Overview
Fonte: José Roberto Moreto, Jaime Dorado e Xiaofeng Liu, Departamento de Engenharia Aeroespacial, Universidade Estadual de San Diego, San Diego, CA
Caças militares e projéteis podem voar a velocidades incríveis que excedem a velocidade do som, o que significa que eles estão viajando a uma velocidade supersônica. A velocidade do som é a velocidade em que uma onda sonora se propaga através de um meio, que é de 343 m/s. Os números de mach são usados para medir a velocidade de voo de um objeto em relação à velocidade do som.
Um objeto viajando à velocidade do som teria um mach número de 1.0, enquanto um objeto viajando mais rápido que a velocidade do som tem um número mach maior que 1.0. Os efeitos de compressão do ar devem ser contabilizados ao viajar a tais velocidades. Um fluxo é considerado compressível quando o número mach é maior que 0,3. Nesta demonstração, o fluxo supersônico Mach 2.0 sobre um cone será analisado visualizando a formação de ondas de choque e ondas de compressão em fluxo compressível usando um sistema Schlieren.
Principles
O fluxo compressível, ou fluxo de alta velocidade, ocorre quando os fluidos experimentam mudanças significativas em sua densidade. Quando o fluxo supersônico passa por um corpo, ondas de choque e ondas de expansão são formadas ao redor do corpo. Uma onda de choque é uma região extremamente fina, na ordem de10-5 m, onde as propriedades de fluxo mudam significativamente. Uma onda de expansão ocorre quando a pressão diminui continuamente através de uma onda e a velocidade de fluxo aumenta.
O método de imagem schlieren é uma técnica de visualização de fluxo baseada em densidade que detecta alterações no índice de refração de um fluido, o que é proporcional às mudanças na densidade de fluidos através de ondas de choque ou expansão. Isso permite a visualização de padrões de ondas de choque e expansão em campos de fluxo supersônicos.
Como mostrado na Figura 1, um sistema de imagem schlieren converte diferenças na luz angular, que é causada pelo gradiente de densidade no fluxo, em diferenças na intensidade da luz na tela. O fenômeno do fluxo é visível pelas mudanças de densidade inerentes. Como mostrado na Figura 1, a luz paralela origina-se de uma fonte de luz através do ponto focal de uma lente convexa, L1, e ilumina um campo de fluxo compressível na seção de teste de um túnel de vento supersônico. Depois de viajar pela seção de teste, o raio de luz incidente converge através da lente L2 em seu ponto focal e mais viaja até que seja projetado em uma tela. A borda da faca, K,localizada no plano focal da lente L2 é fundamental para garantir a qualidade da imagem na tela. Bloquear parte da luz desviada aumenta significativamente o contraste da imagem projetada na tela. Sem o bloqueio adequado pela borda da faca, a visibilidade da luz incidente desviada através da densidade de fluido variado será comprometida.
Figura 1: Um esquema de um sistema de imagem schlieren mostrando a luz desviada bloqueada pela borda da faca, K,localizada no plano focal da lente L2.
O sistema de imagem schlieren usado neste experimento é mostrado na Figura 2, e é uma configuração alternativa à mostrada na Figura 1. A grande diferença entre as duas configurações é que o par de lentes convexas na Figura 1, enquanto um par de lentes côncavas são usadas na Figura 2. Todos os outros componentes são os mesmos.
Figura 2: Esquema do sistema de imagem schlieren usado na demonstração.
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Procedure
1. Visualizando ondas de choque usando um sistema de imagem schlieren
- Ative as torres secadoras para desidratar o ar. Isso garantirá que o fluxo de ar não contenha umidade, e evitará a formação de gelo quando a temperatura local na seção de teste cair devido ao fluxo supersônico.
- Abra a seção de teste e fixe o modelo de cone de meio ângulo de 15° à estrutura de suporte.
- Verifique se a seção de teste está livre de detritos ou outros objetos e, em seguida, feche a seção de teste.
