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Engineering

Experimentelle Untersuchung der Strömung Struktur über eine Delta-Flügel über Flow Visualisierungsmethoden

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

Summary

Hier präsentieren wir Ihnen ein Protokoll zur instationären bejubelten fließt über eine Delta-Flügel mit einer modifizierten Rauch Fluss Visualisierungstechnik beobachten und untersuchen den Mechanismus für die Schwingungen der führende Wirbel Aufschlüsselung Standorte verantwortlich.

Abstract

Es ist bekannt, dass das Strömungsfeld über eine Delta-Flügel von ein paar Zähler rotierenden Vorderkante Wirbel (LEV) dominiert wird. Ihr Mechanismus ist jedoch nicht gut verstanden. Der Fluss Visualisierungstechnik ist eine vielversprechende berührungslose Methode um das komplexe Strömungsfeld räumlich und zeitlich zu veranschaulichen. Eine grundlegende Fluss Visualisierung Setup besteht aus einem High-Power-Laser und optische Linsen, Laser-Blatt, eine Kamera, ein Tracer-Partikel-Generator und Datenverarbeiter zu generieren. Der Windkanal-Einrichtung, die Spezifikationen der beteiligten Geräte und die entsprechenden Parameter-Einstellungen sind abhängig von der Strömung Funktionen abgerufen werden.

Normal Rauch Draht Visualisierung verwendet einen Rauch Draht fließen streichlinien nachweisen. Allerdings ist die Leistung dieser Methode durch schlechte räumliche Auflösung begrenzt, wenn sie in einem komplexen Feld durchgeführt wird. Daher wurde eine verbesserte Rauch Fluss Visualisierungstechnik entwickelt. Diese Technik zeigt die groß angelegte globale LEV Strömungsfeld und der Schichtaufbau fließen kleine Schere zum gleichen Zeitpunkt bietet ein wertvolles Nachschlagewerk für später detaillierte Particle Image Velocimetry (PIV) Messung.

In diesem Papier zeigt die Anwendung der verbesserten Rauch Visualisierung und PIV-Messung, die Phänomene der instationären Strömung über eine Delta-Flügel zu studieren. Die Verfahren und Hinweise zur Durchführung des Experiments aufgeführt sind, einschließlich der Windkanal Setup, Datenerfassung und Datenverarbeitung. Die repräsentativen Ergebnisse zeigen, dass diese beiden Fluss Visualisierungsmethoden effektive Techniken für die Untersuchung der dreidimensionales Strömungsfeld, qualitativ und quantitativ.

Introduction

Bereich Durchflussmessung über Visualisierungstechniken ist eine grundlegende Methodik in der Fluidtechnik. Unter den verschiedenen Visualisierungstechniken sind Rauch Draht Visualisierung im Windkanal Experimente und Farbstoff Visualisierung im Tunnel Wasserexperimente die am weitesten verbreitete Fluss Strukturen qualitativ zu veranschaulichen. PIV und Laser Doppler Messung (LDA) sind zwei typische quantitative Techniken1.

In Rauch Draht Visualisierung Rauch streichlinien erzeugt aus Öltröpfchen auf ein Heizdraht oder während der Experimente aus dem äußeren Rauch Generator/Behälter injiziert. Hochleistungs-Licht oder Laser-Blätter werden verwendet, um den Rauch streichlinien beleuchten. Bilder werden dann für die weitere Analyse aufgezeichnet. Dies ist eine einfache, aber sehr nützliche Fluss Visualisierung Methode2. Die Wirksamkeit dieser Methode kann jedoch durch verschiedene Faktoren, wie die kurze Dauer der Rauch Drähte, die komplexe dreidimensionale Strömungsfeld, die relativ hohe Geschwindigkeit der Strömung und die Effizienz der Rauchentwicklung3beschränkt werden.

