Overview
Fonte: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado e Xiaofeng Liu, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, San Diego State University, San Diego, CA
I caccia e i proiettili militari possono volare a velocità incredibili che superano la velocità del suono, il che significa che viaggiano a una velocità supersonica. La velocità del suono è la velocità alla quale un'onda sonora si propaga attraverso un mezzo, che è di 343 m/s. I numeri di Mach vengono utilizzati per misurare la velocità di volo di un oggetto rispetto alla velocità del suono.
Un oggetto che viaggia alla velocità del suono avrebbe un numero di Mach di 1,0, mentre un oggetto che viaggia più velocemente della velocità del suono ha un numero di Mach maggiore di 1,0. Gli effetti di comprimibilità dell'aria devono essere contabilmente spiegati quando si viaggia a tali velocità. Un flusso è considerato comprimibile quando il numero di Mach è maggiore di 0,3. In questa dimostrazione, il flusso supersonico di Mach 2.0 su un cono verrà analizzato visualizzando la formazione di onde d'urto e onde di compressione in flusso comprimibile utilizzando un sistema Schlieren.
Principles
Il flusso comprimibile, o flusso ad alta velocità, si verifica quando i fluidi subiscono cambiamenti significativi nella loro densità. Quando il flusso supersonico passa da un corpo, si formano onde d'urto e onde di espansione intorno al corpo. Un'onda d'urto è una regione estremamente sottile, dell'ordine di 10-5 m, in cui le proprietà del flusso cambiano in modo significativo. Un'onda di espansione si verifica quando la pressione diminuisce continuamente attraverso un'onda e la velocità del flusso aumenta.
Il metodo di imaging schlieren è una tecnica di visualizzazione del flusso basata sulla densità che rileva i cambiamenti nell'indice di rifrazione di un fluido, che è proporzionale ai cambiamenti nella densità del fluido attraverso le onde d'urto o di espansione. Ciò consente la visualizzazione di modelli di onde d'urto e di espansione in campi di flusso supersonico.
Come mostrato nella Figura 1, un sistema di imaging schlieren converte le differenze nella luce angolare, causata dal gradiente di densità nel flusso, in differenze di intensità della luce sullo schermo. Il fenomeno del flusso è visibile dai cambiamenti di densità intrinseci. Come mostrato nella Figura 1, la luce parallela proviene da una sorgente luminosa attraverso il punto focale di una lente convessa, L1, e illumina un campo di flusso comprimibile nella sezione di prova di una galleria del vento supersonica. Dopo aver viaggiato attraverso la sezione di prova, il raggio di luce incidente converge attraverso l'obiettivo L2 nel suo punto focale e viaggia ulteriormente fino a quando non viene proiettato su uno schermo. Il bordo del coltello, K, situato sul piano focale dell'obiettivo L2 è fondamentale per garantire la qualità dell'immagine sullo schermo. Il blocco di parte della luce deviata migliora significativamente il contrasto dell'immagine proiettata sullo schermo. Senza un adeguato blocco dal bordo del coltello, la visibilità della luce incidente deviata attraverso il fluido variabile di densità sarà compromessa.
Figura 1: Schema di un sistema di imaging schlieren che mostra la luce deflessa bloccata dal bordo del coltello, K, situato sul piano focale della lente L2.
Il sistema di imaging schlieren utilizzato in questo esperimento è mostrato nella Figura 2 ed è una configurazione alternativa a quella mostrata nella Figura 1. La principale differenza tra le due configurazioni è che la coppia di lenti convesse nella Figura 1, mentre una coppia di lenti concave sono utilizzate nella Figura 2. Tutti gli altri componenti sono uguali.
Figura 2: Schema del sistema di imaging schlieren utilizzato nella dimostrazione.
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Procedure
1. Visualizzazione delle onde d'urto utilizzando un sistema di imaging schlieren
- Attivare le torri essiccatorie per disidratare l'aria. Ciò garantirà che il flusso d'aria non contenga umidità e impedirà la formazione di ghiaccio quando la temperatura locale nella sezione di prova scende a causa del flusso supersonico.
- Aprire la sezione di prova e fissare il modello a cono semiangolare di 15° alla struttura di supporto.
- Controlla se la sezione di test è libera da detriti o altri oggetti, quindi chiudi la sezione di test.
