיול. ודא כי כל השדה הוא מרוכז. אם לא, נקודות הציון של המצלמה לא ייתכן אורתוגונלית לצלחת היעד כיול. לכן, התאמת המצלמה מקם בזהירות18.
    3. קח מספר פריימים לאחר המצלמה הוא מסודר. מאוחר יותר, אלה מסגרות של כיול המטרה צלחת ישמש כדי לכייל את גורם קנה המידה בין הגודל האמיתי לבין הפיקסל מסגרת, וכדי לזהות העמדה הפניה הקואורדינטה xyz. לאחר מכן, הסר את לוחית היעד כיול.
  6. הפעל את מנהרת רוח במהירות נמוכה (למשל, 3 m/s) ולאחר להזריק חלקיקים שמן לתוך מנהרת הרוח. הגדר את הלחץ של הגנרטור תרסיס בבר 2.5 ולהפעיל אותה ב-30 s עבור שיטת הדמיית זרימה מראש הזריעה. אחרי זה, כל מנהרת הרוח להיות בצורה אחידה נזרע עם חלקיקי שמן רגיל בקוטר של 1 מיקרומטר.
    הערה: במחקר הנוכחי, הריכוז צפיפות החלקיקים שמן מוערך במנהרת הרוח הוא כ Equation 2 ב הדמיית זרימה עשן; לפיכך, השינוי הכולל של צפיפות זרימה במנהרת הרוח הוא Equation 3 .
  7. PIV תוכנת ההתקנה
    1. שליטה במערכת PIV עם התוכנה PIV (ראה טבלה של חומרים). תוכנה זו יכולה לפקד המסנכרן כדי לשלוח אותות TTL הלייזר ואת המצלמה, כפי שמוצג באיור 1b.
    2. לקבוע תדירות הדגימות 5 הרץ, עם מספר דגימה סך של 500. מרווח הזמן בין מסגרות PIV הוא 80 µs. שים לב כי מרווח הזמן הוא תלוי בגודל של המהירות FOV וזרימה. ודא שיש האזורים החקירה שתי מסגרות על חפיפה 50-75%.

2. עורכים את הניסוי

  1. הדמיית זרימה משופרת עשן
    1. להפעיל את מנהרת רוח במהירות freestream הרצוי (U = 2.64 m/s). תריץ את זה 10 דקות לייצב את מהירות freestream. - Re = 50,000, מהירות freestream היא U = 2.64 m/s.
    2. להפעיל את הלייזר רציפה. השתמש מצלמה דיגיטלית כדי ללכוד תמונות 5-10 של מבנה הזרימה.
    3. לבדוק אם הגיליון לייזר-חתך אורכי הליבה לב (ראה את המבנה האופייני בתרשים 3). אם כך, לסמן את עמדה זו על המודל כנף דלתא כנקודת התייחסות המדידה PIV מאוחר יותר; אחרת, לשנות את המיקום של הגיליון לייזר על-ידי התאמת העדשה אופטיים ואפס הכיול ביצוע השלבים 1.4.6 - 1.5.3.
    4. סקור את התמונות וסמנו את המיקוד והבהירות. אם איכות התמונה אינה מספקת, להתאים את הצמצם של העדשה או הגדרת ISO.
    5. לקחת יותר (בדרך כלל בסביבות 20) וסרטונים (כ-40 s) עם ההגדרה הנכונה. כבה את הלייזר ואת העברת הנתונים למחשב.
  2. PIV מדידה
    1. בהתבסס על מיקום הפניה ידוע שלב 2.1.3 ואת התוצאות של הצילומים מהשלב 2.1.5 לבחור אזור מעניין (x/c≈ 0.3) כמו FOV, לאן יכול להיות שנצפו טרנדו substructures. החלף את לייזר מתמשך, מצלמה דיגיטלית עם לייזר כפולה הדופק ואת מצלמת CCD למדידה PIV.
    2. חזור על שלבים 1.4.6 - 1.5.3 להקליט את הכיול למדידה PIV.
    3. הפעל את מנהרת הרוח freestream הרצויה, במהירות U = 2.64 m/s להפעילו למשך 10 דקות להבטיח מהירות freestream יציב.
    4. להתאים את הלייזר כפול דופק רמת צריכת החשמל הגבוהה ביותר ועומד על-ידי. להשתמש בתוכנה כדי להתחיל רכישת נתונים עבור 100 s. לאחר סיום הקלטת נתונים, כבה את הראש לייזר.
    5. סקירה על תמונות שנרכשו בהתוכנה ובדוק ההתפלגות גיליון בלייזר, את צפיפות החלקיקים (בדרך כלל 6-10 חלקיקי בכל אזור חקירה הרצוי), המוקד ואת העקירה חלקיקים בין המסגרות כפול (25-50% של החקירה אזור).
    6. אם האיכות של התמונות משביעת רצון, כפי שמתואר בשלב 2.2.5. לשמור את הנתונים לדיסק הקשיח של המחשב, בהנהלת בשאר המקרים חוזרים על השלבים שלעיל. אחרת, חזור על שלבים 1.7 ו- 2.2 ולהתאים בקפידה את ההתקנה.