In PIV-Messungen ein Querschnitt durch ein Strömungsfeld mit mitgeführten Partikel wird durch eine Laser-Blatt beleuchtet und sofortige Positionen der Teilchen in dieser Querschnitt sind von einer Highspeed-Kamera eingefangen. In einer extrem kleinen Zeitintervall wird ein paar Bilder aufgezeichnet. Durch die Bilder in ein Raster von Verhör Bereiche aufzuteilen und die durchschnittliche Bewegung von Teilchen in Verhör Bereichen durch Kreuzkorrelation Funktionen berechnen, erhalten Sie die momentane Geschwindigkeit Vektorkarte in dieser beobachteten Querschnitt. Es ist jedoch auch bekannt, dass Kompromisse für Faktoren wie die Größe des Fensters Beobachtung, die Auflösung der Geschwindigkeit Karte, der geschwindigkeitsbetrag in der Ebene, der zeitliche Abstand zwischen den beiden Bildern, die orthogonal Geschwindigkeit erreicht werden muss Größe, und die Partikel Dichte4. Daher können viele explorative Experimente mussten die experimentelle Einstellungen zu optimieren. Es wäre teuer und zeitaufwändig zu untersuchen, eine unbekannte und komplexe Strömungsfeld mit PIV Messung allein5,6. In Anbetracht der oben genannten Bedenken eine Strategie verbinden Rauch Visualisierung und PIV Messung vorgeschlagen und hier demonstriert, um die komplexe Warenströme über eine schlanke Deltaflügel zu studieren.

Zahlreiche Studien von LEV strömt über Deltaflügel wurden durchgeführte7,8, mit Fluss-Visualisierungs-Techniken als die primären Tools verwendet. Viele interessante Strömungsphänomenen eingehalten worden: Spirale Typ und Blase Typ Vortex Pannen9,10, einer instationären Scherung Schicht Unterkonstruktion11,12, Schwingungen der LEV Aufschlüsselung Standorte13 , und Effekte von Pitch und Yaw Winkel14,15,16 auf die Fluss-Strukturen. Die zugrunde liegenden Mechanismen etwas unsicher Phänomene in der Deltaflügel fließt jedoch unklar7. In dieser Arbeit wird der Rauch Visualisierung verbessert mit der gleichen Ausgangswerten Partikeln in PIV Messung statt Rauch Draht verwendet. Diese Verbesserung stark vereinfacht die Bedienung der Visualisierung und erhöht die Qualität der Bilder. Basierend auf den Ergebnissen aus der verbesserten Rauch Fluss-Visualisierung, PIV Messung konzentriert sich auf die Strömungsfelder von Interesse, die quantitative Informationen zu erwerben.

Hier ist eine detaillierte Beschreibung zu um erklären, wie eine Fluss-Visualisierung-Experiment in einem Windkanal durchzuführen und zu untersuchen, schwankenden Strömungsphänomenen über eine Delta-Flügel. Zwei Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, werden gemeinsam in diesem Experiment verwendet. Das Verfahren beinhaltet Anleitungen für Setup und Parameter Geräteeinstellung. Typische Ergebnisse werden gezeigt, um den Vorteil der Kombination dieser beiden Methoden für die Messung der komplexen Strömungsfeld, räumlich und zeitlich zu zeigen.

