שלירן הדמיה: טכניקה לדמיין תכונות זרימה על קולית

זרימה דחוסה, או זרימה במהירות גבוהה, מתרחשת כאשר נוזלים חווים שינויים משמעותיים בצפיפותם. כאשר זרימה על-קולית עוברת על ידי גוף, גלי הלם וגלי התרחבות נוצרים סביב הגוף. גל הלם הוא אזור דק מאוד, בסדר גודל של^10-5 מ ', שבו תכונות הזרימה משתנות באופן משמעותי. גל התפשטות מתרחש כאשר הלחץ יורד ברציפות על פני גל ומהירות הזרימה עולה.

שיטת ההדמיה schlieren היא טכניקת הדמיית זרימה מבוססת צפיפות המזהה שינויים באינדקס השבירה של נוזל, שהוא פרופורציונלי לשינויים בצפיפות הנוזלים על פני גלי הלם או התרחבות. זה מאפשר הדמיה של דפוסי גלי הלם והתרחבות בשדות זרימה על-קוליים.

כפי שמוצג באיור 1, מערכת הדמיה שלירן ממירה הבדלים באור זוויתי, אשר נגרמת על-ידי שיפוע הצפיפות בזרימה, להבדלים בעוצמת האור על המסך. תופעות הזרימה נראות על ידי שינויי הצפיפות הטבועים. כפי שניתן לראות באיור 1, אור מקביל מקורו במקור אור דרך נקודת המוקד של עדשה קמרה, L1, ומאיר שדה זרימה דחוס בקטע הבדיקה של מנהרת רוח על-קולית. לאחר נסיעה דרך קטע הבדיקה, קרן האור של האירוע מתכנסת דרך עדשה L2 בנקודת המוקד שלה ונוסעת עוד יותר עד שהיא מוקרן על מסך. קצה הסכין, K, הממוקם במישור המוקד של העדשה L2 הוא קריטי בהבטחת איכות התמונה על המסך. חסימת חלק מהאור המוסטה משפרת באופן משמעותי את הניגודיות של התמונה המוקרנת על המסך. ללא חסימה מתאימה על ידי קצה הסכין, הראות של אור האירוע המוסטה דרך הנוזל המשתנה בצפיפות תיפגע.

איור 1: שרטוט של מערכת הדמיה schlieren מראה את האור הסטייה נחסם על ידי קצה הסכין, K,הממוקם במישור המוקד של עדשה L2.

מערכת ההדמיה שלירן המשמשת בניסוי זה מוצגת באיור 2, והיא הגדרה חלופית לזה המוצג באיור 1. ההבדל העיקרי בין שתי התצורות הוא שזוג העדשות הקומורות באיור 1, בעוד שזוג עדשות קמורות משמש באיור 2. כל הרכיבים האחרים זהים.

איור 2: סכמטי של מערכת ההדמיה schlieren בשימוש בהדגמה.

1. הדמיית גלי הלם באמצעות מערכת הדמיה שלירן

1. הפעל את מגדלי המייבש כדי לייבש את האוויר. זה יבטיח כי זרימת האוויר אינה מכילה לחות, וימנע היווצרות קרח כאשר הטמפרטורה המקומית בחלק הבדיקה יורדת בשל הזרימה העל קולית.
2. פתח את מקטע הבדיקה ואבטח את דגם החרוט בחצי זווית של 15° למבנה התמיכה.
3. בדוק אם מקטע הבדיקה נקי מפסולת או מאובייקטים אחרים ולאחר מכן סגור את מקטע הבדיקה.
4. ודא שהשסתום הראשי לבקרת זרימת האוויר סגור, ואז הפעל את המדחס כדי ללחוץ על מיכל אחסון האוויר. אפשר למדחס להגיע ל- 210 פסאיי לפני כיבויו.
5. הפעל את הבקר עבור השסתום במהירות גבוהה והגדר את הפרמטרים הבאים המפורטים בטבלה 1.

טבלה 1: פרמטרי בקרה עבור הפעלת Mach 2.

