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Engineering

प्रवाह दृश्य तरीकों के माध्यम से एक डेल्टा विंग पर प्रवाह संरचना की प्रायोगिक जांच

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

Summary

यहां, हम एक डेल्टा विंग एक संशोधित धुआं प्रवाह दृश्य तकनीक का उपयोग कर पर अस्थिर vortical प्रवाह का पालन करने और तंत्र की जांच अग्रणी बढ़त भंवर टूटने स्थानों के दोलनों के लिए जिंमेदार एक प्रोटोकॉल उपस्थित ।

Abstract

यह सर्वविदित है कि एक डेल्टा विंग पर प्रवाह क्षेत्र काउंटर घूर्णन अग्रणी एज भेंवर (लेव) की एक जोड़ी का प्रभुत्व है । हालांकि, उनके तंत्र को अच्छी तरह समझ नहीं आ रहा है । प्रवाह दृश्य तकनीक एक होनहार गैर दखल विधि के लिए जटिल प्रवाह क्षेत्र के स्थानिक और लौकिक वर्णन है । एक बुनियादी प्रवाह दृश्य सेटअप एक उच्चस्तरीय लेजर और ऑप्टिक लेंस के होते है लेजर शीट, एक कैमरा, एक अनुरेखक कण जनरेटर उत्पंन करने के लिए, और एक डेटा प्रोसेसर । विंड टनल सेटअप, शामिल उपकरणों के विनिर्देशों, और इसी पैरामीटर सेटिंग्स प्रवाह सुविधाओं पर निर्भर प्राप्त किया जा करने के लिए कर रहे हैं ।

सामांय धुआं तार प्रवाह दृश्य एक धुआं तार का उपयोग करता है प्रवाह streaklines प्रदर्शन । हालांकि, इस विधि के प्रदर्शन गरीब स्थानिक संकल्प द्वारा सीमित है जब यह एक जटिल प्रवाह क्षेत्र में आयोजित किया जाता है । इसलिए, एक बेहतर धुआं प्रवाह दृश्य तकनीक विकसित किया गया है । इस तकनीक को बड़े पैमाने पर वैश्विक लेव प्रवाह क्षेत्र और छोटे पैमाने पर कतरनी परत प्रवाह संरचना एक ही समय में दिखाता है, बाद में विस्तृत कण छवि velocimetry (PIV) माप के लिए एक मूल्यवान संदर्भ प्रदान करते हैं ।

इस पत्र में, सुधार धूंरपान प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन और PIV माप के आवेदन के लिए एक डेल्टा विंग पर अस्थिर प्रवाह घटना का अध्ययन करने का प्रदर्शन किया है । प्रक्रिया और प्रयोग के संचालन के लिए चेतावनी के पवन सुरंग सेटअप, डाटा अधिग्रहण, और डेटा प्रोसेसिंग सहित सूचीबद्ध हैं । प्रतिनिधि परिणाम बताते है कि इन दो प्रवाह दृश्य विधियों गुणात्मक और मात्रात्मक तीन आयामी प्रवाह क्षेत्र की जांच के लिए प्रभावी तकनीक हैं ।

Introduction

दृश्य तकनीक के माध्यम से प्रवाह क्षेत्र माप द्रव इंजीनियरिंग में एक बुनियादी पद्धति है । विभिन्न दृश्य तकनीक के अलावा, हवा सुरंग प्रयोगों में धुआं तार प्रवाह दृश्य और पानी सुरंग प्रयोगों में रंग दृश्य सबसे व्यापक रूप से प्रवाह संरचनाओं गुणात्मक वर्णन करने के लिए उपयोग किया जाता है । PIV और लेजर डॉपलर anemometry (LDA) दो ठेठ मात्रात्मक तकनीक है1.

धुआं तार प्रवाह दृश्य में, धुआं streaklines एक हीटिंग वायर पर तेल की बूंदों से उत्पंन कर रहे है या प्रयोग के दौरान बाहरी धुआं जनरेटर से इंजेक्शन/ धुआं streaklines को रोशन करने के लिए हाई-पावर लाइट्स या लेजर शीट्स का इस्तेमाल किया जाता है । छवियां तो और विश्लेषण के लिए दर्ज की गई हैं । यह एक सरल लेकिन बहुत उपयोगी प्रवाह दृश्य विधि2है । हालांकि, इस विधि के प्रभाव धूंरपान तारों की छोटी अवधि के रूप में विभिंन कारकों, द्वारा सीमित किया जा सकता है, जटिल तीन आयामी प्रवाह क्षेत्र, प्रवाह के अपेक्षाकृत उच्च वेग, और क्षमता धूंरपान जनरेशन3।