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Protocol

(1) Windkanal-Setup

  1. Deltaflügel-Modell
    1. Bauen Sie ein Delta-Flügel Modell aus Aluminium, mit einem Sweep Winkel φ von 75°, ein Akkord Länge c 280 mm, eine Wurzel Span b 150 mm und einer Dicke von 5 mm. Haben beide Kanten abgeschrägt bei 35°, die Trennung Punkt17 zu beheben (siehe Abbildung 1a).
  2. Windkanal-Anlage
    1. Durchführen Sie Experimente in einem geschlossenen Regelkreis Lowspeed Windkanal mit einer Messstrecke von 2,4 m (Länge) × 0,6 m (Breite) × 0,6 m (Höhe), die mit Glaswänden ausgestattet ist, die optischen während der Experimente Zugriff. Die turbulente Intensität einer solchen Anlage betragen weniger als 0,4 %.
      Hinweis: In dieser Studie verwendeten wir Windkanal an der Hong Kong Polytechnic University mit den oben genannten Eigenschaften. Auch die filmkühlung Geschwindigkeit U∞ reichten von 2,64 m/s auf 10,56 m/s, entspricht einem Reynolds-Zahl Re, 5 × 104 bis 2 × 105, basierend auf der Sehnenlänge des Delta-Flügel, die die typische Reichweite ist für eine unmanned aerial vehicles (UAV).
    2. Bei Bedarf nutzen Sie drei unterschiedliche Regelungen (siehe Abbildung 1 b-d) Laser-Blatt und die Kameras, um die Fluss-Strukturen in der Längsrichtung Querschnitt, span-wise Querschnitt und der transversalen Querschnitt zu beobachten. Schaltpläne des Setups sind in Abbildung 1 bdargestellt.
      Hinweis: Dieses Protokoll zeigt das Setup und die Messung in der Längsrichtung Querschnitt im Detail.
  3. Installieren Sie die Delta-Flügel
    1. Befestigen der Delta-Flügel-Hinterkante auf den Stachel, die auf eine Kreisbewegung-Anleitung zum Einstellen des Anstellwinkels (AoA), αverwendet. Das Zentrum der kreisführung ist auf der Zentrallinie der Windkanal-Messstrecke. So kann der Deltaflügel Zentrum immer im Mittelpunkt der Messstrecke. Passen Sie die AoA zu α = 34 °.
    2. Stellen Sie vorsichtig das Deltaflügel-Modell, um jede Gierwinkel minimieren und roll-Winkel, indem Sie die Messwerte von einem Winkel Meter und ein drei-Achs-Laser-Wasserwaage überprüfen. In der aktuellen Studie ist die Unsicherheit der diese beiden Winkel weniger als 0,1 °.
  4. Richten Sie den Laser-Blatt
    1. Verwenden Sie zwei Laser getrennt, um die Fluss-Strukturen für PIV-Messungen und Rauch Visualisierung zu beleuchten.
      1. Für PIV-Messungen, benutzen einen dual Puls-Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und eine maximale Energie von 600 mJ (einstellbar) für jeden Puls. Steuern sie mit einem Synchronizer mit Transistor-Transistor-Logik (TTL)-Signale (siehe Abbildung 1 b).
      2. Für Rauch Visualisierung, benutzen einen kontinuierlichen Laser mit einer Wellenlänge von 532 nm und einer Leistung von 1 w. Dieser kontinuierliche Laser arbeitet unabhängig. Während der Installation Setup ein Graufilter mit 10 % Durchlässigkeit den Laserstrahl aus Sicherheitsgründen Filtern verwenden.
    2. Geeigneten Laser-Schutzbrille zu tragen.
    3. Passen Sie die Reflexion Spiegel den Laserstrahl in den Windkanal einzuführen. Der Winkel zwischen der Laser-Licht-Achse und der Spiegel ist Equation 1 , um den Laserstrahl senkrecht zur Fläche Deltaflügel machen. Sicherzustellen, dass der Laserstrahl auf die Position x/c ≅ 0,25, die später das Zentrum der das Sichtfeld (FOV) werden.
    4. Installieren Sie Laseroptik (mit dem kontinuierlichen Laser, auf den ersten) um die Laser-Blatt zu bilden, wie in Abbildung 1 bgezeigt. Die konvexe Linse dient zur Steuerung der Laserstrahl Größe (auch die Blechstärke). Zylinderlinse erweitert den Laserstrahl auf ein Laser-Blatt.
