Experimentell undersökning av strukturen flöde över en deltavinge Via flöde visualiseringsmetoder
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att observera ostadiga vortical flöden över en deltavinge med en modifierad rök flöde visualisering teknik och undersöka mekanismen som svarar för svängningarna av de ledande vortex uppdelning platserna.
Abstract
Det är väl känt att fältet flöde över en deltavinge domineras av ett par counter roterande framkant virvlar (LEV). Men är deras mekanism inte förstått. Den flöde visualisering tekniken är en lovande icke-påträngande metod att illustrera fältet komplexa flödet spatialt och temporalt. En grundläggande flöde visualisering setup består av en högeffektiv laser och optik linser att generera bladet laser, en kamera, en tracer partikel generator och en registerförare. Vindtunnel setup, specifikationerna för enheter som är inblandade och motsvarande parameterinställningarna är beroende av funktioner som flödet ska erhållas.
Normala rök tråd flöde visualisering används en rök tråd för att demonstrera den flöde streaklines. Denna metods begränsas dock av dålig rumslig upplösning när det sker i ett komplext flöde fält. Därför, en förbättrad rök flöde visualisering teknik har utvecklats. Denna teknik illustrerar den storskaliga globala LEV flöde fältet och småskaliga skjuvning lagerstrukturen flöde samtidigt, som ger en värdefull referens för senare detaljerad particle image velocimetry (PIV) mätning.
I detta papper demonstreras tillämpningen av den förbättrade rök flöde visualisering och PIV mätning att studera de ostadiga flöde fenomen över en deltavinge. Förfarandet och försiktighetsåtgärder för att genomföra experimentet listas, inklusive vindtunnel setup, datainsamling och databearbetning. De representativa resultat visar att dessa två flöde visualiseringsmetoder effektiva tekniker för att undersöka fältet tredimensionella flöde kvalitativt och kvantitativt.
Introduction
Fältet flödesmätning via visualiseringstekniker är en grundläggande metodik i fluid iscensätta. Bland de olika visualiseringstekniker är rök tråd flöde visualisering i vindtunnel experiment och färgämne visualisering i vatten tunneln experiment den mest använda att illustrera flödet strukturer kvalitativt. PIV och laser Doppler anemometry (LDA) är två typiska kvantitativa tekniker1.
I rök tråd flöde visualisering, rök streaklines genereras från oljedroppar på en värmetråden eller injiceras från yttre rök generator/behållaren under experimenten. High-Power lampor eller laser ark används för att belysa den rök streaklines. Bilder registreras sedan för vidare analys. Detta är en enkel men mycket användbar flöde visualisering metod2. Effektiviteten av denna metod kan dock begränsas av olika faktorer, såsom den korta varaktigheten av rök ledningar, fältet komplexa tredimensionella flöde, den relativt höga hastigheten på flödet, och effektiviteten i rök generation3.
Ett tvärsnitt av ett flöde fält med fångas partiklar är upplyst av en laser ark i PIV mätningar, och instant positioner av partiklar i detta tvärsnitt fångas av en höghastighetskamera. Inom en extremt liten tidsintervall registreras ett par bilder. Genom att dela bilder i ett rutnät av förhör områden och beräkna den genomsnittliga rörelsen av partiklar i förhör områden genom cross-korrelation funktioner, kan momentan hastighet vektor karta i detta observerade tvärsnitt erhållas. Men är det också känt att kompromisser måste nås för faktorer inklusive storleken på fönstret observation, upplösningen av hastighet kartan, velocity omfattningen i planet, tidsintervallet mellan par av bilder, ortogonala hastigheten magnitud och den partikel density4. Många förberedande experiment kan därför behövas att optimera experimentella inställningarna. Det skulle vara dyrt och tidskrävande att undersöka ett okänt och komplext flöde fält med PIV mätning enbart5,6. Med tanke på oro som ovan, en strategi för att kombinera rök flöde visualisering och PIV mätning är föreslagna och visat här för att studera komplexa flödet över en smal deltavinge.
Många studier av LEV flöden över deltavingar har genomfört7,8, med flöde visualiseringstekniker används som de primära verktyg. Många intressanta flödet fenomen har observerats: spiral typ och bubbla typ vortex haverier9,10, en ostadig skjuvning lager underkonstruktion11,12, svängningar av LEV uppdelning platser13 , och effekterna av pitching och yaw vinklar14,15,16 på flöde strukturer. De bakomliggande mekanismerna av några ostadig fenomen i deltavinge flöden är dock fortfarande oklart7. I detta arbete bättre rök flöde visualisering använder samma sådd partiklarna används i PIV mätning, istället för en rök tråd. Denna förbättring förenklar driften av visualisering och ökar kvaliteten på bilderna. Baserat på resultaten från den förbättra rök flöde visualiseringen, fokuserar PIV mätning på dessa flöde fält av intresse att förvärva den kvantitativa informationen.
En detaljerad beskrivning finns här, för att förklara hur att genomföra ett flöde visualisering experiment i en vindtunnel och utreda ostadig flöde fenomen över en deltavinge. Två visualiseringsmetoder, den förbättrade rök flöde visualisering och PIV mätning, används tillsammans i detta experiment. Förfarandet innehåller stegvisa vägledning för enhet installationsprogrammet och parametern justering. Typiska resultat demonstreras för att Visa fördelen med att kombinera dessa två metoder för att mäta fältet komplexa flödet spatialt och temporalt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denna artikel presenterar två flöde visualiseringsmetoder, förbättrad rök flöde visualisering och PIV mätning, att undersöka flöde struktur över deltavinge kvalitativt och kvantitativt. De allmänna förfarandena för experimentet beskrivs steg för steg. Installationerna av dessa två metoder är nästan samma, medan enheterna som är inblandade är olika. Den grundläggande principen för dessa två flöde visualiseringsmetoder är att belysa partiklar i flödet via laser arket. Förbättrad rök flöde visua…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Hong Kong forskning stipendier rådet (nr. GRF526913), Hong Kong Innovation och teknik kommissionen (nr. ITS/334/15FP), och den oss Office av Naval Research globala (nr. N00014-16-1-2161) för ekonomiskt stöd.
Materials
| 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 |
References
- Smits, A. J. . Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).
- Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. . Low-speed wind tunnel testing. , (1999).
- Merzkirch, W. . Flow visualization. , (1987).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).
- 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).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
- Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
- Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
- Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
- 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).
- 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).
- Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
- Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
- 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).
- Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
- Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
- Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
- Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
- 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).
- 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).
- Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
- Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
- Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
- 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).
- Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
- Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
- Greenwell, D. I. . RTO AVT Symposium. , (2001).
- Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
- 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).