PIV माप में, entrained कणों के साथ एक प्रवाह क्षेत्र की एक पार अनुभाग एक लेजर शीट से प्रबुद्ध है, और इस पार खंड में कणों के तत्काल पदों एक उच्च गति कैमरे द्वारा कब्जा कर रहे हैं । एक बहुत छोटे समय अंतराल के भीतर, छवियों की एक जोड़ी दर्ज की गई है । पूछताछ क्षेत्रों के एक ग्रिड में छवियों को विभाजित करके और पार सहसंबंध कार्यों के माध्यम से पूछताछ क्षेत्रों में कणों की औसत गति की गणना, इस मनाया पार अनुभाग में तात्कालिक वेग वेक्टर नक्शा प्राप्त किया जा सकता है । हालांकि, यह भी कहा जाता है कि समझौता अवलोकन खिड़की के आकार सहित कारकों के लिए पहुंच जाना चाहिए, वेग नक्शा, विमान में वेग परिमाण के संकल्प, छवियों की जोड़ी के बीच समय अंतराल, ओर्थोगोनल वेग परिमाण, और कण घनत्व4। इसलिए, प्रयोगात्मक सेटिंग्स ऑप्टिमाइज़ करने के लिए कई खोजपूर्ण प्रयोगों की आवश्यकता हो सकती है । यह महंगा है और समय लेने वाली एक अज्ञात और PIV माप अकेले5,6के साथ जटिल प्रवाह क्षेत्र की जांच करने के लिए होगा । उपर्युक्त चिंताओं को देखते हुए, एक रणनीति धूंरपान प्रवाह दृश्य और PIV माप गठबंधन करने के लिए प्रस्तावित है और यहां का प्रदर्शन करने के लिए एक पतला डेल्टा विंग पर जटिल प्रवाह का अध्ययन ।

लेव के कई अध्ययन डेल्टा पंखों पर प्रवाह7,8आयोजित किया गया है, प्रवाह दृश्य प्राथमिक उपकरणों के रूप में इस्तेमाल किया तकनीक के साथ । कई दिलचस्प प्रवाह घटनाएं देखा गया है: सर्पिल प्रकार और बुलबुला प्रकार भंवर टूटने9,10, एक स्थिर कतरनी परत उपसंरचना11,12, लेव टूटने स्थानों के दोलनों13 , और पिचिंग और yaw कोण14,15,16 प्रवाह संरचनाओं पर प्रभाव । हालांकि, डेल्टा विंग प्रवाह में कुछ अस्थिर घटना के अंतर्निहित तंत्र अस्पष्ट7रहते हैं । इस काम में, धुआं प्रवाह दृश्य एक ही बीज PIV माप में इस्तेमाल किया कणों के बजाय एक धुआं तार का उपयोग कर सुधार हुआ है । यह सुधार बहुत दृश्य के संचालन को सरल और छवियों की गुणवत्ता बढ़ जाती है । बेहतर धूंरपान प्रवाह दृश्य से परिणामों के आधार पर, PIV माप ब्याज की उन प्रवाह क्षेत्रों पर ध्यान केंद्रित करने के लिए मात्रात्मक जानकारी प्राप्त ।

यहां, एक विस्तृत वर्णन कैसे एक पवन सुरंग में एक प्रवाह दृश्य प्रयोग आचरण करने के लिए और एक डेल्टा विंग पर अस्थिर प्रवाह घटना की जांच करने के लिए समझाने के लिए प्रदान की जाती है । दो दृश्य विधियों, बेहतर धुआं प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन और PIV माप, इस प्रयोग में एक साथ उपयोग किया जाता है । प्रक्रिया डिवाइस सेटअप और पैरामीटर समायोजन के लिए चरण दर चरण मार्गदर्शन शामिल हैं । विशिष्ट परिणाम के लिए जटिल प्रवाह क्षेत्र को मापने के लिए इन दो तरीकों के संयोजन के लाभ दिखाने के स्थानिक और अस्थाई प्रदर्शन कर रहे हैं ।