- Assicurarsi che la valvola principale per il controllo del flusso d'aria sia chiusa, quindi accendere il compressore per pressurizzare il serbatoio di accumulo dell'aria. Lasciare che il compressore raggiunga i 210 psi prima di spegnerlo.
- Accendere il controller per la valvola ad alta velocità e impostare i seguenti parametri elencati nella Tabella 1.
Tabella 1: Parametri di controllo per Mach 2 run.
| PL | 0 | ΔMV | 25 |
| ΔPV | 100 | DVL · | 100 |
| DF | 0.25 | KP | 1.1 |
| LC | SPENTO | Ti | 0.01 |
| RH | 100 | Td | 0 |
| RL | 0 | Rt | 1 |
| PV | -- | B | 0 |
| CV | -- | ΔT | 1 |
| SV | 17 | D/R | REV |
| MV | -25 | VD | REV |
| MODO | Un | MVF · | -25 |
| MH | 100 | PH | 100 |
| ML | 0 |
- Accendere la ventola luminosa e di raffreddamento del sistema di imaging schlieren.
- Posizionare un pezzo di carta sul lato opposto della sezione di testo rispetto alla sorgente luminosa.
- Allineate il primo specchio concavo per consentire alla luce di passare attraverso la sezione di prova. Controllare che la luce colpisca la carta.
- Regolate il secondo specchio concavo in modo che la luce che passa attraverso la sezione di prova venga riflessa su uno schermo sporgente.
- Regolare il bordo del coltello in modo che si trova nel punto focale del secondo specchio. E regola l'apertura del bordo del coltello per ottenere la qualità dell'immagine desiderata.
- Posizionare una fotocamera su un treppiede direttamente davanti all'apertura del bordo del coltello per registrare l'immagine proiettata.
- Indossare la protezione dell'udito appropriata e verificare che nessuno sia vicino allo scarico dell'aria situato all'esterno dell'edificio.
- Aprire l'alimentazione dell'aria al controller della valvola veloce, quindi aprire la valvola principale che consente all'aria di entrare nel sistema.
- Spegni la luce nella stanza in modo che l'immagine proiettata sia più facile da vedere.
- Attiva la galleria del vento.
- Osservate l'immagine schlieren del flusso di Mach 2 sul modello a cono.
- Spegnere la galleria del vento chiudendo le valvole in ordine inverso. Quindi spegnere il controller.
- Attendere che tutta l'aria sia stata rilasciata dall'apparecchio prima di rimuovere la protezione dell'udito.
I jet militari volano a velocità incredibili che superano la velocità del suono, chiamate velocità supersoniche. Quando descriviamo le velocità supersoniche, usiamo il numero di Mach per misurare quella velocità rispetto alla velocità del suono. A un numero di Mach maggiore di 0,8, ma inferiore a 1,2, la velocità è transonica. Sopra Mach 1.2, la velocità è supersonica.
Diamo un'occhiata più da vicino a ciò che sta accadendo a queste alte velocità analizzando il flusso d'aria attorno a un corpo a forma di cono. Al di sopra di un numero di Mach di 0,3, devono essere considerati gli effetti di comprimibilità dell'aria, perché a queste alte velocità l'aria ha cambiamenti di densità significativi. Quando la velocità del flusso in entrata è superiore a Mach 1,0, si forma un'onda d'urto obliqua dal naso del cono o del cuneo e le ventole di espansione si formano attorno al corpo in movimento.
Un'onda d'urto è un disturbo di propagazione estremamente sottile, in cui si verificano bruschi cambiamenti nelle proprietà del flusso, come pressione, temperatura e densità. Una ventola di espansione è costituita da un numero infinito di onde ed è causata quando il flusso supersonico gira attorno a un angolo convesso. La pressione, la densità e la temperatura diminuiscono continuamente attraverso la ventola di espansione, mentre la velocità aumenta. Poiché la densità dell'aria cambia in modo significativo all'interno delle ventole di onda d'urto e di espansione, possono essere visualizzate utilizzando una tecnica di visualizzazione del flusso basata sulla densità, chiamata Schlieren Imaging.
Il metodo di Schlieren si basa sull'indice di rifrazione, che è il rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e la sua velocità all'interno di un mezzo specifico. La variazione dell'indice di rifrazione è proporzionale alla variazione della densità. Pertanto, come la densità dell'aria cambia nell'onda d'urto e nella ventola di espansione, così fa l'indice di rifrazione.
