Overview
출처: 호세 로베르토 모레토, 제이미 도라도, 샤오펑 리우, 항공 우주 공학부, 샌디에고 주립 대학, 샌디에고, 캘리포니아
군용 제트 전투기와 발사체는 소리의 속도를 초과하는 놀라운 속도로 비행 할 수 있으며, 이는 초음속으로 여행하는 것을 의미합니다. 소리의 속도는 음파가 343m/s인 매체를 통해 전파되는 속도입니다. 마하 번호는 소리의 속도에 따라 물체의 비행 속도를 측정하는 데 사용됩니다.
소리의 속도로 이동하는 물체는 마하 수가 1.0인 반면 소리의 속도보다 빠르게 이동하는 오브젝트는 마하 수가 1.0보다 큽습니다. 공기의 압축성 효과는 이러한 속도로 주행할 때 고려해야 합니다. 마하 수가 0.3보다 클 때 흐름은 압축 가능한 것으로 간주됩니다. 본 데모에서, 마하 2.0 초음속 흐름은 슐리렌 시스템을 사용하여 압축 성 유동에서 충격파 및 압축파의 형성을 시각화하여 분석될 것이다.
Principles
압축 흐름 또는 고속 흐름은 유체가 밀도에 상당한 변화를 경험할 때 발생합니다. 초음속 흐름이 몸에 의해 전달되면 충격파와 팽창 파가 몸 주위에 형성됩니다. 충격파는10~5m의 순서로 매우 얇은 영역으로, 유동 특성이 크게 변화합니다. 팽창 파는 파도에 걸쳐 압력이 지속적으로 감소하고 유동 속도가 증가할 때 발생합니다.
schlieren 이미징 방법은 충격 또는 팽창 파를 통해 유체 밀도의 변화에 비례하는 유체의 굴절률의 변화를 감지하는 밀도 기반 유동 시각화 기술입니다. 이를 통해 초음속 흐름 필드에서 충격 및 팽창 파 패턴을 시각화할 수 있습니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 슐리렌 이미징 시스템은 흐름의 밀도 그라데이션에 의해 발생하는 각도 광의 차이를 화면의 광 강도의 차이로 변환합니다. 유동 현상은 고유밀도 변화에 의해 볼 수 있습니다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평행광은 광원에서 볼록 렌즈, L1의 초점을 통해 발생하며, 초음속 풍동의 시험 섹션에서 압축가능한 유동장을 조명한다. 시험 섹션을 통과한 후, 사고 광선은 초점에서 렌즈 L2를 통해 수렴하고 화면에 투사될 때까지 더 멀리 이동합니다. 렌즈 L2의 초점 평면에 위치한 칼 날 K는화면의 이미지 품질을 보장하는 데 중요합니다. 일부 편향된 라이트를 차단하면 화면에 투사된 이미지의 대비가 크게 향상됩니다. 칼 날에 의해 적절한 막힘없이, 밀도 변화 유체를 통해 편향 된 사건 빛의 가시성이 손상됩니다.
그림 1: 렌즈 L2의 초점 평면에 위치한 칼 날, K에의해 차단된 편향된 빛을 보여주는 셸리렌 이미징 시스템의 회로도.
이 실험에 사용되는 슐리렌 이미징 시스템은 도 2에 나타내며 도 1에 표시된 대체 설정입니다. 두 구성의 주요 차이점은 그림 1의 볼록 렌즈 쌍이 그림 2에 사용되는 반면, 한 쌍의 오목한 렌즈가 사용된다는 것입니다. 다른 모든 구성 요소는 동일합니다.
그림 2: 데모에 사용되는 슐리렌 이미징 시스템의 회로도.
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Procedure
1. 슐리렌 이미징 시스템을 사용하여 충격파 를 시각화
- 건조기 타워를 활성화하여 공기를 탈수합니다. 이것은 공기 흐름이 습기를 포함하지 않도록하고, 극음속 흐름으로 인해 시험 단면도의 국소 온도가 떨어질 때 얼음 형성을 방지할 것입니다.
- 테스트 섹션을 열고 15° 반각도 원뿔 모델을 지지 구조에 고정합니다.
- 테스트 섹션이 이물질이나 다른 물체가 없는지 확인한 다음 테스트 섹션을 닫습니다.