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Protocol

1. विंड सुरंग सेटअप

  1. डेल्टा विंग मॉडल
    1. एल्यूमीनियम से एक डेल्टा विंग मॉडल का निर्माण, ७५ डिग्री के एक झाड़ू कोण φ के साथ, २८० मिमी, १५० मिमी के एक रूट अवधि बी , और 5 मिमी की मोटाई की एक तार लंबाई सी . दोनों प्रमुख किनारों ३५ डिग्री पर बेवल जुदाई बिंदु17 को ठीक करने के लिए ( चित्र 1aदेखें) ।
  2. विंड टनल फैसिलिटी
    1. एक बंद-पाश कम गति हवा सुरंग में प्रयोगों का आयोजन, २.४ मीटर (लंबाई) × ०.६ मीटर (चौड़ाई) × ०.६ मीटर (ऊंचाई) है कि कांच की दीवारों कि प्रयोगों के दौरान ऑप्टिकल उपयोग की अनुमति के साथ सुसज्जित है के एक परीक्षण अनुभाग के साथ. इस तरह की एक सुविधा के अशांत तीव्रता ०.४% से कम होना चाहिए ।
      नोट: इस अध्ययन में, हम ऊपर विशेषताओं के साथ हांगकांग पॉलिटेक्निक विश्वविद्यालय में एक पवन सुरंग का इस्तेमाल किया । इसके अलावा, freestream वेग यू∞ २.६४ मी. से लेकर १०.५६ मी., एक रेनॉल्ड्स नंबर करने के लिए इसी, फिरसे, 5 × 104 से 2 × 105, डेल्टा विंग, जो एक के लिए ठेठ उड़ान सीमा है की तार लंबाई के आधार पर मानव रहित हवाई वाहन (यूएवी) ।
    2. आवश्यकतानुसार, तीन विभिन्न व्यवस्थाओं का उपयोग करें (देखें चित्र 1b-d) लेजर शीट और कैमरों के अनुदैर्ध्य पार अनुभाग में प्रवाह संरचनाओं का पालन करने के लिए, स्पैन-वार क्रॉस सेक्शन, और अनुप्रस्थ क्रॉस सेक्शन. सेटअप के योजनाबद्ध चित्र 1bमें दिखाए जाते हैं ।
      नोट: इस प्रोटोकॉल अनुदैर्ध्य पार अनुभाग में विस्तार से सेटअप और माप प्रदर्शित करता है ।
  3. डेल्टा विंग स्थापित करें
    1. स्टिंग, जो एक परिपत्र गति गाइड हमले के कोण (AoA), αसमायोजित करने के लिए इस्तेमाल पर है पर डेल्टा विंग ट्रेलिंग एज ठीक करें । परिपत्र गाइड के केंद्र हवा सुरंग परीक्षण अनुभाग के केंद्रीय लाइन पर है । इस प्रकार, डेल्टा विंग के केंद्र हमेशा परीक्षण अनुभाग के केंद्र में हो सकता है । AoA को α = ३४ ° में समायोजित करें ।
    2. एक कोण मीटर और एक तीन अक्ष लेजर स्तर के रीडिंग की जाँच करके, किसी भी yaw कोण और रोल कोण को कम करने के लिए डेल्टा विंग मॉडल को ध्यान से समायोजित करें । मौजूदा अध्ययन में इन दोनों कोणों की अनिश्चितता ०.१ डिग्री से कम है ।
  4. लेज़र पत्रक सेट करें
    1. PIV माप और धुआं प्रवाह दृश्य के लिए प्रवाह संरचनाओं रोशन करने के लिए अलग से दो पराबैंगनीकिरण का उपयोग करें ।
      1. PIV माप के लिए, एक दोहरी पल्स लेजर का उपयोग करें, एक तरंग दैर्ध्य के साथ ५३२ एनएम और प्रत्येक पल्स के लिए ६०० एम एम (समायोज्य) की एक अधिकतम ऊर्जा. ट्रांजिस्टर-ट्रांजिस्टर तर्क (TTL) संकेतों के साथ एक तुल्यकालन के साथ इसे नियंत्रित ( चित्र 1bदेखें).
      2. धुआं प्रवाह दृश्य के लिए, ५३२ एनएम की एक तरंग दैर्ध्य और 1 डब्ल्यू की शक्ति के साथ एक सतत लेजर का उपयोग करें । यह निरंतर लेजर स्वतंत्र रूप से काम करता है । सेटअप स्थापना के दौरान, सुरक्षा के लिए लेजर बीम फिल्टर करने के लिए 10% संप्रेषण के साथ एक तटस्थ घनत्व फिल्टर का उपयोग करें ।
    2. उपयुक्त लेजर काले चश्मे पहनें ।
    3. प्रतिबिंब दर्पण को समायोजित करने के लिए हवा सुरंग में लेजर बीम परिचय । लेजर प्रकाश धुरी और दर्पण के बीच कोण है, लेजर बीम डेल्टा विंग सतह के लिए सामांय बनाने के लिए । Equation 1 सुनिश्चित करें कि लेजर बीम की स्थिति के आसपास है x/c ≅ ०.२५, जो बाद में देखने (FOV) के क्षेत्र का केंद्र होगा ।
    4. लेजर प्रकाशिकी स्थापित (सतत लेजर के साथ, पहली बार में) के लिए लेजर शीट फार्म, के रूप में चित्र 1bमें दिखाया गया है । उत्तल लेंस लेजर बीम आकार (भी चादर मोटाई) को नियंत्रित करने के लिए प्रयोग किया जाता है । बेलनाकार लेंस एक लेज़र शीट को लेजर बीम फैलता है ।
