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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. vindtunnel Setup
- Deltavinge modell
- Konstruera en deltavinge modell från aluminium med ett svep vinkel φ 75 °, ett ackord längd c 280 mm, en rot span b 150 mm och en tjocklek på 5 mm. Har båda ledande kanterna fasade vid 35° fixar den avskiljande punkt17 (se figur 1a).
- Vindtunnel anläggning
- Genomföra experiment i en sluten slinga låg hastighet vindtunnel, med ett test avsnitt av 2,4 m (längd) × 0,6 m (bredd) × 0,6 m (höjd) som är utrustad med glasväggar som tillåter optisk åtkomst under experimenten. Turbulent intensiteten av en sådan anläggning bör vara mindre än 0,4%.
Obs: I denna studie använde vi en vindtunnel vid Hong Kong Polytechnic University med ovanstående egenskaper. Dessutom freestream hastigheten U∞ varierade från 2,64 m/s till 10.56 m/s, motsvarar ett Reynoldstal, Re, från 5 × 10-4 till 2 × 105, baserat på ackord längd av deltan påskyndar, som är typiska flyg spänna för en obemannade (UAV). - Efter behov, använda tre olika arrangemang (se figur 1b-d) laser och kameror för att iaktta de flöde strukturerna i längsgående tvärsnittet, span-wise tvärsnittet och tvärgående tvärsnittet. Scheman över installationen visas i figur 1b.
Obs: Detta protokoll visar inställning och mätning i längsgående tvärsnittet i detalj.
- Genomföra experiment i en sluten slinga låg hastighet vindtunnel, med ett test avsnitt av 2,4 m (längd) × 0,6 m (bredd) × 0,6 m (höjd) som är utrustad med glasväggar som tillåter optisk åtkomst under experimenten. Turbulent intensiteten av en sådan anläggning bör vara mindre än 0,4%.
- Installera deltavinge
- Fixa deltavinge bakkanten på sting, som ligger på en cirkelrörelse guide används för att justera anfallsvinkel (AoA), α. Den cirkulära guiden ligger på linjen central i avsnittet vindtunnel test. Att delta wing s center kan således alltid vara i mitten av avsnittet test. Justera AoA till α = 34 °.
- Noggrant justera deltavinge modellen för att minimera eventuella gir vinkel och rulla vinkel, genom att kontrollera avläsningarna av en vinkel mätare och en tre-axeln laser nivå. I den aktuella studien är osäkerheten i dessa två vinklar mindre än 0,1 °.
- Ställa in bladet laser
- Använda två lasrar separat för att belysa de flöde strukturerna för PIV mätning och rök flöde visualisering.
- För PIV mätning, använda en dual pulse laser, med en våglängd på 532 nm och en maximal energi av 600 mJ (justerbar) för varje puls. Styra den med en synkroniserare med transistor-transistor logic (TTL) signaler (se figur 1b).
- För rök flöde visualisering, använda en kontinuerlig laser med en våglängd på 532 nm och en effekt av 1 W. Denna kontinuerlig laser fungerar självständigt. Under den setup installationen, Använd en neutral densitet filter med 10% transmittans för att filtrera laserstrålen för säkerhet.
- Skyddsglasögon för lämplig laser.
- Justera reflektion spegeln för att införa laserstrålen i vindtunneln. Vinkeln mellan den laser ljusa axeln och spegeln är
, att göra laserstrålen normala deltavinge yta. Kontrollera att laserstrålen är runt position x/c ≅ 0,25, som senare kommer att vara i centrum av synfältet (FOV). - Installera laseroptik (med kontinuerlig laser, först) för att bilda bladet laser, som visas i figur 1b. Den konvex linsen används för att styra laser beam storleken (också plåtens tjocklek). Den cylindriska linsen expanderar laserstrålen till en laser ark.
Obs: I den aktuella studien är cylindriska linsen brännvidd 700 mm, och den cylindriska linsen diameter är 12 mm. - Kontrollera laser plåttjocklek genom att mäta laserlinjen på modellen. Justera placeringen av konvex linsen om laser plåttjocklek inte är lämplig (här, ca 1 mm, med en effektiv bredd av laser arket i avsnittet test i ca 100 mm). Observera att tjockleken på bladet laser är beroende av (1) komponenten hastighet i normal riktning till laser arket och 2) tidsintervallet mellan par av ögonblicksbilder i PIV mätning.