- 공기 흐름 제어의 주 밸브가 닫혀 있는지 확인한 다음 압축기를 켜서 공기 저장 탱크를 가압합니다. 압축기를 종료하기 전에 210 psi에 도달하도록 허용합니다.
- 고속 밸브의 컨트롤러를 켜고 표 1에 나열된 다음 매개 변수를 설정합니다.
표 1: 마하 2 실행에 대한 제어 매개 변수.
| PL | 0 | ΔMV | 25 |
| ΔPV | 100 | DVL | 100 |
| DF | 0.25 | KP | 1.1 |
| LC | OFF | 티 (주) | 0.01 |
| RH | 100 | Td | 0 |
| RL | 0 | Rt | 1 |
| 태양광 발전 | -- | 모텔 | 0 |
| 코로나 바이러스 | -- | ΔT | 1 |
| SV | 17 | D/R | 레 브 |
| MV | -25 | VD | 레 브 |
| 모드 | A | MVF | -25 |
| MH | 100 | PH | 100 |
| ML | 0 |
- 슐리렌 이미징 시스템의 빛과 냉각 팬을 켭니다.
- 광원에서 텍스트 섹션의 반대편에 용지를 놓습니다.
- 첫 번째 오목한 미러를 정렬하여 빛이 테스트 섹션을 통과할 수 있도록 합니다. 빛이 종이에 닿는지 확인합니다.
- 테스트 섹션을 통과하는 빛이 투영 화면에 반영되도록 두 번째 오목한 미러를 조정합니다.
- 두 번째 미러의 초점에 있도록 칼 가장자리를 조정합니다. 그리고 원하는 화질을 달성하기 위해 칼 가장자리의 조리개를 조정합니다.
- 카메라를 칼 가장자리 조리개 바로 앞에 배치하여 투사된 이미지를 기록합니다.
- 적절한 청력 보호 기능을 착용하고 건물 외부에 있는 공기 배기 근처에 아무도 없는지 확인하십시오.
- 빠른 밸브 컨트롤러에 공기 공급을 열고 시스템에 공기를 할 수있는 메인 밸브를 엽니 다.
- 투영된 이미지를 더 쉽게 볼 수 있도록 방의 조명을 끕니다.
- 풍구를 활성화합니다.
- 원뿔 모델 위에 마하 2 흐름의 셸리렌 이미지를 관찰한다.
- 밸브를 역순으로 닫아 풍문을 끕니다. 그런 다음 컨트롤러를 끕니다.
- 청력 보호를 제거하기 전에 모든 공기가 장치에서 방출 될 때까지 기다립니다.
군용 제트기는 초음속이라고 불리는 소리의 속도를 초과하는 놀라운 속도로 비행합니다. 초음속 속도를 설명할 때, 우리는 소리의 속도에 비해 그 속도를 측정하기 위해 마하 번호를 사용합니다. 0.8보다 크지만 1.2 미만인 마하 수에서 속도는 트랜지오닉입니다. 마하 1.2 위에, 속도는 초음속입니다.
원뿔 모양의 몸주위의 공기 흐름을 분석하여 이러한 고속으로 무슨 일이 일어나고 있는지 자세히 살펴보겠습니다. 마하 수 0.3 이상, 공기의 압축성 효과는 이러한 고속으로 공기가 상당한 밀도 변화를 가지고 있기 때문에 고려해야합니다. 들어오는 유동 속도가 마하 1.0 이상일 때, 원뿔이나 쐐기의 코에서 경사 충격파가 형성되고, 팽창 팬은 움직이는 몸 주위로 형성된다.
충격파는 압력, 온도 및 밀도와 같은 유동 특성의 갑작스러운 변화가 발생하는 매우 얇은 전파 장애입니다. 확장 팬은 무한한 파도 수로 구성되며 초음속 흐름이 볼록 코너를 돌면 발생합니다. 압력, 밀도 및 온도는 확장 팬 전체에서 지속적으로 감소하는 반면 속도는 증가합니다. 충격파 및 팽창 팬 내에서 공기 밀도가 크게 변화하기 때문에 Schlieren Imaging이라고 하는 밀도 기반 유량 시각화 기술을 사용하여 시각화할 수 있습니다.
Schlieren 방법은 진공 상태에서 빛의 속도의 비율인 굴절률을 특정 매체 내의 속도에 의존합니다. 굴절률의 변화는 밀도 변화에 비례합니다. 따라서 충격파 및 팽창 팬의 공기 밀도가 변화함에 따라 굴절률도 마찬가지입니다.