      Hinweis: In der aktuellen Studie, die Brennweite der Zylinderlinse ist 700 mm und der Durchmesser der Zylinderlinse beträgt 12 mm.
    5. Überprüfen Sie die Laser-Blechstärke durch Messung der Laserlinie auf dem Modell. Ändern Sie die Position der konvexe Linse, wenn die Laser Blechdicke nicht geeignet ist (in diesem Fall etwa 1 mm, mit einer wirksamen Breite von der Laser-Blatt in der Messstrecke von ca. 100 mm). Beachten Sie, dass die Blechdicke Laser (1) die Geschwindigkeitskomponente in Richtung der normalen Laser-Blatt und (2) das Zeitintervall zwischen den beiden Schnappschüsse in PIV Messung abhängig ist.
    6. Setzen Sie eine Kalibrierung Zieltafel auf dem Delta-Flügel, mit seiner Oberfläche deckungsgleich zu den Laser-Blatt. Dieser Schritt ist notwendig, da die FOV in der vorliegenden Studie nicht orthogonal zu den Windkanal-Koordinate ist.
  5. Kamera-setup
    1. Schalten Sie den Laser beim Einrichten der Kameras. Wie bei den Lasern, verwenden Sie zwei Kameras für jeden separaten Teil dieses Experiments:
      1. Für PIV Messungen Verwenden einer Highspeed-CCD-Kamera mit einer Auflösung von 2048 × 2048 Pixel. Diese Kamera wird gesteuert von der Synchronizer und dual Puls laser (siehe Abbildung 1 b). Daten in dieser Kamera werden direkt an den Computer übertragen werden.
      2. Verwenden Sie für Rauch Visualisierung eine kommerzielle digitale Kamera mit einer Snapshot-Auflösung von 4.000 x 6.000 Pixel und einer Videoaufzeichnung 50 Hz Auflösung von 720 × 1280 Pixel während der Rauch Visualisierung. Es wird manuell bedient werden.
    2. Bewegen Sie die Position der Kamera (auf den ersten kommerziellen Digitalkamera), die gewünschte FOV zu erhalten. Stellen Sie das Objektiv der Kamera auf die Kalibrierung Zieltafel konzentrieren. Stellen Sie sicher, dass das gesamte Feld konzentriert. Ist dies nicht der Fall, die Koordinaten der Kamera möglicherweise nicht orthogonal zur Kalibrierung-Zieltafel. Stellen Sie die Kamera positionieren sorgfältig18.
    3. Nehmen Sie mehrere Frames, nachdem die Kamera gut eingestellt ist. Später werden diese Frames Ziel Kalibrierplatte, den Skalierungsfaktor zwischen der tatsächlichen Größe und Frame-Pixel zu kalibrieren und die Referenzposition in die Xyz-Koordinate zu identifizieren verwendet werden. Dann entfernen Sie die Kalibrierung Zieltafel.
  6. Schalten Sie den Windkanal bei niedriger Drehzahl (z.B. 3 m/s) und injizieren Sie Ölpartikel in den Windkanal zu. Stellen Sie den Druck der Aerosol-Generator bei 2,5 Bar und betreiben Sie es für 30 s für die Pre-gesäten Flow-Visualisierung-Methode. Danach wird die gesamte Windkanal gleichmäßig mit Ölpartikeln bei einem normalen Durchmesser von etwa 1 µm ausgesät.
    Hinweis: In der aktuellen Studie, die geschätzte Öl Dichte Partikelkonzentration im Windkanal ist etwa Equation 2 in den Rauch Visualisierung; Somit ist der gesamte Fluss Dichteänderung im Windkanal Equation 3 .
  7. PIV-Software-setup
    1. Das PIV-System mit der PIV-Software Steuern (siehe Tabelle der Materialien). Diese Software kann den Synchronizer TTL-Signale an den Laser und die Kamera senden Befehl, wie in Abbildung 1 bgezeigt.
    2. Legen Sie die Sampling-Frequenz bei 5 Hz, mit einer gesamten Probenahme-Reihe von 500. Das Zeitintervall zwischen den PIV-Frames ist 80 µs. Beachten Sie, dass der zeitliche Abstand abhängig von der Größe der FOV und Flow Geschwindigkeit ist. Stellen Sie sicher, dass die Vernehmung Bereiche in zwei Frames über eine Überlappung von 50-75 %.