- Sätta en kalibrering måltavlan på deltavinge, med dess yta som sammanfaller på arket laser. Detta steg är nödvändigt eftersom FOV i den aktuella studien inte är ortogonal till vindtunneln koordinaten.
- Använda två lasrar separat för att belysa de flöde strukturerna för PIV mätning och rök flöde visualisering.
- Kameran setup
- Stäng av lasrar när du ställer in kameran. Som med lasrar, använda två kameror för varje separat del av detta experiment:
- För PIV mätning, använda en höghastighets CCD-kamera med en upplösning på 2048 × 2048 pixlar. Denna kamera styrs av synkroniseraren och dubbla pulsen laser (se figur 1b). Data i denna kamera kommer att översändas direkt till datorn.
- För rök flöde visualisering, använda en kommersiell digitalkamera med en ögonblicksbild upplösning på 4000 × 6000 pixlar och en 50 Hz videoinspelning upplösning på 720 × 1280 pixlar under rök flöde visualiseringen. Det kommer manövreras manuellt.
- Flytta kamerans position (kommersiella digitalkamera, först) att erhålla önskad FOV. Justera kameralinsen att fokusera på kalibrering mål plattan. Kontrollera hela fältet är fokuserad. Om så inte är fallet, koordinaterna för kameran kanske inte ortogonalt till kalibrering mål plattan. Således, justera kamerans position noggrant18.
- Ta flera bildrutor efter kameran är väl inställd. Senare, kommer dessa ramar av kalibrering mål plattan att användas att kalibrera skalfaktorn mellan verkliga storlek och ram pixeln och identifiera referenspositionen i xyz koordinaten. Ta sedan bort kalibrering mål plattan.
- Stäng av lasrar när du ställer in kameran. Som med lasrar, använda två kameror för varje separat del av detta experiment:
- Slå på vindtunneln på en låg hastighet (t.ex., 3 m/s) och injicera olja partiklar i vindtunneln. Ställ in trycket av aerosol generatorn på 2,5 bar och Använd den för 30 s för metoden före seedade flöde visualisering. Efter detta, att hela vindtunneln dirigeras jämnt med olja partiklar på en normal diameter på ca 1 µm.
Obs: I den aktuella studien, uppskattade olja partikel densitet koncentrationen i vindtunneln är cirka
i rök flöde visualisering; Således, den övergripande flöde density förändringen i vindtunneln är 
. - PIV mjukvara setup
- Kontrollera PIV systemet med programvaran PIV (se tabell för material). Denna programvara kan kommandot synkroniseraren skicka TTL-signaler till laser och kameran, som visas i figur 1b.
- Ställ in samplingsfrekvensen på 5 Hz, med en totalprovtagning antal 500. Tidsintervallet mellan PIV ramar är 80 µs. Observera att tidsintervallet är beroende av storleken på den FOV och flöde hastigheten. Kontrollera att områdena förhör i två ramar har ungefär en 50-75% överlappning.
, att göra laserstrålen normala deltavinge yta. Kontrollera att laserstrålen är runt position x/c ≅ 0,25, som senare kommer att vara i centrum av synfältet (FOV).
i rök flöde visualisering; Således, den övergripande flöde density förändringen i vindtunneln är 
.2. kör experimentet
-
Förbättrad rök flöde visualisering
- Slå på vindtunneln på önskad freestream hastigheten (U = 2,64 m/s). Kör den i ca 10 min att stabilisera freestream hastigheten. På Re = 50,000, freestream hastigheten är U = 2,64 m/s.
- Aktivera kontinuerlig laser. Använda digital kamera för att ta 5-10 ögonblicksbilder av flöde struktur.
- Kontrollera om bladet laser är på de längsgående tvärsnittet av LEV kärnan (se typiska struktur visas i figur 3). Så, markera denna position på deltavinge modellen som referens för senare PIV mätning; annars ändra placeringen av laser arket genom att justera optic linsen och återställa kalibreringen följande steg 1.4.6 - 1.5.3.