In Schlieren Imaging, una sorgente luminosa collimata brilla sul corpo e la variazione dell'indice di rifrazione distorce il fascio di luce. Per visualizzare la deflessione, un bordo di coltello viene posizionato sul piano focale della luce trasmessa, bloccando così parte della luce deviata e migliorando il contrasto dell'immagine proiettata sullo schermo. Ciò si traduce in un'immagine di alta e bassa intensità luminosa, che mappa le aree di alta e bassa densità dell'aria, consentendoci così di visualizzare le onde d'urto e le ventole di espansione.
In questo esperimento, dimostreremo l'uso di un sistema Schlieren Imaging per visualizzare le onde d'urto e le ventole di espansione formate dal flusso d'aria Mach 2 su un cono.
Questo esperimento utilizza un sistema schlieren per l'immagine delle onde d'urto generate da una galleria del vento supersonica attorno a un modello a cono semiangolare di 15 °. Il sistema Schlieren utilizzato in questo esperimento è impostato come mostrato.
Innanzitutto, attiva le torri dell'essiccatore per disidratare l'aria. Ciò impedirà la formazione di ghiaccio a causa di cadute di temperatura locali nella sezione di prova. Quindi, aprite la sezione di testo e assicurate il modello a cono a mezzo angolo di 15° alla struttura di supporto all'interno. Controllare la sezione di prova per assicurarsi che sia libera da detriti e altri oggetti. Quindi chiudere la sezione di test.
Assicurarsi che la valvola principale per il controllo del flusso d'aria sia chiusa, quindi accendere il compressore per pressurizzare il serbatoio di accumulo dell'aria e lasciare che il serbatoio raggiunga i 210 psi. Se il compressore non si spegne automaticamente quando viene raggiunta la pressione, spegnere il compressore manualmente. Ora, accendi il controller per la valvola ad alta velocità.
Per configurare il sistema Schlieren Imaging, accendere prima la ventola luminosa e di raffreddamento. Quindi posizionare un pezzo di carta sul lato opposto della sezione di prova rispetto alla sorgente luminosa. Allineare il primo specchio concavo per consentire alla luce di passare attraverso la sezione di prova e verificare che la luce colpisca la carta. Quindi, posizionare una schermata di proiezione nel punto in cui si forma l'immagine.
Ora, regola il secondo specchio concavo in modo che la luce che passa attraverso la sezione di prova venga riflessa sullo schermo di proiezione. Regolare il bordo del coltello in modo che si trova nel punto focale del secondo specchio. Quindi, regolare l'apertura del bordo del coltello per ottenere la qualità dell'immagine desiderata.
Per registrare l'immagine proiettata, impostare una fotocamera su un treppiede rivolto verso lo schermo. Per registrare direttamente sul sensore della fotocamera, posizionare la fotocamera davanti all'apertura del bordo del coltello. Ora che l'apparato è impostato, eseguiamo l'esperimento.
In primo luogo, indossare la protezione dell'udito appropriata, quindi assicurarsi che nessuno sia vicino allo scarico dell'aria all'esterno dell'edificio. Iniziare aprendo l'alimentazione dell'aria al controller della valvola veloce. Quindi, aprire la valvola principale, che lascia entrare l'aria nel sistema. Ora, spegni le luci nella stanza in modo che l'immagine proiettata sia più facile da vedere. Quindi, attivare la galleria del vento premendo il pulsante verde situato accanto al controller, che apre la valvola veloce.
Osservate l'immagine di Schlieren del flusso di Mach 2.0 sul modello a cono. Al termine, spegnere la galleria del vento chiudendo le valvole in ordine inverso e quindi spegnendo il controller. Attendere che l'apparecchio sia terminato rilasciando aria prima di rimuovere la protezione dell'udito.
Ora, diamo un'occhiata all'immagine acquisita utilizzando la configurazione Schlieren. Il modello utilizzato in questo esperimento era un cono con un mezzo angolo di 15° ed era sottoposto a flusso supersonico a Mach 2.0. Possiamo osservare la presenza di un'onda d'urto, come mostrato qui.
Teoricamente, una scossa obliqua dovrebbe formarsi sulla superficie del cono, con un angolo di 33,9 °. Il valore dell'angolo di shock obliquo è ottenuto dall'equazione di Taylor-Maccoll, che deve essere risolta numericamente. L'angolo sperimentale misurato è stato di 33,6°, un errore percentuale inferiore all'1%, rispetto ai dati teorici.