2. Durchführung des Experiments

  1. Verbesserte Rauch Visualisierung
    1. Schalten Sie den Windkanal die gewünschte filmkühlung Geschwindigkeit (U = 2,64 m/s). Führen sie für 10 min die filmkühlung Geschwindigkeit zu stabilisieren. Bei Re = 50.000, die filmkühlung Geschwindigkeit ist U = 2,64 m/s.
    2. Schalten Sie den kontinuierlichen Laser. Verwenden Sie die Digitalkamera, um 5-10 Schnappschüsse von der Strömung Struktur zu erfassen.
    3. Überprüfen Sie, ob der Laser-Blatt längs Querschnitt des LEV-Kern (siehe die typische Struktur, siehe Abbildung 3). Wenn ja, markieren Sie diese Position auf dem Deltaflügel-Modell als Referenz für die späteren PIV-Messung; andernfalls ändern Sie die Position des Laser-Blatt durch die Anpassung der optischen Linse und Zurücksetzen Sie die folgenden Schritte 1.4.6 - 1.5.3 Kalibrierung.
    4. Überprüfen Sie die Bilder und den Fokus und Helligkeit. Wenn die Bildqualität nicht zufrieden stellend ist, stellen Sie die Blende des Objektivs oder die ISO-Einstellung.
    5. Weitere Schnappschüsse (in der Regel etwa 20) und Videos (ca. 40 s) mit dem richtigen Setup. Schalten Sie den Laser und übertragen Sie die Daten auf den Computer.
  2. PIV-Messung
    1. Wählen Sie anhand der Referenzposition bekannt aus Schritt 2.1.3 und die Ergebnisse der Snapshots aus Schritt 2.1.5 ein interessantes Gebiet (X/c≈ 0,3) als die FOV, wo bejubelten Teilstrukturen beobachtet werden. Ersetzen Sie die kontinuierliche Laser und Digitalkamera mit dual Puls Laser und CCD-Kamera für PIV-Messungen.
    2. Wiederholen Sie die Schritte 1.4.6 - 1.5.3 die Kalibrierung für PIV Messungen aufzeichnen.
    3. Schalten Sie den Windkanal die gewünschte filmkühlung Geschwindigkeit, U = 2,64 m/s. führen Sie es für 10 Minuten, um sicherzustellen, dass die filmkühlung Geschwindigkeit stabil ist.
    4. Die dual Impuls-Laser auf der höchsten Leistungsstufe einstellen und stehen. Mithilfe der Software starten Sie die Datenerfassung für 100 s. Sobald die Datenaufzeichnung beendet ist, schalten Sie den Laserkopf.
    5. Überprüfen Sie die aufgenommenen Bilder in der Software und überprüfen Sie die Laser-Blatt-Verteilung, die Teilchendichte (in der Regel 6 bis 10 Partikel in jedem gewünschten Verhör-Bereich), im Mittelpunkt und die Partikel-Verschiebung zwischen den doppelten Rahmen (25-50 % der Vernehmung Bereich).
    6. Wenn die Qualität der Bilder zufriedenstellend, ist wie unter Punkt 2.2.5 beschrieben., sichern Sie die Daten auf die Festplatte des PCs und anderen Fällen von wiederholen Sie die obigen Schritte ausgeführt. Andernfalls wiederholen Sie die Schritte 1.7 und 2.2 und passen Sie sorgfältig das Setup an.

(3) die Verarbeitung der Daten

  1. Verbesserte Rauch Visualisierung
    Hinweis: Die folgenden Schritte, 3.1.1-3.1.4, erfolgen automatisch über MATLAB-Code (siehe Zusätzliche Codierung Datei).
    1. Verwandeln Sie das Video in einer Sequenz von Frames. Umwandeln Sie die Bilder aus dem RGB-Formular in Graustufen. Drehen Sie den Rahmen um die Deltaflügel Oberfläche horizontal auszurichten. Wählen Sie den gewünschten Bereich für die spätere Verarbeitung (Abbildung 2a).
    2. Passen Sie die Helligkeit und den Kontrast die Strömung Struktur hervorheben. Anwenden einer adaptiven Schwellenwerts um das graue Bild, um ein binäres Bild (Abb. 2 b) zu verwandeln.
    3. Addieren Sie die binäre Werte in jeder Spalte und finden Sie die Position, an der die Summe plötzlich ändert. Diese Position ist die Wirbel Aufschlüsselung Lage (Abbildung 2 c).
    4. Aufzeichnen der Wirbel Aufschlüsselung Standorte und ihre entsprechenden Zeiten. So erhalten Sie der zeitlichen Verlauf der Aufschlüsselung Oszillation.
    5. Verwenden Sie die Pixel-Real Größe Maßstabsfaktor (gemessen von den Bildern mit der Kalibrierung Zieltafel im Schritt 1.5.3), um den zeitlichen Verlauf von Pixeln in Originalgröße zu verwandeln und die Referenzposition zu identifizieren. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Aufschlüsselung Oszillation.
  2. PIV-Messung
    1. Die PIV-Software ausführen. Verwenden Sie die Bilder erwarb Schritt 2.2.2 der Skalierungsfaktor und die Referenzposition der Koordinaten festlegen. Vorverarbeitung der erfassten Daten durch die Bild-Verarbeitung-Bibliothek markieren die Partikel zu reduzieren Lärm18.
    2. Verwenden Sie die adaptive Verhör Bereich Methode mit einer minimalen Rastergröße von 32 × 32 Pixel und eine minimale Überlappung von 50 %. Wählen Sie den Bildbereich und legen Sie eine 3 x 3-Vektor-Validierung für die adaptive Cross-Korrelationen.
    3. Das Ergebnis wird als ein Vektor Geschwindigkeitsfeld gegeben, in denen die blauen Vektoren die richtigen Vektoren sind, die Grünen sind die ersetzten Vektoren und die roten sind schlechte Vektoren.
    4. Gelten Sie die 3 x 3 bewegen durchschnittliche Validierungsmethode, die lokale Geschwindigkeit durch den Vergleich der Vektoren in seiner Nachbarschaft zu schätzen. Ersetzen Sie Vektoren, die zu viel von ihren Nachbarn mit dem Durchschnitt ihrer Nachbarn abweichen.
    5. Berechnen Sie Vektor-Statistiken in der Geschwindigkeit Karten um die Fließeigenschaften im Zeitverlauf, z. B.die Zeit gemittelte Geschwindigkeit, die Standardabweichung und die Kreuzkorrelation zwischen Geschwindigkeitskomponenten zu erhalten. Berechnen Sie die skalare Derivate aus der Vektorkarte, die Innenausstattung des Strömungsfeldes, z. B.die Vorticity, Schubspannungen und wirbelnden Stärke zu demonstrieren.