3. עיבוד נתונים

  1. הדמיית עשן משופר
    הערה: השלבים הבאים, 3.1.1-3.1.4, נעשים באמצעות קוד MATLAB באופן אוטומטי (ראה קובץ קידוד משלימה).
    1. להפוך הוידאו לתוך רצף של מסגרות. להמיר את המסגרות מהטופס RGB בגווני אפור. לסובב את המסגרת כדי להפוך את השטח כנף דלתא אופקי. לבחור את תחום העניין לצורך עיבוד מאוחר יותר (איור 2 א).
    2. להתאים את הבהירות והניגודיות כדי להדגיש את מבנה הזרימה. להחיל על הסף מסתגלת להפוך את התמונה אפור תמונה בינארית (איור 2b).
    3. הוסף את הערכים הבינאריים בכל עמודה ' למצוא את המיקום שבו הסכום משתנה פתאום. עמדה זו הוא המיקום התמוטטות מערבולת (איור 2 c).
    4. שיא מערבולת פירוט המיקומים והשעות המתאימים שלהם. תולדות הזמן תנודה התמוטטות ובכך ניתן להשיג.
    5. השתמש הגורם בקנה מידה גודל פיקסל-אמת (נמדד מן התמונות עם לוחית היעד כיול בשלב 1.5.3) להפוך את ההיסטוריה זמן מפיקסלים לגודל אמיתי לזהות את מיקום הפניה. להתוות את תולדות הזמן תנודה התמוטטות.
  2. PIV מדידה
    1. להפעיל את התוכנה PIV. להשתמש את התמונות רכשה בשלב 2.2.2 לקביעת מקדם שינוי הגודל והמיקום הפניה של הקואורדינטות. מראש לעבד את הנתונים שהושגו באמצעות הספרייה עיבוד התמונה כדי להאיר את החלקיקים, להפחית רעש18.
    2. השתמש בשיטת אזור חקירה מסתגלת עם גודל הרשת המינימלי של 32 × 32 פיקסלים, עם חפיפה המינימלית של 50%. בחרו את אזור התמונה וקבעו אימות וקטור 3 x 3 עבור הצלב-מתאמים מסתגלת.
    3. התוצאה ניתנת כשדה וקטור מהירות, ב, אשר הם הווקטורים נכונה הווקטורים כחול הירוקים הווקטורים שהוחלפו הינם והאדומות הם וקטורים רע.
    4. להחיל את 3 x 3 עובר לשיטת אימות הממוצע לאמוד את מהירות המקומי על-ידי השוואת את הווקטורים בשכונה שלה. החלף את הווקטורים לסטות מדי מן השכנים. שלהם עם הממוצע של שכניהם.
    5. לחשב סטטיסטיקה וקטור מהירות המפות כדי לקבל מאפייני הזרימה ב תולדות הזמן, למשל, את מהירות זמן ממוצע, סטיית התקן ו קרוס-הקשר בין מהירות רכיבים. חשב את נגזרות שיטתיות מן המפה וקטורית כדי להדגים את התכונות הפנימיות של השדה זרימה, למשל, ערבוליות, מדגיש הטיה, מתערבל כוח.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

איור דו-ממדי מציג את הסיפורים זמן של המיקומים התמוטטות לב. העקומה השחורה מציינת את לב לסיפון, העקומה אדום מציין לב שבור שמאלה. ציר הזמן הוא nondimensionalized לפי אורך מהירות, אקורד חופשי זרם. מקדם המתאם בין שני אלה הסיפורים זמן הוא r = −0.53, המציינת אינטראקציה עם אנטי-סימטרית חזקה של לב פירוט מיקום תנודות. תוצאה זו מסכים עם עבודתם של אחרים13,19,20.