6. הפעל את מאוורר האור והקירור של מערכת ההדמיה שלירן.
7. מקם פיסת נייר בצד הנגדי של מקטע הטקסט ממקור האור.
8. יישר את השיקוף הקדוש הראשון כדי לאפשר לאור לעבור דרך מקטע הבדיקה. תבדוק שהאור פוגע בעיתון.
9. התאם את המראה המקומרת השנייה כך שהאור העובר דרך מקטע הבדיקה ישתקף על מסך הקרנה.
10. התאימו את קצה הסכין כך שיהיה בנקודת המוקד של המראה השנייה. ולהתאים את הצמצם של קצה הסכין כדי להשיג את איכות התמונה הרצויה.
11. מקם מצלמה על חצובה ישירות מול צמצם קצה הסכין כדי להקליט את התמונה המוקרנת.
12. שים את הגנת השמיעה המתאימה, ולבדוק שאף אחד לא ליד פליטת האוויר הממוקם מחוץ לבניין.
13. פתח את אספקת האוויר לבקר שסתום מהיר, ולאחר מכן לפתוח את השסתום הראשי המאפשר אוויר לתוך המערכת.
14. כבה את האור בחדר כך שהתמונה המוקרנת יהיה קל יותר לראות.
15. הפעל את מנהרת הרוח.
16. שימו לב לתמונת שלירן של זרימת האך 2 מעל דגם החרוט.
17. כבה את מנהרת הרוח על ידי סגירת השסתומים בסדר הפוך. לאחר מכן כבה את הבקר.
18. המתן עד שכל האוויר ישוחרר מהמנגנון לפני הסרת הגנת השמיעה שלך.

בהדגמה זו, חרוט עם חצי זווית של 15 מעלות היה נתון לזרימה על קולית ב Mach 2.0. באיור 3 נצפתה התעוררות הלם ומאוורר הרחבה מעל החרוט. תיאורטית, הלם אלחוט צריך להיווצר על פני חרוט בזווית של 33.9°. הזווית הניסיונית נמדדה ל-33.6 מעלות, כפי שניתן לראות מהקו האדום באיור 3B. בהשוואה לנתונים התיאורטיים, נמצא כי השגיאה באחוזים היא פחות מ- 1%. בנוסף, שיטת הדמיה זו של הזרימה הצליחה להציג את מאוורר ההרחבה מעל הקצה הנגרר של המודל.

איור 3: תמונת שלירן של זרימה של Mach 2 מעל חרוט חצי זווית 15°. A) תמונה מקורית. B) תכונות מודגשות המציגות גל הלם בקצה המוביל ומאוורר הרחבה בקצה הנגרר.

טכניקת ההדמיה של שלירן היא טכניקה קלאסית להדמיית זרימה אופטית המבוססת על שינויי צפיפות בנוזל. זוהי מערכת פשוטה הבנויה עם מראות קורות, קצה סכין, ומקור אור. עם מערכת זו, תכונות זרימה על קוליות, כגון גלי הלם וגלי התרחבות, ניתן לדמיין. טכניקה זו, לעומת זאת, יש מגבלות רגישות לזרימות במהירות נמוכה.

שיטת ההדמיה schlieren עשויה לשמש עבור מגוון רחב של יישומים, במיוחד בחקר מכניקת נוזלים ומערבולת הדמיה חזותית. הדמיית שלירן מספקת מידע רב ערך על ההתפלגות המרחבית של מבני זרימה מסובכים בזרימה דחוסה וסוערת ובטיסות מבחן.

טכניקה זו שימשה גם בצילום אוויר-אוויר של מטוסים על-קוליים, הכולל שימוש בשמש ו/או בירח כמקור אור וברצפת המדבר כמשטח ההקרנה כדי לדמיין את גלי ההלם. בדרך כלל, מחשבי-על ובדיקות מנהרות רוח משמשים לחיזוי היווצרות, התפשטות ומיזוג של גלי הלם במטוס. כדי לשפר את איכות התחזיות הללו, מסד נתונים של מדידות בום קולי נאספות במהירויות וגבהים שונים. טכניקה זו מאפשרת הדמיית זרימה על-קולית של מטוס בקנה מידה מלא, ולא דגם מוקטן.

טכניקה זו עשויה להיות מותאמת גם scramjets. Scramjets הם מנועי airbreathing כי להסתמך על המהירות הטהורה של מטוס לדחוס אוויר לתוך המנוע לפני בעירה. הדמיה ממוקדת-שלירן מסוגלת להראות סילוני דלק, מבנים סוערים של ערבוב, וגלי הלם בתוך מנוע scramjet.