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Representative Results

Abb. 2d zeigt die Zeitverläufe der LEV Aufschlüsselung lagen. Die schwarze Kurve zeigt die Backbordseite LEV und die rote Kurve zeigt die Steuerbord LEV. Die Zeitskala ist nondimensionalized durch die kostenlosen Online Stream Geschwindigkeit und Akkord-Länge. Der Korrelationskoeffizient zwischen diesen beiden Zeitverläufe ist R = −0.53, zeigt eine starke Anti-symmetrische Interaktion der LEV Aufschlüsselung Lage Schwingungen. Dieses Ergebnis stimmt gut mit der Arbeit anderer13,19,20.

Abbildung 3 zeigt die LEV Strömung Struktur im längs-Querschnitt bei α = 34 ° und Re = 75.000. Das ursprüngliche Bild wurde von der Digitalkamera in RGB-Form, mit einer Belichtungsdauer von 1/500 Sekunden erobert. In dieser Abbildung ist die Koordinate durch die Deltaflügel Sehnenlänge normalisiert. Eine 10 mm-Skala ist in der oberen rechten Ecke als Referenz aufgetragen. Das Ergebnis zeigt deutlich den primären LEV-Kern, der auf die nachgelagerten in einer geraden Linie von der Spitze des Delta Flügel entwickelt. Neben der Position x = 0,19 c, plötzlich die Vortex Core erweitert. Dieses bekannt als die Vorderkante Wirbel Aufschlüsselung9,21. Nach dem Zusammenbruch Standort wird infolge turbulent. Um den primären LEV-Kern sind bejubelten Kleinstrukturen. Diese Teilstrukturen stammen aus den Vorderkanten und wirbeln um den primärwirbel Kern in das aufrollen Shear Layer12,22,23. Da die Unterkonstruktionen in die innere Schicht der LEV zu verschieben, wird ihre Form aufgrund der relativ hohen Geschwindigkeitskomponente in Längsrichtung in der Nähe von Vortex Core gestreckt. Während des Experiments ist anzumerken, dass die Strömung Struktur der LEV ziemlich stationär, außer an der LEV Aufschlüsselung Stelle befindet. Dieses Ergebnis zeigt, dass dieser Rauch Flow-Visualisierung-Methode eine gute Balance zwischen der lokalen kleine Strömung Struktur und die weltweiten Warenströme Struktur Entwicklung erreichen kann.

