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Schlieren Imaging: Une technique pour visualiser les caractéristiques du flux supersonique

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Les jets militaires volent à des vitesses incroyables qui dépassent la vitesse du son, appelée vitesses supersoniques. Lorsque nous décrivons les vitesses supersoniques, nous utilisons le nombre Mach pour évaluer cette vitesse par rapport à la vitesse du son. À un nombre de Mach supérieur à 0,8, mais inférieur à 1,2, la vitesse est transisonnique. Au-dessus de Mach 1.2, la vitesse est supersonique.

Examinons de plus près ce qui se passe à ces vitesses élevées en analysant le flux d'air autour d'un corps en forme de cône. Au-dessus d'un nombre mach de 0,3, les effets de compressibilité de l'air doivent être considérés, parce qu'à ces vitesses élevées l'air a des changements significatifs de densité. Lorsque la vitesse d'écoulement entrante est supérieure à Mach 1.0, une onde de choc oblique se forme à partir du nez du cône ou du coin, et des ventilateurs d'expansion se forment autour du corps en mouvement.

Une onde de choc est une perturbation de propagation extrêmement mince, où des changements brusques dans les propriétés d'écoulement, comme la pression, la température et la densité, se produisent. Un ventilateur d'expansion se compose d'un nombre infini d'ondes et est causée lorsque le flux supersonique tourne autour d'un coin convexe. La pression, la densité et la température diminuent continuellement à travers le ventilateur d'expansion, tandis que la vitesse augmente. Étant donné que la densité de l'air change considérablement au sein de l'onde de choc et des ventilateurs d'expansion, ils peuvent être visualisés à l'aide d'une technique de visualisation du débit basée sur la densité, appelée Schlieren Imaging.

La méthode Schlieren repose sur l'indice de réfraction, qui est le rapport de la vitesse de la lumière dans un vide, à sa vitesse dans un milieu spécifique. La variation de l'indice de réfraction est proportionnelle à la variation de densité. Ainsi, à mesure que la densité de l'air change dans l'onde de choc et le ventilateur d'expansion, l'indice de réfraction change également.

Dans Schlieren Imaging, une source lumineuse collimated brille sur le corps, et la variation de l'indice de réfraction déforme le faisceau lumineux. Afin de visualiser la déviation, un couteau-bord est placé au plan focal de la lumière transmise, bloquant ainsi une partie de la lumière déviée, et améliorant le contraste de l'image projetée à l'écran. Il en résulte une image d'intensité lumineuse élevée et faible, qui cartographie les zones de haute et faible densité d'air, nous permettant ainsi de visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d'expansion.

Dans cette expérience, nous allons démontrer l'utilisation d'un système d'imagerie Schlieren pour visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d'expansion formés par Mach 2 flux d'air sur un cône.

Cette expérience utilise un système Schlieren pour imager les ondes de choc générées par une soufflerie supersonique autour d'un modèle de cône demi-angle de 15 degrés. Le système Schlieren utilisé dans cette expérience est mis en place comme indiqué.

Tout d'abord, activez les tours sèches pour déshydrater l'air. Cela permettra d'éviter la formation de glace en raison des baisses de température locales dans la section d'essai. Ensuite, ouvrez la section de texte et fixez le modèle de cône demi-angle de 15 degrés à la structure de soutien à l'intérieur. Vérifiez la section d'essai pour vous assurer qu'elle est dégagée des débris et des autres objets. Fermez ensuite la section de test.

Assurez-vous que la soupape principale pour le contrôle du débit d'air est fermée, puis allumez le compresseur pour pressuriser le réservoir de stockage d'air, et laissez le réservoir atteindre 210 psi. Si le compresseur ne s'éteint pas automatiquement lorsque la pression est atteinte, éteignez le compresseur manuellement. Maintenant, allumez le contrôleur pour la soupape à grande vitesse.

Pour configurer le système d'imagerie Schlieren, activez d'abord le ventilateur de lumière et de refroidissement. Placez ensuite un morceau de papier sur le côté opposé de la section d'essai à partir de la source lumineuse. Alignez le premier miroir concave pour permettre à la lumière de passer à travers la section d'essai, et vérifiez que la lumière frappe le papier. Ensuite, placez un écran de projection où l'image est formée.

Maintenant, ajustez le deuxième miroir concave de sorte que la lumière passant par la section de test est reflétée sur l'écran de projection. Ajustez le bord du couteau de sorte qu'il soit au point focal du deuxième miroir. Ensuite, ajustez l'ouverture à la pointe du couteau pour obtenir la qualité d'image désirée.

Pour enregistrer l'image projetée, installez une caméra sur un trépied qui fait face à l'écran. Pour enregistrer directement sur le capteur de la caméra, placez la caméra devant l'ouverture du couteau bord. Maintenant que l'appareil est mis en place, nous allons exécuter l'expérience.

Tout d'abord, mettez la protection auditive appropriée, puis assurez-vous que personne n'est près de l'échappement d'air à l'extérieur du bâtiment. Commencez par ouvrir l'alimentation en air au contrôleur de soupape rapide. Ensuite, ouvrez la soupape principale, qui laisse entrer l'air dans le système. Maintenant, éteignez les lumières dans la pièce de sorte que l'image projetée est plus facile à voir. Ensuite, activez la soufflerie en appuyant sur le bouton vert situé à côté du contrôleur, qui ouvre la soupape rapide.

Observez l'image Schlieren du flux Mach 2.0 sur le modèle de cône. Une fois terminé, éteignez la soufflerie en fermant les vannes dans l'ordre inverse, puis éteignez le contrôleur. Attendez que l'appareil soit terminé en libérant de l'air avant de retirer votre protection auditive.

Maintenant, jetons un oeil à l'image acquise en utilisant la configuration Schlieren. Le modèle utilisé dans cette expérience était un cône avec un demi-angle de 15 degrés, et il a été soumis à un flux supersonique à Mach 2.0. Nous pouvons observer la présence d'une onde de choc, comme le montre ici.

Théoriquement, un choc oblique devrait se former à la surface du cône, à un angle de 33,9 degrés. La valeur oblique de l'angle de choc est obtenue à partir de l'équation Taylor-Maccoll, qui doit être résolue numériquement. L'angle expérimental mesuré était de 33,6 degrés, soit une erreur de moins de 1 %, par rapport aux données théoriques.

En outre, la technique Schlieren permet la visualisation des ventilateurs d'expansion sur le cône. Le ventilateur d'expansion est un processus d'expansion attendu qui se produit lorsque le flux supersonique tourne autour d'un angle convexe.

En résumé, nous avons appris comment la méthode Schlieren utilise les changements dans l'indice de réfraction pour visualiser les ondes de choc et les ventilateurs d'expansion dans le flux supersonique. Nous avons ensuite utilisé la technique d'imagerie pour visualiser les modèles d'ondes de choc et d'expansion dans le champ d'écoulement Mach 2.0 au-dessus d'un cône.

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