      नोट: वर्तमान अध्ययन में, बेलनाकार लेंस की फोकल लंबाई ७०० mm है, और बेलनाकार लेंस का व्यास 12 मिमी है ।
    5. मॉडल पर लेजर लाइन को मापने के द्वारा लेजर शीट मोटाई की जांच करें । उत्तल लेंस के स्थान को समायोजित करें यदि लेजर शीट मोटाई (यहां, लगभग 1 मिमी, के बारे में १०० mm के परीक्षण अनुभाग में लेजर शीट की एक प्रभावी चौड़ाई के साथ) उपयुक्त नहीं है । ध्यान दें कि लेजर शीट की मोटाई 1 पर निर्भर है) लेजर शीट और 2) PIV माप में स्नैपशॉट की जोड़ी के बीच समय अंतराल के लिए सामांय दिशा में वेग घटक ।
    6. डेल्टा विंग पर एक अंशांकन लक्ष्य प्लेट रखो, इसकी सतह लेजर शीट को संपाती के साथ । यह कदम इसलिए जरूरी है क्योंकि वर्तमान अध्ययन में FOV को विंड टनल समन्वय को ओर्थोगोनल नहीं है.
  5. कैमरा सेटअप
    1. कैमरा सेट करते समय पराबैंगनीकिरण बंद कर दें । पराबैंगनीकिरण के साथ के रूप में, इस प्रयोग के प्रत्येक अलग भाग के लिए दो कैमरों का उपयोग करें:
      1. PIV माप के लिए, २०४८ × २०४८ पिक्सल के एक संकल्प के साथ एक उच्च गति सीसीडी कैमरा का उपयोग करें । यह कैमरा तुल्यकालन और दोहरी पल्स लेजर द्वारा नियंत्रित किया जाता है ( चित्र 1bदेखें) । इस कैमरे में डाटा सीधे कंप्यूटर पर प्रसारित किया जाएगा ।
      2. धुआं प्रवाह दृश्य के लिए, ४,००० × ६,००० पिक्सल के एक स्नैपशॉट संकल्प के साथ एक वाणिज्यिक डिजिटल कैमरे का उपयोग करें और ७२० × १२८० पिक्सल के एक ५० हर्ट्ज वीडियो रिकॉर्डिंग संकल्प धुआं प्रवाह दृश्य के दौरान । इसे मैन्युअल रूप से संचालित किया जाएगा ।
    2. वांछित FOV प्राप्त करने के लिए कैमरे की स्थिति (पहली बार में वाणिज्यिक डिजिटल कैमरा,) ले जाएँ. अंशांकन लक्ष्य प्लेट पर ध्यान केंद्रित करने के लिए कैमरा लेंस समायोजित करें । सुनिश्चित करें कि संपूर्ण फ़ील्ड केंद्रित है । यदि नहीं, तो हो सकता है कि कैमरे के निर्देशांक अंशांकन लक्ष्य प्लेट तक ओर्थोगोनल न हों. इस प्रकार, कैमरे की स्थिति ध्यान से18समायोजित करें ।
    3. कैमरा अच्छी तरह से सेट करने के बाद कई फ्रेम ले लो । बाद में, अंशांकन लक्ष्य प्लेट के इन फ्रेम का उपयोग वास्तविक आकार और फ़्रेम पिक्सेल के बीच स्केल फ़ैक्टर जांचने के लिए और xyz निर्देशांक में संदर्भ स्थिति की पहचान करने के लिए किया जाएगा । उसके बाद, अंशांकन लक्ष्य प्लेट निकालें ।
  6. एक कम गति पर विंड टनल चालू करें (उदा, 3 मी.) और विंड टनल में तेल के कणों को इंजेक्ट करें । २.५ बार में एयरोसोल जनरेटर के दबाव सेट और 30 एस के लिए पूर्व बीज प्रवाह दृश्य विधि के लिए काम करते हैं । इस के बाद, पूरी हवा सुरंग समान रूप से लगभग 1 µm के एक सामांय व्यास पर तेल के कणों के साथ वरीयता प्राप्त होगा ।
    नोट: वर्तमान अध्ययन में, हवा सुरंग में अनुमानित तेल कण घनत्व एकाग्रता लगभग धुआं प्रवाह दृश्य में है; Equation 2 इस प्रकार, पवन सुरंग में समग्र प्रवाह घनत्व परिवर्तन है । Equation 3
  7. PIV सॉफ्टवेयर सेटअप
    1. PIV सॉफ्टवेयर के साथ PIV प्रणाली को नियंत्रित (सामग्री की तालिका देखें) । यह सॉफ़्टवेयर सिंक्रनाइज़र को लेज़र और कैमरा के लिए TTL संकेतों को भेजने के लिए आदेश कर सकता है, जैसा कि चित्र 1bमें दिखाया गया है ।
    2. ५०० की कुल नमूना संख्या के साथ, 5 हर्ट्ज पर नमूना आवृत्ति सेट करें. PIV फ्रेम्स के बीच का समय अंतराल ८० µs है । ध्यान दें कि समय अंतराल FOV और प्रवाह वेग के आकार पर निर्भर है । सुनिश्चित करें कि दो फ्रेम में पूछताछ क्षेत्रों के बारे में एक ५०-७५% ओवरलैप है ।