- Granska de bilderna och kontrollera fokus och ljusstyrka. Om bildkvaliteten inte är tillfredsställande, justera bländaren på objektivet eller ISO inställningen.
- Ta flera ögonblicksbilder (vanligtvis runt 20) och videor (cirka 40 s) med rätt inställning. Stänga av lasern och överföra data till datorn.
-
PIV mätning
- Baserat på den referenspositionen känd från steg 2.1.3 och resultaten av ögonblicksbilder från steg 2.1.5, välja en intressant region (x/c≈ 0,3) som FOV, där vortical på nationell nivå kan observeras. Ersätta kontinuerlig laser och digital kamera med dubbla pulse laser och CCD-kamera för PIV mätning.
- Upprepa steg 1.4.6 - 1.5.3 spela in kalibreringen för PIV mätning.
- Slå på vindtunneln på önskad freestream hastigheten, U = 2,64 m/s. kör det i 10 minuter för att säkerställa att freestream hastigheten är stabil.
- Justera in dubbla pulse laser till högsta makten nivå och står för. Använda programvaran för att starta dataförvärvet för 100 s. När data inspelningen är klar, Stäng av laserhuvudet.
- Granska de förvärvade bilderna i programvaran och kolla laser ark fördelningen, partikel densiteten (vanligen 6-10 partiklar i varje önskad förhör område), fokus och partikel förskjutningen mellan de dubbla ramarna (25-50% av förhör område).
- Om kvaliteten på bilderna är tillfredsställande, som beskrivs i steg 2.2.5., spara data på hårddisken på datorn och kör de andra fallen genom att upprepa stegen ovan. Annars Upprepa steg 1,7 och 2,2 och noggrant justera inställningarna.
3. databearbetning
-
Förbättrad rök visualisering
Obs: I följande steg, 3.1.1-3.1.4, görs via MATLAB-kod automatiskt (se den Kompletterande Coding File).- Omvandla videon till en sekvens av ramar. Konvertera ramarna från formuläret RGB till gråskala. Rotera ramen för att göra deltavinge ytan horisontellt. Välj området av intresse för senare bearbetning (figur 2a).
- Justera ljusstyrkan och kontrasten att framhäva strukturen flöde. Tillämpa en adaptiv tröskelvärde för att omvandla grå bilden till en binär bild (figur 2b).
- Lägg upp binära värdena i varje kolumn och hitta den position där summan ändras plötsligt. Denna position är vortex uppdelning platsen (figur 2 c).
- Registrera de vortex uppdelning platserna och deras motsvarande tider. Tid historia av uppdelning svängningen kan således erhållas.
- Använd skalfaktorn pixel-real storlek (mätt från bilder med kalibrering mål plattan i steg 1.5.3) att omvandla tid historia från pixlar till verklig storlek och identifiera referenspositionen. Rita tid historia av uppdelning svängningen.
-
PIV mätning
- Kör programvaran PIV. Använd bilderna förvärvade i steg 2.2.2 ställa in skalfaktorn och referens position koordinaterna. Förbehandla förvärvade data genom bearbetning bildbiblioteket markera partiklarna och minska buller18.
- Använd metoden adaptiv förhör område med en minsta stödrastrets storlek 32 × 32 pixlar och en minimal överlappning av 50%. Välj bildområdet och ange en 3 x 3 vector validering för adaptiv cross-korrelationerna.
- Resultatet ges som en vektor sätter in hastighet, där de blå vektorerna är rätt vektorer, de gröna är de substituerade vektorerna och röda är dålig vektorer.
- Applicera 3 x 3 rörliga genomsnittliga valideringsmetod för att uppskatta den lokala hastigheten genom att jämföra vektorerna i dess grannskap. Ersätta vektorer som avviker för mycket från sina grannar med genomsnittet av sina grannar.