- Certifique-se de que a válvula principal para controle de fluxo de ar está fechada e ligue o compressor para pressurizar o tanque de armazenamento de ar. Deixe o compressor chegar a 210 psi antes de desligá-lo.
- Ligue o controlador para a válvula de alta velocidade e defina os seguintes parâmetros listados na Tabela 1.
Tabela 1: Parâmetros de controle para Mach 2.
| PL | 0 | ΔMV | 25 |
| ΔPV | 100 | DVL | 100 |
| DF | 0.25 | KP | 1.1 |
| LC | DESLIGADO | Ti | 0.01 |
| RH | 100 | Td | 0 |
| RL | 0 | Rt | 1 |
| PV | -- | BS | 0 |
| CV | -- | ΔT | 1 |
| SV | 17 | D/R | REV |
| MV | -25 | VD | REV |
| MODO | Um | MVF | -25 |
| MH | 100 | PH | 100 |
| ML | 0 |
- Acenda a luz e o ventilador de resfriamento do sistema de imagem schlieren.
- Coloque um pedaço de papel no lado oposto da seção de texto da fonte de luz.
- Alinhe o primeiro espelho côncavo para permitir que a luz passe pela seção de teste. Verifique se a luz bate no papel.
- Ajuste o segundo espelho côncavo para que a luz que passa pela seção de teste seja refletida em uma tela de projeção.
- Ajuste a borda da faca de modo que ela esteja no ponto focal do segundo espelho. E ajuste a abertura da ponta da faca para alcançar a qualidade de imagem desejada.
- Posicione uma câmera em um tripé diretamente na frente da abertura da ponta da faca para gravar a imagem projetada.
- Coloque a proteção auditiva apropriada, e verifique se ninguém está perto do escapamento de ar localizado fora do prédio.
- Abra a fonte de ar para o controlador de válvula rápida e abra a válvula principal que permite o ar entrar no sistema.
- Desligue a luz da sala para que a imagem projetada seja mais fácil de ver.
- Ative o túnel de vento.
- Observe a imagem schlieren do fluxo Mach 2 sobre o modelo de cone.
- Desligue o túnel de vento fechando as válvulas em ordem inversa. Em seguida, desligue o controlador.
- Aguarde até que todo o ar tenha sido liberado do aparelho antes de remover sua proteção auditiva.
Jatos militares voam a velocidades incríveis que excedem a velocidade do som, chamadas velocidades supersônicas. Ao descrever velocidades supersônicas, usamos o número mach para medir essa velocidade em relação à velocidade do som. Em um número mach maior que 0,8, mas menos de 1,2, a velocidade é transônica. Acima de Mach 1.2, a velocidade é supersônica.
Vamos dar uma olhada mais de perto no que está acontecendo nessas altas velocidades, analisando o fluxo de ar em torno de um corpo em forma de cone. Acima de um número mach de 0.3, os efeitos de compressão do ar devem ser considerados, porque nestas altas velocidades o ar tem mudanças significativas de densidade. Quando a velocidade de fluxo de entrada está acima de Mach 1.0, uma onda de choque oblíqua se forma do nariz do cone ou cunha, e ventiladores de expansão se formam ao redor do corpo em movimento.
Uma onda de choque é uma perturbação de propagação extremamente fina, onde mudanças abruptas nas propriedades de fluxo, como pressão, temperatura e densidade, ocorrem. Um ventilador de expansão consiste em um número infinito de ondas e é causado quando o fluxo supersônico gira em torno de um canto convexo. A pressão, a densidade e a temperatura diminuem continuamente através do ventilador de expansão, enquanto a velocidade aumenta. Uma vez que a densidade do ar muda significativamente dentro da onda de choque e ventiladores de expansão, eles podem ser visualizados usando uma técnica de visualização de fluxo baseada em densidade, chamada Schlieren Imaging.
O método Schlieren baseia-se no índice de refração, que é a razão da velocidade da luz em um vácuo, para sua velocidade dentro de um meio específico. A variação do índice de refração é proporcional à variação da densidade. Assim, à medida que a densidade do ar muda na onda de choque e ventilador de expansão, o mesmo acontece com o índice de refração.
Na Schlieren Imaging, uma fonte de luz colidida brilha sobre o corpo, e a variação no índice de refração distorce o feixe de luz. Para visualizar a deflexão, uma ponta de faca é colocada no plano focal da luz transmitida, bloqueando assim parte da luz desviada, e aumentando o contraste da imagem projetada na tela. Isso resulta em uma imagem de alta e baixa intensidade de luz, que mapeia as áreas de alta e baixa densidade do ar, permitindo assim visualizar as ondas de choque e ventiladores de expansão.
Neste experimento, demonstraremos o uso de um sistema de imagem Schlieren para visualizar as ondas de choque e ventiladores de expansão formados pelo fluxo de ar Mach 2 sobre um cone.
Este experimento utiliza um sistema Schlieren para imagens de ondas de choque geradas por um túnel de vento supersônico em torno de um modelo de cone de meio ângulo de 15°. O sistema Schlieren usado neste experimento está configurado como mostrado.
Primeiro, ative as torres secadoras para desidratar o ar. Isso evitará a formação de gelo devido a quedas de temperatura locais na seção de teste. Em seguida, abra a seção de texto e fixe o modelo de cone de meio ângulo de 15° na estrutura de suporte no interior. Verifique a seção de teste para ter certeza de que está livre de detritos e quaisquer outros objetos. Em seguida, feche a seção de teste.
Certifique-se de que a válvula principal para o controle de fluxo de ar está fechada, em seguida, ligue o compressor para pressurizar o tanque de armazenamento de ar e deixe o tanque chegar a 210 psi. Se o compressor não desligar automaticamente quando a pressão for atingida, desligue o compressor manualmente. Agora, ligue o controlador para a válvula de alta velocidade.
Para configurar o sistema de imagem Schlieren, primeiro acenda a luz e o ventilador de resfriamento. Em seguida, coloque um pedaço de papel no lado oposto da seção de teste a partir da fonte de luz. Alinhe o primeiro espelho côncavo para permitir que a luz passe pela seção de teste e verifique se a luz atinge o papel. Em seguida, posicione uma tela de projeção onde a imagem é formada.
Agora, ajuste o segundo espelho côncavo para que a luz que passa pela seção de teste seja refletida na tela de projeção. Ajuste a borda da faca de modo que ela esteja no ponto focal do segundo espelho. Em seguida, ajuste a abertura da ponta da faca para alcançar a qualidade de imagem desejada.
Para gravar a imagem projetada, coloque uma câmera em um tripé que fica de frente para a tela. Para gravar diretamente no sensor da câmera, posicione a câmera na frente da abertura da borda da faca. Agora que o aparelho está configurado, vamos executar o experimento.
Primeiro, coloque a proteção auditiva apropriada, depois certifique-se de que ninguém está perto do escapamento do ar fora do prédio. Comece abrindo o fornecimento de ar para o controlador de válvulas rápida. Em seguida, abra a válvula principal, que permite o ar para dentro do sistema. Agora, desligue as luzes da sala para que a imagem projetada seja mais fácil de ver. Em seguida, ative o túnel de vento pressionando o botão verde localizado ao lado do controlador, que abre a válvula rápida.
Observe a Imagem Schlieren do fluxo Mach 2.0 sobre o modelo cone. Quando terminar, desligue o túnel de vento fechando as válvulas em ordem inversa e, em seguida, desligando o controlador. Aguarde até que o aparelho esteja pronto liberando ar antes de remover a proteção auditiva.
Agora, vamos dar uma olhada na imagem adquirida usando a configuração Schlieren. O modelo usado neste experimento foi um cone com um ângulo meio de 15°, e foi submetido a fluxo supersônico em Mach 2.0. Podemos observar a presença de uma onda de choque, como mostrado aqui.
Teoricamente, um choque oblíquo deve se formar na superfície do cone, em um ângulo de 33,9°. O valor do ângulo de choque oblíquo é obtido a partir da Equação Taylor-Maccoll, que deve ser resolvida numericamente. O ângulo experimental medido foi de 33,6%, um erro percentual inferior a 1%, em comparação com os dados teóricos.
Além disso, a técnica Schlieren permite a visualização de ventiladores de expansão sobre o cone. O ventilador de expansão é um processo de expansão esperado que ocorre quando o fluxo supersônico gira em torno de um ângulo convexo.
Em resumo, aprendemos como o Método Schlieren usa mudanças no índice de refração para visualizar ondas de choque e ventiladores de expansão em fluxo supersônico. Em seguida, utilizamos a técnica de imagem para visualizar os padrões de ondas de choque e expansão no campo de fluxo Mach 2.0 sobre um cone.
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Results
Nesta demonstração, um cone com um ângulo meio de 15 graus foi submetido a um fluxo supersônico em Mach 2.0. Na Figura 3, observa-se um velório de choque e um ventilador de expansão sobre o cone. Teoricamente, um choque oblíquo deve se formar na superfície do cone em um ângulo de 33,9°. O ângulo experimental foi medido em 33,6°, como mostra a linha vermelha na Figura 3B. Em comparação com os dados teóricos, o erro percentual foi inferior a 1%. Além disso, esse método de visualização de fluxo foi capaz de mostrar o ventilador de expansão sobre a borda do modelo.
Figura 3: Imagem schlieren de Mach 2 flui sobre um cone de meio ângulo de 15°. A) Imagem original. B) Características destacadas exibindo uma onda de choque na borda principal e ventilador de expansão na borda da trilha.
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Applications and Summary
A técnica de imagem schlieren é uma técnica clássica de visualização de fluxo óptico baseada em mudanças de densidade no fluido. É um sistema simples construído com espelhos côncavos, uma ponta de faca, e uma fonte de luz. Com este sistema, características de fluxo supersônico, como ondas de choque e ondas de expansão, podem ser visualizadas. Essa técnica, no entanto, tem limites de sensibilidade para fluxos de baixa velocidade.
O método de imagem schlieren pode ser usado para uma variedade de aplicações, especialmente no estudo da mecânica de fluidos e na visualização da turbulência. A imagem schlieren fornece informações valiosas sobre a distribuição espacial de estruturas de fluxo complicadas em fluxo compressível, turbulento e em voos de teste.
Esta técnica também tem sido usada na fotografia ar-ar de aeronaves supersônicas, que envolve o uso do sol e/ou da lua como fonte de luz e o chão do deserto como a superfície projetada para visualizar as ondas de choque. Normalmente, supercomputadores e testes de túnel de vento são usados para prever a formação, propagação e fusão de ondas de choque em uma aeronave. Para melhorar a qualidade dessas previsões, um banco de dados de medições de boom sônico são coletados em várias velocidades e altitudes. Esta técnica permite a visualização de fluxo supersônico de uma aeronave em grande escala, em vez de um modelo reduzido.
Esta técnica também pode ser adaptada para jatos scramjets. Scramjets são motores de ar que dependem da velocidade pura de uma aeronave para comprimir o ar no motor antes da combustão. A visualização de foco-schlieren é capaz de mostrar jatos de combustível, estruturas turbulentas de mistura e ondas de choque dentro do motor scramjet.
| Nome | Companhia | Número do catálogo | Comentários |
| Equipamento | |||
| Túnel de vento supersônico | SDSU | Números operacionais de Mach (1; 2; 3; 4,5) | |
| Seção de teste 6"x6"x10" | |||
| Sistema Schlieren | SDSU | ||
| Modelo cone | SDSU | Ângulo meio de 15 graus. | |
| Cômodo recíproca compressor de ar. | |||
| Secador de ar. | Oriado | Cada torre leva 4 horas para secar. | |
| Tanque grande receptor de ar. | |||
| Válvula de controle de 6 polegadas. | A válvula é pneumaticamente alimentada e controlada eletricamente. | ||
| Controlador de loop de processo EC-321. | Toshiba | ||
| Transmissor de pressão. | Rosemount |
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