2. प्रयोग चल रहा है

  1. बेहतर धुआं प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन
    1. वांछित freestream वेग (U = २.६४ मी.) पर विंड टनल को चालू करें । freestream वेग को स्थिर करने के लिए 10 मिनट के लिए इसे चलाते हैं । पुनः = ५०,००० पर, freestream वेग U = २.६४ मी.
    2. सतत लेजर चालू करें । प्रवाह संरचना के 5-10 स्नैपशॉट कैप्चर करने के लिए डिजिटल कैमरे का उपयोग करें ।
    3. जांच करें कि क्या लेज़र शीट लेव कोर के अनुदैर्ध्य क्रॉस-अनुभाग में है ( चित्र 3में दिखाई गई विशिष्ट संरचना देखें) । यदि हां, तो डेल्टा विंग मॉडल पर इस स्थिति के बाद PIV माप के लिए एक संदर्भ के रूप में चिह्नित; अंयथा, ऑप्टिक लेंस का समायोजन करके लेजर शीट की स्थिति को बदलने और अंशांकन रीसेट कदम 1.4.6-1.5.3 के बाद ।
    4. उन छवियों की समीक्षा करें और ध्यान और चमक की जांच करें । यदि छवि गुणवत्ता संतोषजनक नहीं है, लेंस या आईएसओ सेटअप के एपर्चर समायोजित करें ।
    5. अधिक स्नैपशॉट लें (आमतौर पर लगभग 20) और वीडियो (लगभग ४० s) उचित सेटअप के साथ. लेज़र को बंद करें और डेटा को कंप्यूटर पर स्थानांतरित करें ।
  2. PIV मापन
    1. चरण 2.1.3 और चरण 2.1.5 से स्नैपशॉट के परिणामों से जाना जाता संदर्भ स्थिति के आधार पर, एक दिलचस्प क्षेत्र (x/c≈ ०.३) को FOV के रूप में चुनें, जहां vortical उपसंरचनाएं देखी जा सकती हैं । PIV माप के लिए दोहरी पल्स लेजर और सीसीडी कैमरा के साथ सतत लेजर और डिजिटल कैमरा बदलें ।
    2. दोहराएँ चरण 1.4.6-1.5.3 PIV माप के लिए अंशांकन रिकॉर्ड करने के लिए ।
    3. वांछित freestream वेग पर विंड टनल चालू करें, उ = २.६४ मी. यह सुनिश्चित करने के लिए 10 मिनट के लिए चलाएं कि freestream वेग स्थिर है ।
    4. उच्चतम शक्ति स्तर पर दोहरी पल्स लेजर समायोजित करें और द्वारा खड़े हो जाओ । १०० s के लिए डेटा प्राप्ति प्रारंभ करने के लिए सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें । एक बार डेटा रिकॉर्डिंग समाप्त हो गया है, लेजर सिर बंद कर दें ।
    5. सॉफ्टवेयर में अधिग्रहीत छवियों की समीक्षा करें और लेजर शीट वितरण की जांच, कण घनत्व (आमतौर पर प्रत्येक वांछित पूछताछ क्षेत्र में 6-10 कण), ध्यान, और कण विस्थापन डबल फ्रेम के बीच (पूछताछ के 25-50% क्षेत्र) ।
    6. यदि छवियों की गुणवत्ता संतोषजनक है, जैसा कि चरण 2.2.5 में वर्णित है., PC की हार्ड डिस्क पर डेटा सहेजें और उपरोक्त चरणों को दोहराकर अंय मामलों को चलाएं । अंयथा, चरणों को दोहराएं १.७ और २.२ और सावधानीपूर्वक सेटअप समायोजित करें ।