איור 3 מראה את מבנה הזרימה לב בחתך אורכי- α = 34 ° ו- Re = 75,000. התמונה המקורית נכבשה על ידי מצלמה דיגיטלית בטופס RGB, עם משך חשיפה של 1/500 שניות. באיור זה הוא הקואורדינטה מנורמל לפי אורך אקורד כנף דלתא. מידה 10 מ מ מותווים בפינה הימנית העליונה עבור ההפניה. התוצאה מדגים בבירור לב הליבה הראשית, אשר מתפתחת מהקצה של האגף דלתא במורד הזרם בקו ישר. ליד המיקום ב- x = 0.19 c, הליבה מערבולת לפתע מתרחב. זה נקרא את הקצה המוביל מערבולת התמוטטות9,21. לאחר התמוטטות למיקום, בעקבות הופך סוער. מסביב לגרעין לב ראשי יש מבנים טרנדו קטנים. Substructures אלה מקורן הקצוות המובילים ו מערבולת סביב הליבה הראשית מערבולת בתוך סיכום הטיה שכבה12,22,23. Substructures עובר לתוך השכבה הפנימית של הלב, צורתם נמתחת עקב הרכיב מהירות גבוהה יחסית בכיוון האורך בקרבת הגרעין מערבולת. במהלך הניסוי, הוא ציין כי מבנה הזרימה הלב הוא די נייח, מלבד במיקום התמוטטות לב. תוצאה זו מראה כי זו שיטת הדמיה זרימה עשן להשיג איזון טוב בין המבנה מקומי קטן זרימה והתפתחות מבנה הזרימה הכללית.

איור 4 מציג את התמונות חלקיקים טיפוסי באזור 64 x 64 פיקסלים, שנלכד PIV מדידה. באזור החקירה 32 x 32 פיקסלים במסגרת A, ישנם 10 חלקיקים מזוהה, מסומן על ידי עיגולים צהובים. לאחר מרווח הזמן בין שתי מסגרות, החלקיקים תחסיר למיקומים חדשים, כפי שמוצג מסגרת ב'... Displacements הן כרבע של האזור החקירה, וכתוצאה מכך כמעט 70% בחפיפה בין האזורים האלה החקירות. בנוסף, כמעט כל החלקיקים נשארים בתוך המטוס גיליון בלייזר, המציין כי הפרמטרים ההתקנה נבחרו בהתאם למקרה הזה.

איור 5 מראה את התוצאות PIV זמן ממוצע בסעיפים קרוס streamwise spanwise. לפני מדידות אלה מבוצעות, הדמיית זרימה עשן משופרת מבוצע כדי לזהות את מיקום הליבה מערבולת העיקרי, ביצוע שלבים 2.1.1 - 2.1.3. הקואורדינטות באיור 5 הם מנורמל אורך כנף דלתא אקורד c , אורך semispan המקומי SL. ערבוליות Equation 4 הוא מנורמל כמו ω * = ωU∞/c. על פי תוצאה זו, הליבה מערבולת הראשי ניתן לזהות בקלות על ידי הקו פיתול של vorticities חיוביים ושליליים, הוא מסומן על ידי הקו המקווקו שחור. העליון ואת התחתון אזורים, הרבדים הטיה מתגלגל להראות vorticities גדולים. Λci קריטריון24,25 משמש כדי לזהות את מערבולות מ PIV מדידה. איור 5, הקווים מוצק ממחישים את האזור עם כוח מתערבל המקומי נמוכה מ- 0, המצביע על קיומן של מערבולות. ליד הליבה, substructures נמתחים, אינם מופיעים בכוח מתערבל קו המתאר. עם זאת, קווי המתאר של ערבוליות מרוכז עדיין מציעה את substructures כאן, מסומן על ידי קו מנוקד לבן. ב- איור 5b, המפה וקטור מהירות ממחיש בבירור בכל צד, הזרם מפריד בחוד ויוצר שכבה גזירה חזקים, המתגלגלת מאוחר יותר לתוך המרכז לב. משלים מבנה הזרימה חתך הרוחב streamwise, מבנה הזרימה spanwise מראה בבירור את התפתחות substructures טרנדו החיצוני.