Inoltre, la tecnica Schlieren consente la visualizzazione dei ventilatori di espansione sul cono. La ventola di espansione è un processo di espansione previsto che si verifica quando il flusso supersonico gira attorno a un angolo convesso.
In sintesi, abbiamo imparato come il Metodo Schlieren utilizza i cambiamenti nell'indice di rifrazione per visualizzare le onde d'urto e le ventole di espansione nel flusso supersonico. Abbiamo quindi utilizzato la tecnica di imaging per visualizzare i modelli di onde d'urto e di espansione nel campo di flusso mach 2.0 su un cono.
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Results
In questa dimostrazione, un cono con un mezzo angolo di 15 gradi è stato sottoposto a un flusso supersonico a Mach 2.0. Nella Figura 3 si osservano una scia d'urto e una ventola di espansione sopra il cono. Teoricamente, una scossa obliqua dovrebbe formarsi sulla superficie del cono con un angolo di 33,9°. L'angolo sperimentale è stato misurato in 33,6°, come mostrato dalla linea rossa nella Figura 3B. Rispetto ai dati teorici, l'errore percentuale è risultato inferiore all'1%. Inoltre, questo metodo di visualizzazione del flusso è stato in grado di mostrare la ventola di espansione sul bordo finale del modello.
Figura 3: L'immagine di Schlieren del flusso di Mach 2 su un cono semiangolare di 15°. A) Immagine originale. B) Caratteristiche evidenziate che mostrano un'onda d'urto sul bordo anteriore e una ventola di espansione sul bordo finale.
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Applications and Summary
La tecnica di imaging schlieren è una classica tecnica di visualizzazione del flusso ottico basata sui cambiamenti di densità nel fluido. È un sistema semplice costruito con specchi concavi, un filo di coltello e una fonte di luce. Con questo sistema, è possibile visualizzare le caratteristiche di flusso supersonico, come le onde d'urto e le onde di espansione. Questa tecnica, tuttavia, ha limiti di sensibilità ai flussi a bassa velocità.
Il metodo di imaging schlieren può essere utilizzato per una varietà di applicazioni, in particolare nello studio della meccanica dei fluidi e nella visualizzazione della turbolenza. L'imaging di Schlieren fornisce preziose informazioni sulla distribuzione spaziale di strutture di flusso complicate in flussi comprimibili e turbolenti e nei voli di prova.
Questa tecnica è stata utilizzata anche nella fotografia aria-aria di aerei supersonici, che prevede l'uso del sole e / o della luna come fonte di luce e del pavimento del deserto come superficie sporgente per visualizzare le onde d'urto. In genere, i supercomputer e i test in galleria del vento vengono utilizzati per prevedere la formazione, la propagazione e la fusione delle onde d'urto su un aereo. Per migliorare la qualità di queste previsioni, viene raccolto un database di misurazioni del boom sonico a varie velocità e altitudini. Questa tecnica consente la visualizzazione del flusso supersonico di un velivolo in scala reale, piuttosto che un modello in scala ridotta.
Questa tecnica può anche essere adattata agli scramjet. Gli Scramjet sono motori che esprimono l'aria e si basano sulla velocità pura di un aereo per comprimere l'aria nel motore prima della combustione. La visualizzazione Focusing-schlieren è in grado di mostrare getti di carburante, strutture turbolente di miscelazione e onde d'urto all'interno del motore scramjet.
| Nome | Società | Numero di catalogo | Commenti |
| Attrezzatura | |||
| Galleria del vento supersonica | SDSU · | Numeri di Mach operativi (1; 2; 3; 4.5) | |
| Sezione di prova 6"x6"x10" | |||
| Sistema Schlieren | SDSU · | ||
| Modello a cono | SDSU · | Mezzo angolo di 15 gradi. | |
| Comò compressore d'aria alternativo. | |||
| Essiccatore d'aria. | Oriadi | Ogni torre impiega 4 ore per asciugarsi. | |
| Grande serbatoio del serbatoio dell'aria. | |||
| Valvola di controllo da 6 pollici. | La valvola è alimentata pneumaticamente e controllata elettricamente. | ||
| Regolatore di loop di processo EC-321. | Toshiba | ||
| Trasduttore. | Rosemount · |
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