3. डाटा प्रोसेसिंग

  1. बेहतर धुआं दृश्य
    नोट: निम्न चरणों, 3.1.1-3.1.4, MATLAB कोड के माध्यम से स्वचालित रूप से किया जाता है ( पूरक कोडिंग फ़ाइलदेखें) ।
    1. फ्रेम के एक अनुक्रम में वीडियो रूपांतरण । RGB प्रपत्र से फ़्रेम को ग्रेस्केल में कनवर्ट करें । डेल्टा विंग सतह क्षैतिज बनाने के लिए फ्रेम घुमाएं । बाद में संसाधन (चित्र 2a) के लिए रुचि का क्षेत्र चुनें ।
    2. प्रवाह संरचना को हाइलाइट करने के लिए चमक और कंट्रास्ट समायोजित करें । धूसर छवि को बाइनरी छवि (चित्र b) में रूपांतरित करने के लिए अनुकूली थ्रेशोल्ड लागू करें ।
    3. प्रत्येक स्तंभ में बाइनरी मान जोड़ें और वह स्थिति ढूंढें जिस पर योग अचानक बदलता है । यह स्थिति भंवर टूटने स्थान (चित्रा 2c) है.
    4. भंवर टूटने स्थानों और उनके इसी समय रिकॉर्ड । टूटने दोलन के समय इतिहास इस प्रकार प्राप्त किया जा सकता है ।
    5. पिक्सेल वास्तविक आकार स्केल फैक्टर का प्रयोग करें (चरण 1.5.3 में अंशांकन लक्ष्य प्लेट के साथ छवियों से मापा) वास्तविक आकार के लिए पिक्सल से समय इतिहास को बदलने के लिए और संदर्भ स्थिति की पहचान करने के लिए । टूटने दोलन के समय इतिहास प्लाट ।
  2. PIV मापन
    1. PIV सॉफ़्टवेयर चलाएं । स्केल फ़ैक्टर और निर्देशांकों की संदर्भ स्थिति सेट करने के लिए चरण -8 में अधिग्रहीत छवियों का उपयोग करें. कणों को हाइलाइट और कम शोर18करने के लिए छवि प्रसंस्करण पुस्तकालय के माध्यम से अर्जित डेटा पूर्व प्रक्रिया.
    2. ३२ × ३२ पिक्सल के एक ंयूनतम ग्रिड आकार और ५०% की एक ंयूनतम ओवरलैप के साथ अनुकूली पूछताछ क्षेत्र विधि का प्रयोग करें । छवि क्षेत्र चुनें और अनुकूली पार-सहसंबंध के लिए एक 3 एक्स 3 वेक्टर सत्यापन सेट ।
    3. परिणाम एक वेग वेक्टर क्षेत्र के रूप में दिया जाता है, जिसमें नीले वैक्टर सही वैक्टर हैं, हरे रंग वाले वैक्टर प्रतिस्थापित कर रहे हैं, और लाल वाले वैक्टर बुरा कर रहे हैं ।
    4. अपने पड़ोस में वैक्टर की तुलना करके स्थानीय वेग का अनुमान लगाने के लिए 3 x 3 चलायमान औसत मांयता पद्धति लागू करें । बदलें वैक्टर कि अपने पड़ोसियों के औसत के साथ बहुत ज्यादा अपने पड़ोसियों से विचलित ।
    5. समय के इतिहास में प्रवाह विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए वेग नक्शे में वेक्टर सांख्यिकी की गणना, उदा, समय-औसत वेग, मानक विचलन, और वेग घटकों के बीच परस्पर संबंध. वेक्टर मानचित्र से अदिश डेरिवेटिव गणना करने के लिए प्रवाह क्षेत्र की आंतरिक सुविधाओं का प्रदर्शन, जैसे, vorticity, कतरनी तनाव, और घूमता ताकत ।

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Representative Results

चित्रा 2d लेव टूटने स्थानों के समय इतिहास से पता चलता है । काली वक्र portside लेव इंगित करता है और लाल वक्र स्टारबोर्ड लेव् इंगित करता है । समय पैमाने पर नि: शुल्क धारा वेग और तार लंबाई द्वारा आयामी है । इन दो समय के इतिहास के बीच सहसंबंध गुणांक r = − ०.५३ है, जो लेव ब्रेकडाउन स्थान दोलनों के प्रबल विरोधी सममित इंटरैक्शन का संकेत देता है । यह परिणाम दूसरों के13,19,20के काम के साथ अच्छी तरह से सहमत हैं ।

चित्रा 3 अनुदैर्ध्य पार अनुभाग में लेव प्रवाह संरचना से पता चलता है α = ३४ ° और Re = ७५,००० । मूल छवि आरजीबी रूप में डिजिटल कैमरे द्वारा कब्जा कर लिया था, 1/500 सेकंड के एक जोखिम की अवधि के साथ । इस आंकड़े में, समंवय डेल्टा पंख तार लंबाई से सामान्यीकृत है । एक 10 मिमी पैमाने संदर्भ के लिए ऊपरी दाएँ कोने में रची जाती है । परिणाम स्पष्ट रूप से प्राथमिक लेव कोर है, जो डेल्टा विंग की नोक से एक सीधी रेखा में बहाव को विकसित करता है दर्शाता है । x = ०.१९ cपर स्थिति के पास, भंवर कोर अचानक फैलता है । यह अग्रणी एज भंवर ब्रेकडाउन9,21के रूप में जाना जाता है । टूटने स्थान के बाद, जाग अशांत हो जाता है । आसपास प्राइमरी लेव कोर छोटे vortical संरचनाओं हैं । इन उपसंरचना प्रमुख किनारों और रोलिंग ऊपर कतरनी परत के भीतर प्राथमिक भंवर कोर के आसपास भंवर से शुरू12,22,23। के रूप में उपसंरचनाएं लेव की भीतरी परत में कदम, उनके आकार भंवर कोर के पास अनुदैर्ध्य दिशा में अपेक्षाकृत उच्च वेग घटक के कारण फैला है । प्रयोग के दौरान यह उल्लेखनीय है कि लेव के प्रवाह ढांचे को लेव ब्रेकडाउन स्थान को छोड़कर काफी स्टेशनरी है । इस परिणाम से पता चलता है कि इस धुएं के प्रवाह दृश्य विधि स्थानीय छोटे प्रवाह संरचना और वैश्विक प्रवाह संरचना विकास के बीच एक अच्छा संतुलन प्राप्त कर सकते हैं ।