Schlieren 이미징에서는 정렬된 광원이 신체에 비추고 굴절률의 변화가 광선을 왜곡합니다. 편향을 시각화하기 위해, 칼에지는 전송된 빛의 초점 평면에 배치되어 반사된 빛의 일부를 차단하고 화면에 투사된 이미지의 대비를 향상시킵니다. 이를 통해 고온 및 저조도 의 이미지가 생성되어 높은 공기 밀도와 낮은 영역을 매핑하여 충격파 및 확장 팬을 시각화할 수 있습니다.
이번 실험에서는 매2 공기흐름에 의해 형성된 충격파와 팽창 팬을 콘 위에 시각화하기 위해 슐리렌 이미징 시스템을 사용할 예정이다.
이 실험은 15° 반각도 콘 모델 주위의 초음속 풍동에서 발생하는 충격파를 이미지하기 위해 슐리렌 시스템을 사용합니다. 이 실험에 사용된 슐리렌 시스템은 표시된 대로 설정됩니다.
첫째, 건조기 타워를 활성화하여 공기를 탈수합니다. 이렇게 하면 시험 구역의 국부 온도 저하로 인해 얼음이 형성되는 것을 방지할 수 있습니다. 그런 다음 텍스트 섹션을 열고 15° 반각도 콘 모델을 내부지지 구조에 고정합니다. 테스트 섹션을 확인하여 파편과 다른 물체가 없는지 확인합니다. 그런 다음 테스트 섹션을 닫습니다.
공기 흐름 제어의 주 밸브가 닫혀 있는지 확인한 다음 압축기를 켜서 공기 저장 탱크를 가압하고 탱크가 210 psi에 도달하도록 하십시오. 압력에 도달하면 압축기가 자동으로 차단되지 않으면 압축기는 수동으로 끕니다. 이제 고속 밸브의 컨트롤러를 켭니다.
슐리렌 이미징 시스템을 설정하려면 먼저 조명 및 냉각 팬을 켭니다. 그런 다음 광원에서 테스트 섹션의 반대편에 종이 조각을 놓습니다. 첫 번째 오목한 미러를 정렬하여 빛이 테스트 섹션을 통과할 수 있도록 하고 빛이 용지에 닿는지 확인합니다. 그런 다음 이미지가 형성되는 투영 화면을 배치합니다.
이제 두 번째 오목한 미러를 조정하여 테스트 섹션을 통과하는 빛이 투영 화면에 반영되도록 합니다. 두 번째 미러의 초점에 있도록 칼 가장자리를 조정합니다. 그런 다음 칼 가장자리 조리개를 조정하여 원하는 화질을 달성합니다.
투영된 이미지를 기록하려면 화면을 향하고 있는 삼각대에 카메라를 설정합니다. 카메라 센서에 직접 기록하려면 카메라를 칼 가장자리 조리개 앞에 놓습니다. 이제 장치가 설정되었으므로 실험을 실행해 보겠습니다.
먼저 적절한 청력 보호 기능을 착용한 다음 건물 외부의 공기 배기 가스 근처에 아무도 있는지 확인하십시오. 빠른 밸브 컨트롤러에 공기 공급을 열어 시작합니다. 그런 다음 메인 밸브를 열어 시스템에 공기를 유입시다. 이제 투영된 이미지를 더 쉽게 볼 수 있도록 방의 조명을 끕니다. 그런 다음 컨트롤러 옆에 있는 녹색 버튼을 눌러 풍동을 활성화하여 빠른 밸브를 엽니다.
원뿔 모델 위에 마하 2.0 흐름의 슐리렌 이미지를 관찰한다. 완료되면 밸브를 역순으로 닫은 다음 컨트롤러를 끕니다. 청력 보호를 제거하기 전에 장치가 공기를 방출 할 때까지 기다립니다.
이제 Schlieren 설정을 사용하여 획득한 이미지를 살펴보겠습니다. 이 실험에 사용된 모델은 반 각도15°의 원뿔이었고, 마하 2.0에서 초음속 흐름을 겪었다. 여기에 표시된 바와 같이 충격파의 존재를 관찰 할 수 있습니다.