Abbildung 4 zeigt die typische Partikelbilder in einer Region, 64 x 64 Pixel, eingefangen von PIV-Messung. Im Verhör Bereich 32 x 32 Pixel im Frame A sind 10 identifizierten Teilchen, durch gelbe Kreise gekennzeichnet. Nach dem Zeitintervall zwischen zwei Frames verdrängen diese Partikel zu neuen Orten, wie in Bild b dargestellt. Die Verschiebungen sind etwa ein Viertel des Gebiets Verhör, wodurch eine fast 70 % Überlappung zwischen diesen Bereichen Verhör. Darüber hinaus bleiben fast alle Partikel in der Laserebene Blatt, darauf hinweist, dass der Setup-Parameter für diesen Fall entsprechend ausgewählt wurden.

Abbildung 5 zeigt die Zeit gemittelt PIV-Ergebnisse in die streamwise und spanwise Querschnitte. Bevor diese Messungen durchgeführt werden, ist die verbesserte Rauch Visualisierung durchgeführt, um die primärwirbel Kern Position, folgende Schritte 2.1.1 - 2.1.3 zu identifizieren. Die Koordinaten in Abbildung 5 sind die Deltaflügel Akkord Länge c und die lokale semispan Länge SLnormalisiert. Die wirbelstärke Equation 4 wird als normalisiert ω * ωU∞=/c. Nach diesem Ergebnis der primärwirbel Kern durch die Flexion-Linie von der positiven und negativen Vorticities leicht identifiziert werden kann, und zeichnet sich durch die schwarze gepunktete Linie. In den oberen und unteren Regionen zeigen die rollenden scher Schichten große Vorticities. Die λCi Kriterium24,25 wird verwendet, um die Wirbel von PIV-Messungen zu ermitteln. In Abbildung 5illustrieren die durchgezogenen Linien die Region mit einer lokalen wirbelnden Stärke niedriger als NULL ist, zeigt die Existenz von Wirbeln. In der Nähe des Kerns der Unterkonstruktionen werden gedehnt und erscheinen nicht in der wirbelnden Stärke Kontur. Konzentrierte Vorticity Kontur empfiehlt jedoch, noch die Unterstrukturen hier, durch die weiße gepunktete Linie markiert. In Abbildung 5 bverdeutlicht die Geschwindigkeit Vektorkarte, dass auf jeder Seite der Fluss an vorderster Front trennt und bildet eine starke Scherung-Schicht, die später in den LEV-Kern rollt. Ergänzend zu der Strömung Struktur im streamwise Querschnitt, die spanwise Strömung Struktur zeigt deutlich die Entwicklung der äußeren bejubelten Unterkonstruktionen.

Figure 1
Abbildung 1: Schaltpläne von Setups. (a) der Deltaflügel-Modell; (b-d) -Setups für PIV-Messungen in der Längsrichtung Querschnitt, spanwise Querschnitt und der transversalen Querschnitt bzw.. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Messung des Standortes LEV Aufschlüsselung. (a) ein Rauch Fluss Visualisierung Ergebnis zeigt die führende Vortex-Struktur in der transversalen Querschnitt: α = 34 ° und Re = 50.000; der markierte Bereich wird gedreht und weiter verarbeitet. (b) die binäres Bild des markierten Bereichs (a), klar hervorgeht, der LEV Kern und Abbau. (c) die Summierung der jede Spalte in der binären Bild (b) und die identifizierten LEV Aufschlüsselung Lage in die streamwise Richtung (X-Richtung), durch den Akkord Länge cnormiert. (d) die Zeitverläufe der LEV Aufschlüsselung lagen. Equation 5 ist die Zeit gemittelte Position und Equation 6 ist die sofortige Entfernung zu der Zeit gemittelte Position. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3: die führende Vortex Struktur im längs-Querschnitt bei α = 34 ° und Re = 75.000, gewonnen aus dem Rauch Visualisierung. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 4
Abbildung 4: Partikelbilder in einer Region, 64 x 64 Pixel. Der entsprechenden Verhör-Bereich ist 32 x 32 Pixel. Der zeitliche Abstand zwischen den Bildern A und B ist 80 Mikrosekunden. Die identifizierten Partikel im Bereich original Verhör sind durch gelbe Kreise markiert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 5
Abbildung 5: Zeit gemittelt PIV Ergebnisse. (ein) dimensionslose wirbelstärke ω * Kontur mit durchgezogenen Linien markieren die Regionen mit lokalen wirbelnden Stärke niedriger als in der Längsrichtung Querschnitt auf NULL. (b) Dimensionless wirbelstärke ω * Kontur mit Geschwindigkeitsvektoren im spanwise Querschnitt bei x = 0,4c; Koordinaten werden durch die lokalen semispan Länge SL normalisiert (α = 34 ° und Re = 50.000). Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Dieser Artikel stellt zwei Fluss Visualisierungsmethoden, verbesserte Rauch Visualisierung und PIV-Messung, Strömung Struktur über die Deltaflügel qualitativ und quantitativ zu untersuchen. Die allgemeine Verfahren des Experiments werden Schritt für Schritt beschrieben. Die Setups dieser beiden Methoden sind fast die gleichen, obwohl die beteiligten Geräte unterscheiden. Das Grundprinzip dieser zwei Fluss-Visualisierung-Methoden ist, die Partikel in den Fluss über die Laser-Blatt zu beleuchten. Die verbesserte Rauch Visualisierung kann die weltweiten Warenströme Struktur und kleine lokale Strukturen zur gleichen Zeit erhalten, die hilfreich für den Erhalt einer unbekannten Fluss-Struktur im Überblick. Die quantitative PIV-Analyse liefert eine detaillierte Vektorkarte des Strömungsfeldes interessant. So kann kombiniert diese Strömung Visualisierungsmethoden Forschung Effizienz deutlich verbessern.