चित्रा 4 PIV माप से कब्जा कर लिया, एक ६४ x ६४ पिक्सेल क्षेत्र में ठेठ कण छवियों से पता चलता है. एक फ्रेम में ३२ x ३२ पिक्सेल पूछताछ क्षेत्र में, वहाँ रहे हैं 10 पहचाने कणों, पीले घेरे द्वारा चिह्नित. दो फ्रेम के बीच समय अंतराल के बाद, इन कणों नए स्थानों के लिए जगह है, के रूप में फ्रेम बी में दिखाया गया है विस्थापितों के बारे में एक पूछताछ क्षेत्र के चौथाई हैं, एक लगभग ७०% इन पूछताछ क्षेत्रों के बीच ओवरलैप में जिसके परिणामस्वरूप । इसके अतिरिक्त, लगभग सभी कणों लेजर शीट विमान में रहते हैं, यह दर्शाता है कि सेटअप मापदंडों उचित इस मामले के लिए चुना गया ।

चित्रा 5 streamwise और spanwise पार वर्गों में समय औसत PIV परिणाम से पता चलता है. इससे पहले कि इन माप बाहर किया जाता है, बेहतर धुआं प्रवाह दृश्य प्राथमिक भंवर कोर स्थिति की पहचान करने के लिए आयोजित किया जाता है, कदम 2.1.1-2.1.3 के बाद । चित्रा 5 में निर्देशांक डेल्टा विंग राग लंबाई सी और स्थानीय semispan लंबाई एसएलद्वारा सामान्यीकृत हैं. vorticity के रूप में सामान्यीकृत है ω * = ωU∞/ Equation 4 इस परिणाम के अनुसार, प्राथमिक भंवर कोर आसानी से सकारात्मक और नकारात्मक vorticities की मोड़ लाइन द्वारा पहचाना जा सकता है, और यह काले बिंदीदार रेखा से चिह्नित है । ऊपरी और निचले क्षेत्रों में, रोलिंग कतरनी परतों बड़े vorticities दिखाते हैं । λci मापदंड24,25 PIV मापन से भेंवर की पहचान करने के लिए उपयोग किया जाता है । चित्रा 5में, ठोस लाइनों एक स्थानीय घूमता शक्ति शूंय से कम, भेंवर के अस्तित्व का संकेत के साथ क्षेत्र वर्णन । कोर के पास, उपसंरचनाएं फैला रहे है और घूमता ताकत समोच्च में दिखाई नहीं देते । हालांकि, केंद्रित vorticity समोच्च अभी भी यहां उपसंरचना का पता चलता है, सफेद बिंदीदार रेखा द्वारा चिह्नित । चित्रा 5bमें, वेग वेक्टर नक्शा स्पष्ट रूप से दिखाता है कि हर तरफ, प्रवाह अग्रणी धार पर अलग और एक मजबूत कतरनी परत, जो बाद में लेव कोर में रोल रूपों । streamwise पार अनुभाग में प्रवाह संरचना के पूरक, spanwise प्रवाह संरचना स्पष्ट रूप से बाहरी vortical उपढांचे के विकास को दर्शाता है ।

Figure 1
चित्र 1: setups के योजनाबद्ध । (क) डेल्टा विंग मॉडल; (बी-डी) अनुदैर्ध्य पार खंड में PIV माप के लिए setups, spanwise पार अनुभाग, और अनुप्रस्थ पार अनुभाग, क्रमशः । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: लेव ब्रेकडाउन स्थान का मापन. (क) एक धूंरपान प्रवाह दृश्य अनुप्रस्थ पार अनुभाग में अग्रणी बढ़त भंवर संरचना दिखा परिणाम: α = ३४ ° और पुनः = ५०,०००; चिह्नित क्षेत्र को घुमाया और आगे की कार्रवाई की है । (ख) (क) में चिह्नित क्षेत्र की बाइनरी छवि, स्पष्ट रूप से लेव कोर और टूट दिखा । (ग ) बाइनरी छवि में प्रत्येक स्तंभ के योग (ख) और streamwise दिशा (एक्स-दिशा), तार लंबाई सीद्वारा सामान्यीकृत में पहचान की लेव टूटने स्थान । (घ) लेव टूटने स्थानों का समय इतिहास । समय-औसत की स्थिति है और समय-औसत की स्थिति के लिए तत्काल दूरी है. Equation 5 Equation 6 कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्रा 3: अनुदैर्ध्य पार खंड में अग्रणी बढ़त भंवर संरचना में α = ३४ ° और पुन = ७५,०००, धुआं प्रवाह विज़ुअलाइज़ेशन से प्राप्त । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्रा 4: एक ६४ x ६४ पिक्सेल क्षेत्र में कण छवियों. इसी पूछताछ क्षेत्र ३२ x ३२ पिक्सल है । फ़्रेम A और B के बीच का समय अंतराल ८० microseconds है । मूल पूछताछ क्षेत्र में पहचान कणों पीले घेरे द्वारा चिह्नित कर रहे हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्र 5: समय-औसत PIV परिणाम. (एक) क्वांटिटी vorticity ω * ठोस लाइनों स्थानीय घूमता अनुदैर्ध्य पार अनुभाग में शून्य से कम शक्ति के साथ क्षेत्रों अंकन के साथ समोच्च । (ख) क्वांटिटी vorticity ω * x = ०.४cपर spanwise पार खंड में वेग वैक्टर के साथ समोच्च; निर्देशांक स्थानीय semispan लंबाई SL (α = ३४ ° और पुनः = ५०,०००) द्वारा सामान्यीकृत हैं । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