이론적으로 경사 충격은 33.9°의 각도로 원뿔 표면에서 형성되어야 합니다. 경사 충격 각도 값은 숫자로 해결해야 하는 테일러 맥콜 방정식에서 가져옵니다. 측정된 실험 각은 이론적 데이터와 비교하여 1% 미만의 퍼센트 오차인 33.6°였다.
또한, 슐리렌 기법은 콘을 통해 확장 팬의 시각화를 가능하게합니다. 확장 팬은 초음속 흐름이 볼록 각도를 돌 때 발생하는 예상 확장 프로세스입니다.
요약하자면, 우리는 Schlieren 메서드가 굴절률의 변화를 사용하여 초음속 흐름에서 충격파 및 확장 팬을 시각화하는 방법을 배웠습니다. 그런 다음 이미징 기술을 활용하여 마하 2.0 유동장의 충격 및 팽창 파 패턴을 원뿔 위에 시각화했습니다.
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Results
이 데모에서는 반 각도15도의 원뿔이 마하 2.0에서 초음속 흐름을 거쳤습니다. 도 3에서는 콘을 둘러싼 충격 절전 모드 및 팽창 팬이 관찰됩니다. 이론적으로 경사 충격은 33.9°의 각도로 원뿔 표면에서 형성되어야 합니다. 실험 각은 도 3B의 레드 라인에 의해 도시된 바와 같이 33.6°로 측정되었다. 이론적 데이터와 비교하여 퍼센트 오차는 1% 미만인 것으로 나타났습니다. 또한, 이러한 흐름 시각화 방법은 모델의 후행 모서리위에 확장 팬을 표시할 수 있었습니다.
그림 3: 마하 2의 슐리렌 이미지는 15 ° 반 각도 원뿔을 통해 흐를. A) 원본 이미지. B) 앞가장자리에서 충격파를 표시하는 강조 표시 기능및 후행 가장자리에 확장 팬.
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Applications and Summary
Schlieren 이미징 기술은 유체의 밀도 변화에 기초한 고전적인 광학 유량 시각화 기술입니다. 오목한 거울, 칼날, 광원으로 제작된 심플한 시스템입니다. 이 시스템을 통해 충격파 및 팽창 파와 같은 초음속 흐름 기능을 시각화할 수 있습니다. 그러나 이 기술은 저속 흐름에 대한 감도 제한이 있습니다.
schlieren 화상 진찰 방법은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다, 특히 유체 역학및 비시화 난류의 연구에서. Schlieren 이미징은 압축성, 난류 흐름 및 시험 비행에서 복잡한 유동 구조의 공간 분포에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.
이 기술은 또한 충격파를 시각화하기 위해 투사 표면으로 태양 및 / 또는 달을 광원으로 사용하고 사막 바닥을 사용하는 초음속 항공기의 공대공 사진에 사용되었습니다. 일반적으로 슈퍼컴퓨터와 풍동 테스트는 항공기의 충격파의 형성, 전파 및 병합을 예측하는 데 사용됩니다. 이러한 예측의 품질을 향상시키기 위해 소닉 붐 측정 데이터베이스는 다양한 속도와 고도에서 수집됩니다. 이 기술은 축소된 모델이 아닌 본격적인 항공기의 초음속 유동 시각화를 허용합니다.
이 기술은 또한 scramjets에 적응될 수 있습니다. Scramjets는 연소 전에 엔진에 공기를 압축하기 위해 항공기의 순수한 속도에 의존하는 공기 호흡 엔진입니다. 초점 셸리렌 시각화는 연료 제트, 혼합의 난류 구조 및 스크램젯 엔진 내부에 충격파를 표시 할 수 있습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 코멘트 |
| 설비 | |||
| 초음속 풍터널 | SDSU | 작동 마하 번호(1; 2; 3; 4.5) | |
| 테스트 섹션 6"x6"x10" | |||
| 슐리렌 시스템 | SDSU | ||
| 콘 모델 | SDSU | 15도 반 각도. | |
| 드레서 왕복 공기 압축기. | |||
| 공기 건조기. | 오리아드 주 | 각 타워는 건조하는 데 4 시간이 걸립니다. | |
| 대형 공기 수신기 탱크. | |||
| 6 인치 제어 밸브. | 밸브는 공압 구동 및 전기 제어됩니다. | ||
| EC-321 공정 루프 컨트롤러. | 도시바 | ||
| 압력 송신기. | 로즈마운트 |
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