Verglichen mit normalen Rauch Draht Visualisierung, wird der Rauch Flow-Visualisierung-Methode demonstriert hier ziemlich effizient durchgeführt. Da die Partikel gleichmäßig verteilt sind, sind kleine Strömung Strukturen leicht erkennbar. In einem komplexen dreidimensionalen Fluss ermöglicht diese Methode der Laser-Blatt an jede räumliche Position eingerichtet werden, die Strömungsfelder in verschiedenen Querschnitten zu beobachten während der Laser-Blatt in der traditionellen Rauch Draht-Methode, immer mit dem Rauch ausgerichtet werden muss Richtung und das Sichtfenster ist entsprechend begrenzt26. Darüber hinaus sollten diese verbesserte Methode Angaben Strömung verursacht durch das Fehlen des Rauches in einigen Regionen während eines Experimentes Rauch Draht nicht verpassen. Diese Methode wäre jedoch nicht geeignet für offene Regelkreis-Windkanal Einrichtungen aufgrund wie Aussaat durchgeführt wird. Bewegungsdaten Visualisierung sollte sorgfältig analysiert werden, um die Fallstricke des imaginären Illuminationen3,27zu vermeiden.

Da das Strömungsfeld über den Delta-Flügel sehr dreidimensional und empfindlich auf jede Störung ist, sind nicht-intrusive Untersuchungen21empfehlenswert. Für Messungen in Ebenen ist es wichtig zu prüfen, die orthogonal Geschwindigkeitskomponente auf der Ebene der Beobachtung während PIV Messung28,29. In diesem Fall sollte das Zeitintervall zwischen zwei Frames und die Laser-Blechstärke einen Kompromiss mit der orthogonalen Geschwindigkeit um sicherzustellen, dass die meisten Partikel, die Laser-Blatt nicht bewegen. Für ähnliche Messungen wird empfohlen, um mehrere Fälle mit verschiedenen Setup-Parameter im Voraus zu identifizieren, die am besten geeigneten zu laufen.

Der Fluss Visualisierungsmethoden in diesem Dokument beschriebenen sind bequeme, effiziente und kostengünstige. In der Zukunft diese Techniken angewendet um komplexe Strömungsfelder active Flow Control, wie bluff Body-drag Reduktion und Vortex-Struktur Interaktion kontrolleffekte schnell beurteilen, verstehen, Kontrollmechanismen und beschleunigen die Optimierung der Regelparameter.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren möchte Hong Kong Research Grants Council (No. GRF526913), Hong Kong Innovation and Technology Kommission (No. ITS/334/15FP), und die uns Büro von Naval Research Global (No. N00014-16-1-2161) für die finanzielle Unterstützung.

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

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Technik Ausgabe 134 Deltaflügel Rauch Visualisierung Vorderkante Vortex Vortex Aufschlüsselung Vortex Oscillation Particle Image Velocimetry
Experimentelle Untersuchung der Strömung Struktur über eine Delta-Flügel über Flow Visualisierungsmethoden
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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).

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