Figure 1
איור 1: תרשים של כיוונונים. (א) המודל כנף דלתא; (b-d) setups למדידה PIV חתך האורך הרוחב, חתך הרוחב spanwise ו את חתך רוחבי, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: מדידה של המיקום התמוטטות לב. (א) תוצאה הדמיית זרימה עשן המציגה את מבנה מתקדמים מערבולת חתך רוחבי: α = 34 ° ו- Re = 50,000; האזור המסומן מסובב, עיבוד נוסף. (b) תמונה בינארי של האזור המסומן ב (א), מראה בבירור את לב ליבה של התמוטטות. (ג) הסיכום של כל עמודה בתמונה בינארי (b) ואת המיקום מזוהה של התמוטטות לב לכיוון streamwise (x-כיוון), מנורמל על ידי אורך אקורד c. (ד) זמן הסיפורים של המיקומים התמוטטות לב. Equation 5 הוא המיקום זמן ממוצע של Equation 6 הוא המרחק מיידית למצב זמן ממוצע. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: המבנה מתקדמים מערבולת חתך אורכי- α = 34 ° ו- Re = 75,000, המתקבל את הדמיית זרימה עשן. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: חלקיק תמונות באזור 64 x 64 פיקסלים. האזור המקביל החקירה הוא 32x32 פיקסלים. מרווח הזמן בין מסגרות A ו- B הוא מיקרו 80. החלקיקים מזוהה באזור החקירה המקורית מסומנים באמצעות עיגולים צהובים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: PIV זמן ממוצע תוצאות. () שהוא ערבוליות ω * מתאר עם קווים מלאים לסימון שהאזורים עם כוח מתערבל מקומי נמוך יותר לטיל את חתך האורך. (b) Dimensionless ערבוליות ω * מתאר עם מהירות וקטורים בחתך הרוחב spanwise ב x = 0.4c; קואורדינטות נמצאים מנורמל האורך semispan המקומי של SL (α = 34 ° ו- Re = 50,000). אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מאמר זה מציג את שתי שיטות הדמיה של זרימה, הדמיית זרימה משופרת עשן ומדידה PIV, לחקור מבנה הזרימה מעל הכנף דלתא איכותית, באופן כמותי. ההליכים כללי של הניסוי מתוארים צעד אחר צעד. הכיוונונים של שתי שיטות אלו הם כמעט זהה, בעוד ההתקנים מעורבים הם שונים. העיקרון הבסיסי של שיטות הדמיה אלה שני זרימה היא להאיר את החלקיקים בזרם דרך הגיליון לייזר. הדמיית זרימה עשן משופרת ניתן להשיג את מבנה הזרימה הכללית ואת מבנים מקומיים קטנים בו זמנית, אפשרות שימושית לקבלת סקירה כללית של מבנה הזרימה לא ידוע. הניתוח PIV כמותיים מספק מפה וקטורית מפורט של השדה זרימה מעניין. לפיכך, שילוב של שיטות הדמיה אלה זרימה יכולה להביא לשיפור משמעותי מחקר יעילות.

לעומת הדמיית זרימה רגילה תיל עשן, שיטת הדמיית זרימה עשן המודגמות כאן מתנהל באופן יעיל למדי. כי החלקיקים מופצים בצורה אחידה, מבנים קטנים זרימה מזוהים בקלות. זרם תלת מימדי מורכב, שיטה זו מאפשרת הסדין לייזר כדי להגדיר כל מיקום מרחבי להתבונן השדות זרימה חתכים שונים, ואילו בשיטה המסורתית תיל עשן, הגיליון לייזר חייב תמיד להיות מיושר עם העשן כיוון חלון התצפית הוא מוגבל בהתאם26. בנוסף, שיטה משופרת זו לא צריך לפספס פרטים זרימה שנגרמו בהעדר של העשן באזורים מסוימים במהלך ניסוי תיל עשן. עם זאת, שיטה זו לא יהיה מתאים מתקנים לולאה פתוחה מנהרת רוח בשל כיצד מתנהל זריעה. ויזואליזציה זרימת הנתונים צריך להיות מנותח בקפידה כדי להימנע החסרונות של תאורות דמיוני3,27.