इस अनुच्छेद के दो प्रवाह दृश्य विधियों, सुधार धूंरपान प्रवाह दृश्य और PIV माप, डेल्टा विंग पर प्रवाह संरचना गुणात्मक और मात्रात्मक जांच करने के लिए प्रस्तुत करता है । प्रयोग की सामान्य प्रक्रियाओं चरण दर कदम वर्णित हैं. इन दोनों पद्धतियों के setups लगभग एक ही हैं, जबकि शामिल उपकरणों अलग हैं । इन दो प्रवाह दृश्य विधियों के मूल सिद्धांत को लेजर शीट के माध्यम से प्रवाह में कणों रोशन है । बेहतर धुआं प्रवाह दृश्य एक ही समय में वैश्विक प्रवाह संरचना और छोटे स्थानीय संरचनाओं प्राप्त कर सकते हैं, जो एक अज्ञात प्रवाह संरचना का अवलोकन प्राप्त करने के लिए उपयोगी है । मात्रात्मक PIV विश्लेषण दिलचस्प प्रवाह क्षेत्र के एक विस्तृत वेक्टर नक्शा प्रदान करता है । इस प्रकार, इन प्रवाह दृश्य तरीकों के संयोजन काफी अनुसंधान दक्षता में सुधार कर सकते हैं ।

सामांय धुआं तार प्रवाह दृश्य के साथ तुलना में, धुआं प्रवाह दृश्य विधि यहां का प्रदर्शन किया बल्कि कुशलता से आयोजित किया जाता है । क्योंकि कणों समान रूप से वितरित कर रहे हैं, छोटे प्रवाह संरचनाओं आसानी से पहचान कर रहे हैं । एक जटिल तीन आयामी प्रवाह में, इस विधि लेजर शीट की अनुमति देता है किसी भी स्थानिक स्थिति में स्थापित करने के लिए विभिंन पार वर्गों में प्रवाह क्षेत्रों का निरीक्षण, जबकि पारंपरिक धुआं तार विधि में, लेजर शीट हमेशा धूंरपान के साथ गठबंधन किया जाना चाहिए दिशा और प्रेक्षण खिड़की तदनुसार26सीमित है । इसके अतिरिक्त, इस विधि में सुधार किसी भी प्रवाह एक धुआं तार प्रयोग के दौरान कुछ क्षेत्रों में धूंरपान के अभाव की वजह से विवरण याद नहीं करना चाहिए । हालांकि, इस विधि खुले पाश हवा सुरंग कैसे सीडिंग का आयोजन किया जाता है की वजह से सुविधाओं के लिए उपयुक्त नहीं होगा । प्रवाह दृश्य डेटा ध्यान से काल्पनिक दीप्ति3,27के नुकसान से बचने के लिए विश्लेषण किया जाना चाहिए ।

क्योंकि डेल्टा विंग पर प्रवाह क्षेत्र अत्यधिक तीन आयामी है और किसी भी गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील है, गैर दखल जांच की सिफारिश कर रहे है21। विमानों में माप के लिए, यह PIV माप के दौरान प्रेक्षण विमान पर ओर्थोगोनल वेग घटक पर विचार करने के लिए आवश्यक है28,29. इस मामले में, दो फ्रेम और लेजर शीट मोटाई के बीच समय अंतराल ओर्थोगोनल वेग के साथ एक समझौता करने के लिए सुनिश्चित करें कि कणों की सबसे लेजर शीट बाहर नहीं ले जाना चाहिए । इसी तरह के माप के लिए, यह सबसे उपयुक्त लोगों की पहचान करने के लिए अग्रिम में विभिन्न सेटअप मापदंडों के साथ कई मामलों को चलाने के लिए सुझाव दिया है ।

प्रवाह दृश्य इस पत्र में वर्णित तरीके सुविधाजनक, कुशल हैं, और कम लागत । भविष्य में, इन तकनीकों को सक्रिय प्रवाह नियंत्रण के साथ जटिल प्रवाह क्षेत्रों के लिए लागू किया जाएगा, जैसे धोखा शरीर खींचें कमी और भंवर संरचना संपर्क के रूप में, नियंत्रण प्रभाव का मूल्यांकन करने के लिए जल्दी से, नियंत्रण तंत्र को समझने, और तेजी लाने के नियंत्रण मापदंडों का अनुकूलन ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखकों को हांगकांग अनुसंधान अनुदान परिषद का शुक्रिया अदा करना चाहूंगा (सं. GRF526913), हांग कांग नवाचार और प्रौद्योगिकी आयोग (सं. it/334/15FP), और नौसेना अनुसंधान वैश्विक के अमेरिकी कार्यालय (सं. N00014-16-1-2161) वित्तीय सहायता के लिए ।

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

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References

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प्रवाह दृश्य तरीकों के माध्यम से एक डेल्टा विंग पर प्रवाह संरचना की प्रायोगिक जांच
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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).

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