- Beräkna vektor statistik i velocity kartor att erhålla flödesegenskaper i tid historia, t.ex., den tid i det genomsnittliga hastigheten, standardavvikelsen och cross-korrelationen mellan hastighet komponenter. Beräkna de skalära derivat från vektor karta att demonstrera de interna funktionerna i fältet flödet, t.ex., vorticity, skjuvspänningar och virvlande styrka.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Figur 2d visar tid historia av LEV uppdelning platser. Den svarta kurvan anger den portside LEV och den röda kurvan anger styrbords LEV. Tidsskalan är nondimensionalized av strömmer hastighet och ackord längd. Korrelationskoefficienten mellan dessa två tid historier är r = −0.53, vilket indikerar en stark anti symmetriska interaktion av LEV uppdelning läge svängningarna. Detta resultat stämmer väl överens med andras arbete13,19,20.
Figur 3 visar strukturen LEV flöde i längsgående tvärsnittet på α = 34 ° och Re = 75.000. Den ursprungliga bilden fångades av den digitala kameran i RGB-form, med en exponeringstid på 1/500 sekunder. I den här figuren är koordinaten normaliserat deltavinge ackord längd. En 10 mm skala ritas på det övre högra hörnet för referens. Resultatet visar tydligt den primära LEV kärnan, som framkallar från spetsen av deltavinge till nedströms i en rak linje. Nära ställning vid x = 0,19 c, vortex kärnan plötsligt expanderar. Detta är känt som den ledande vortex uppdelning9,21. Efter uppdelning platsen blir kölvattnet turbulent. Runt primära LEV kärnan är små vortical strukturer. Dessa underordnade strukturer härstammar från ledande kanter och snurra runt primära vortex kärnan inom den rullande upp skjuvning lager12,22,23. När de underordnade strukturer går in i det inre skiktet av NSL, sträcks sin form på grund av relativt hög hastighet komponenten i längsgående riktning nära vortex kärnan. Under experimentet noteras det att flödet struktur av inkomst av näringsverksamhet är ganska stillastående, utom på LEV uppdelning plats. Detta resultat visar att denna rök flöde visualisering metod kan uppnå en bra balans mellan lokala litet flöde struktur och den globala flödet struktur evolutionen.
Figur 4 visar typiska partikel bilderna i en 64 x 64 pixel region, tagna från PIV mätning. I området förhör 32 x 32 pixel i ram A finns det 10 identifierade partiklar, markerade med gula cirklar. Efter tidsintervall mellan två ramar, dessa partiklar tränga undan till nya platser, som visas i bildrutan B. Förskjutningarna är ungefär en fjärdedel av området förhör, vilket resulterar i en nästan 70% överlappning mellan dessa förhör områden. Dessutom kvar nästan alla partiklarna i laser ark planet, som anger att inställningsparametrar valdes lämpligt för detta fall.
Figur 5 visar tid-genomsnitt PIV resultaten i avsnitten streamwise och spanwise cross. Innan mätningarna utförs, bedrivs förbättrad rök flöde visualiseringen för att identifiera den primära vortex core ståndpunkten, följande steg 2.1.1 - 2.1.3. Koordinaterna i figur 5 är normaliserade av deltavinge ackord längd c och den lokala semispan längden SL. Vorticity 
är normaliserat som ω * = ωU∞/c. Primära vortex kärnan lätt kan identifieras av Böjningar fodra av de positiva och negativa vorticities enligt detta resultat, och det är märkt med den svarta streckade linjen. I den övre och nedre regioner visar rullande skjuvning lager stora vorticities. Λci kriterium24,25 används för att identifiera virvlar från PIV mätning. I figur 5illustrerar de heldragna linjerna regionen med en lokal virvlande styrka som är lägre än noll, som visar förekomsten av virvlar. Nära kärnan, de underordnade strukturer sträcks och visas inte i virvlande styrka konturen. Koncentrerad vorticity kontur fortfarande antyder dock de underordnade strukturer här, präglad av den vita streckade linjen. I Figur 5billustrerar velocity vektor kartan tydligt att på varje sida, flödet separerar i framkant och utgör en stark skeva lager, som senare rullar in i LEV-kärnan. Komplement till flöde strukturen i streamwise tvärsnittet, spanwise flöde strukturen visar tydligt utvecklingen av de yttre vortical på nationell nivå.
Figur 1: scheman över uppställningar. (a) med deltavinge förebild. (b-d) uppställningar för PIV mätning i längsgående tvärsnitt, spanwise tvärsnitt och det tvärgående tvärsnittet, respektive. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: mätning av LEV uppdelning platsen. (a) en rök flöde visualisering resultatet visar ledande vortex strukturen i tvärgående tvärsnittet: α = 34 ° och Re = 50.000; det markerade området roteras och bearbetas vidare. (b) binära bilden av det markerade området i a, tydligt visar LEV kärna och uppdelning. (c) summering av varje kolumn i den binära bilden (b) och identifierade LEV uppdelning platsen i streamwise riktning (x-riktning), normaliserade av ackord längd c. (d) tid historia av LEV uppdelning platser. 
är den tid i det genomsnittliga positionen och 
är omedelbar avståndet till tid i det genomsnittliga position. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: ledande vortex strukturen i längsgående tvärsnittet på α = 34 ° och Re = 75.000, erhållits från rök flöde visualiseringen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: partikel bilder i en 64 x 64 pixel region. Området för motsvarande förhör är 32 x 32 bildpunkter. Tidsintervallet mellan ramar A och B är 80 mikrosekunder. Identifierade partiklar i det ursprungliga förhör området markeras med gula cirklar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: tid-genomsnitt PIV resultat. (en) dimensionslös vorticity ω * kontur med heldragna linjer märkning regionerna med lokala virvlande styrka lägre än noll i längsgående tvärsnittet. (b), Dimensionless vorticity ω * kontur med velocity vektorer i spanwise tvärsnittet på x = 0,4c; koordinaterna är normaliserade av lokala semispan längden SL (α = 34 ° och Re = 50.000). Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 visualiseringen kan få globala flödet struktur och små lokala strukturer på samma gång, vilket är praktiskt för att få en översikt över en okänd flöde struktur. Den kvantitativa PIV-analysen ger en detaljerad vektor karta över fältet intressant flöde. Alltså kan att kombinera dessa metoder för visualisering av flödet avsevärt förbättra forskningens effektivitet.
Jämfört med normala rök tråd flöde visualisering, bedrivs rök flöde visualisering metoden visat här ganska effektivt. Eftersom partiklarna är jämnt fördelad, identifieras enkelt litet flöde strukturer. I en komplex tredimensionell flöde kan med denna metod bladet laser inrättas på någon rumsliga position att observera fälten flödet i olika tvärsnitt, medan i den traditionella rök banköverföring, laser bladet måste alltid anpassas till röken riktning och fönstret observation är följaktligen begränsad26. Dessutom bör förbättrade metoden inte missa någon flöde Detaljer orsakas av frånvaro av rök i vissa regioner under en rök tråd experiment. Denna metod skulle dock inte lämplig för oreglerade vindtunnel Faciliteter på grund av hur seedning sker. Visualisering flödesdata bör analyseras noggrant för att undvika fallgroparna i imaginära illuminations3,27.
Eftersom fältet flöde över deltavinge är mycket tredimensionella och känslig för störningar, rekommenderas icke störande undersökningar21. För mätningar i flygplan är det viktigt att beakta komponenten ortogonala hastighet på observation planet under PIV mätning28,29. I detta fall bör tidsintervallet mellan två ramar och laser plåttjocklek vara en kompromiss med ortogonala hastigheten att se till att de flesta av partiklarna inte flyttar ut bladet laser. För liknande mätningar föreslås det för att köra flera fall med olika inställningsparametrar i förväg för att identifiera de mest lämpliga.
Flöde visualisering metoderna som beskrivs i detta dokument är bekväm, effektiv och billig. I framtiden, dessa tekniker kommer att tillämpas på komplexa flöde fält med aktiva flödeskontroll, såsom bluffa kroppen dra minskning och vortex-struktur interaktion, att utvärdera kontroll effekter snabbt, förstå kontrollmekanismer och påskynda den optimering av kontrollparametrar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna har något att avslöja.
Acknowledgments
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
| 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 |
References
- Smits, A. J. Flow visualization: Techniques and examples. , World Scientific. (2012).
- Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. Low-speed wind tunnel testing. , Wiley. New York. (1999).
- Merzkirch, W. Flow visualization. , Academic Press. (1987).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. Particle image velocimetry: A practical guide. , Springer. (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. , Leon, Norway. RTO-MP-069(I) (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).