כיוון השדה זרימה מעל הכנף דלתא הוא מאוד רגיש כל הפרעה בין תלת-ממדי, חקירות חודרני מומלצים21. עבור מדידות במישורים, זה חיוני לשקול את הרכיב מהירות אורתוגונלית במטוס תצפית במהלך PIV-מדידה-28,-29. במקרה זה, מרווח הזמן בין שתי מסגרות העובי גיליון לייזר צריך להיות פשרה עם מהירות אורתוגונלית כדי להבטיח כי רוב החלקיקים אל תזיז את הגיליון לייזר. עבור מדידות דומות, הוא הציע לנהל מספר מקרים בפרמטרים שונים מראש כדי לזהות את אלה המתאימות ביותר.

ויזואליזציה זרימה בשיטות המתוארות במאמר זה הם נוח, יעיל בעלות נמוכה. בעתיד, טכניקות אלה יוחלו על שדות זרימה מורכבים עם בקרת זרימה פעיל, כגון גוף מרמה לגרור הפחתת ו מערבולת-מבנה אינטראקציה, כדי להעריך את ההשפעות שליטה במהירות, להבין את מנגנוני הבקרה, ולהאיץ אופטימיזציה של בקרת פרמטרים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

המחברים רוצה להודות המועצה מענקים למחקר הונג קונג (לא. GRF526913), הונג קונג חדשנות וטכנולוגיה (לא. ITS/334/15FP), ואת אותנו למשרד של חיל הים המחקר העולמי (לא. N00014-16-1-2161) עבור תמיכה כספית.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
532 nm Nd:YAG laser Quantel Laser Evergreen 600mJ
High speed camera Dantec Dynamic HiSense 4M
camera lens Tamron SP AF180mm F/3.5 Di
PIV recording and processing software Dantec Dynamic DynamicStudio
cylindrical lens Newport Φ=12 mm
convex lens Newport f=700 mm
neutral density filter Newport
Calibration target custom made
aerosol generator TSI TSI 9307-6
PULSE GENERATOR Berkeley Nucleonics Corp BNC 575
continuous laser APGL-FN-532-1W
Digital camera Nikon Nikon D5200
Image processing Matlab custom code
wind tunnel support custom made
laser level BOSCH GLL3-15X
angle meter BOSCH GAM220

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Smits, A. J. Flow visualization: Techniques and examples. , World Scientific. (2012).
  2. Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. Low-speed wind tunnel testing. , Wiley. New York. (1999).
  3. Merzkirch, W. Flow visualization. , Academic Press. (1987).
  4. Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (2007).
  5. Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows. Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).
  6. Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
  7. Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
  8. Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
  9. Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
  10. Payne, F. M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing. AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).
  11. Lowson, M. V. The three dimensional vortex sheet structure on delta wings. Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).
  12. Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
  13. Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
  14. Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing. AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).
  15. Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
  16. Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
  17. Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
  18. Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
  19. Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., Délery, J. Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location. AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).
  20. Shen, L., Wen, C. -y, Chen, H. -A. Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators. AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).
  21. Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
  22. Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
  23. Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
  24. Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
  25. Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
  26. Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
  27. Greenwell, D. I. RTO AVT Symposium. , Leon, Norway. RTO-MP-069(I) (2001).
  28. Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
  29. Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. 3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing. Exp Fluids. 57 (6), (2016).

Tags

הנדסה בעיה 134 כנף דלתא לעשן הדמיית זרימה הקצה המוביל מערבולת מערבולת התמוטטות מערבולת תנודה Velocimetry התמונה חלקיקים
חקירה נסיונית של מבנה הזרימה מעל כנף דלתא באמצעות שיטות הדמיה זרימה
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C.… More

Shen, L., Chen, Z. n., Wen, C. Experimental Investigation of the Flow Structure over a Delta Wing Via Flow Visualization Methods. J. Vis. Exp. (134), e57244, doi:10.3791/57244 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter