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施利伦成像:一种可视化超音速流特性的技术
 
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施利伦成像:一种可视化超音速流特性的技术

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军用喷气式飞机的飞行速度超过了音速,称为超音速。在描述超音速时,我们使用马赫数来测量相对于音速的速度。在马赫数大于 0.8,但小于 1.2 时,速度是跨音的。在马赫1.2以上,速度是超音速的。

让我们通过分析锥形体周围的气流来详细了解这些高速下发生的情况。在马赫数为0.3以上时,必须考虑空气的可压缩性效应,因为这些高速下,空气的密度变化很大。当流入流量速度高于马赫 1.0 时,从圆锥或楔子的鼻子形成倾斜的冲击波,并在运动体周围形成膨胀风扇。

冲击波是一种极薄的传播扰动,在流动特性(如压力、温度和密度)发生突然变化时,膨胀风扇由无限数量的波组成,当超音速流动围绕凸角转动时引起。膨胀扇上的压力、密度和温度持续降低,而速度增加。由于冲击波和膨胀扇内的空气密度变化显著,因此可以使用基于密度的流量可视化技术(称为 Schlieren 成像)进行可视化。

Schlieren 方法依赖于折射率(即真空中光的速度与特定介质内的速度之比)。折射率的变化与密度的变化成正比。因此,随着冲击波和膨胀扇中空气密度的变化,折射率也发生了变化。

在Schlieren成像中,一个准直光源照射到身体上,折射率的变化扭曲了光束。为了可视化偏转,在透射光的焦平面处放置一个刀刃,从而阻挡了部分偏转光,并增强了屏幕上投影图像的对比度。这会产生高光和低光强度的图像,绘制高和低空气密度区域,从而能够可视化冲击波和膨胀风扇。

在本实验中,我们将演示使用 Schlieren 成像系统来可视化由马赫 2 气流在圆锥体上形成的冲击波和膨胀风扇。

该实验利用Schlieren系统来成像由15°半角锥形模型周围的超音速风洞产生的冲击波。本实验中使用的施利伦系统如图所示。

首先,激活干燥塔以脱水空气。这将防止由于测试部分的局部温度下降而形成冰层。然后,打开文本部分,并将 15° 半角锥形模型固定到内部支撑结构。检查测试部分,确保没有碎屑和任何其他物体。然后关闭测试部分。

确保空气流量控制的主阀关闭,然后打开压缩机对储气罐加压,让油箱达到 210 psi。如果压缩机在达到压力时未自动关闭,请手动关闭压缩机。现在,打开高速阀的控制器。

要设置 Schlieren 成像系统,请先打开灯和冷却风扇。然后,将一张纸放在从光源的测试部分的另一侧。对齐第一个凹面镜,使光线通过测试部分,并检查光线是否击中纸张。然后,放置形成图像的投影屏幕。

现在,调整第二个凹面镜,使穿过测试部分的光线反射到投影屏幕上。调整刀刃,使其位于第二面镜的焦点处。然后,调整刀刃光圈,以达到所需的图像质量。

要录制投影图像,在面向屏幕的三脚架上设置摄像机。要直接在相机传感器上录制,将相机放置在刀刃光圈前面。现在设备已经设置,让我们运行实验。

首先,戴上适当的听力保护装置,确保建筑物外没有人靠近排气管。首先打开快速阀控制器的供气。然后,打开主阀,让空气进入系统。现在,关闭房间的灯,以便更容易看到投影图像。然后,通过按下控制器旁边的绿色按钮激活风洞,该按钮可打开快速阀。

观察马赫 2.0 流在锥体模型上的 Schlieren 图像。完成后,关闭风洞,按相反顺序关闭阀门,然后关闭控制器。等待设备释放空气后,再取下您的听力保护。

现在,让我们看一下使用 Schlieren 设置获取的图像。本实验使用的模型是半角15°的圆锥体,在马赫2.0时受到超音速流动的影响。我们可以观察到冲击波的存在,如这里所示。

从理论上讲,斜冲击应在锥面形成,角度为33.9°。斜冲击角值取自泰勒-麦克科尔方程,必须用数值求解。与理论数据相比,测得的实验角度为33.6°,误差小于1%。

此外,Schlieren 技术使膨胀风扇在圆锥体上实现可视化。膨胀风扇是当超音速流围绕凸角旋转时发生的预期膨胀过程。

总之,我们了解了Schlieren方法如何使用折射率的变化来可视化超音速流中的冲击波和膨胀扇。然后,我们利用成像技术在圆锥体上可视化马赫 2.0 流场中的冲击和膨胀波模式。

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