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Schlieren Imaging: Eine Technik zur Visualisierung von Überschall-Flow-Features

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Militärjets fliegen mit unglaublichen Geschwindigkeiten, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, die sogenannten Überschallgeschwindigkeiten. Bei der Beschreibung von Überschallgeschwindigkeiten verwenden wir Mach-Nummer, um diese Geschwindigkeit relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen. Bei einer Mach-Zahl größer als 0,8, aber kleiner als 1,2 ist die Geschwindigkeit transonisch. Oberhalb von Mach 1.2 ist die Geschwindigkeit überschall.

Werfen wir einen genaueren Blick auf das, was bei diesen hohen Geschwindigkeiten geschieht, indem wir den Luftstrom um einen kegelförmigen Körper analysieren. Oberhalb einer Mach-Zahl von 0,3 sind die Kompressibilitätseffekte der Luft zu berücksichtigen, da bei diesen hohen Geschwindigkeiten Luft signifikante Dichteänderungen aufweist. Wenn die eingehende Strömungsgeschwindigkeit über Mach 1.0 liegt, bildet sich aus der Nase des Kegels oder Keils eine schräge Stoßwelle, und um den sich bewegenden Körper bilden sich Expansionslüfter.

Eine Stoßwelle ist eine extrem dünne Vermehrungsstörung, bei der abrupte Veränderungen der Strömungseigenschaften wie Druck, Temperatur und Dichte auftreten. Ein Erweiterungslüfter besteht aus einer unendlichen Anzahl von Wellen und wird verursacht, wenn sich der Überschallfluss um eine konvexe Ecke dreht. Druck, Dichte und Temperatur sinken kontinuierlich über den Expansionslüfter, während die Geschwindigkeit steigt. Da sich die Dichte der Luft innerhalb der Stoßwellen- und Expansionslüfter signifikant verändert, können sie mit einer dichtebasierten Strömungsvisualisierungstechnik, der sogenannten Schlieren Imaging, visualisiert werden.

Die Schlieren-Methode beruht auf einem Brechungsindex, der das Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum zu ihrer Geschwindigkeit innerhalb eines bestimmten Mediums darstellt. Die Änderung des Brechungsindexes ist proportional zur Änderung der Dichte. So ändert sich die Dichte der Luft in der Stoßwelle und dem Expansionslüfter, so auch der Brechungsindex.

In Schlieren Imaging leuchtet eine kollimierte Lichtquelle auf den Körper, und die Variation des Brechungsindex verzerrt den Lichtstrahl. Um die Durchbiegung zu visualisieren, wird eine Messerkante auf der Brennebene des übertragenen Lichts platziert, wodurch ein Teil des abgelenkten Lichts blockiert wird und der Kontrast des projizierten Bildes auf dem Bildschirm verbessert wird. Daraus ergibt sich ein Bild von hoher und geringer Lichtintensität, das die Bereiche mit hoher und niedriger Luftdichte abbildet und es uns ermöglicht, die Stoßwellen und Expansionslüfter zu visualisieren.

In diesem Experiment zeigen wir den Einsatz eines Schlieren Imaging-Systems, um die Stoßwellen und Expansionslüfter zu visualisieren, die durch Mach 2 Luftstrom über einen Kegel gebildet werden.

Dieses Experiment nutzt ein Schlieren-System, um Schockwellen abzubilden, die von einem Überschall-Windkanal um ein 15°-Halbwinkelkegelmodell erzeugt werden. Das in diesem Experiment verwendete Schlieren-System ist wie gezeigt eingerichtet.

Aktivieren Sie zunächst die Trocknertürme, um die Luft zu dehydrieren. Dadurch wird die Eisbildung aufgrund lokaler Temperatursenkungen im Testabschnitt verhindert. Öffnen Sie dann den Textabschnitt, und sichern Sie das 15° Halbwinkelkegelmodell an der Stützstruktur im Inneren. Überprüfen Sie den Testabschnitt, um sicherzustellen, dass er frei von Schmutz und anderen Gegenständen ist. Schließen Sie dann den Testabschnitt.

Stellen Sie sicher, dass das Hauptventil für die Luftstromregelung geschlossen ist, schalten Sie dann den Kompressor ein, um den Luftspeicher unter Druck zu setzen, und lassen Sie den Tank 210 psi erreichen. Wenn der Kompressor nicht automatisch abschaltet, wenn der Druck erreicht wird, schalten Sie den Kompressor manuell aus. Schalten Sie nun den Regler für das Hochgeschwindigkeitsventil ein.

Um das Schlieren Imaging-System einzurichten, schalten Sie zunächst den Licht- und Lüfter ein. Legen Sie dann ein Stück Papier auf der gegenüberliegenden Seite des Testabschnitts von der Lichtquelle. Richten Sie den ersten konkaven Spiegel aus, damit Licht den Testabschnitt passieren kann, und überprüfen Sie, ob das Licht auf das Papier trifft. Positionieren Sie dann einen Projizierten Bildschirm, auf dem das Bild gebildet wird.

Passen Sie nun den zweiten konkaven Spiegel so an, dass das Licht, das durch den Testabschnitt geht, auf den projizierten Bildschirm reflektiert wird. Stellen Sie die Messerkante so ein, dass sie sich im Mittelpunkt des zweiten Spiegels befindet. Passen Sie dann die Messerkantenöffnung an, um die gewünschte Bildqualität zu erzielen.

Um das projizierte Bild aufzuzeichnen, stellen Sie eine Kamera auf ein Stativ auf, das dem Bildschirm zusehen ist. Um direkt auf dem Kamerasensor aufzuzeichnen, positionieren Sie die Kamera vor der Messerkantenöffnung. Nun, da das Gerät eingerichtet ist, lassen Sie uns das Experiment ausführen.

Setzen Sie zunächst den entsprechenden Gehörschutz an, und stellen Sie dann sicher, dass sich niemand in der Nähe des Luftabluftauspuffs außerhalb des Gebäudes befindet. Beginnen Sie, indem Sie die Luftzufuhr zum schnellklappenden Regler öffnen. Öffnen Sie dann das Hauptventil, das Luft in das System lässt. Schalten Sie nun die Lichter im Raum aus, damit das projizierte Bild leichter zu sehen ist. Aktivieren Sie dann den Windkanal, indem Sie die grüne Taste neben dem Controller drücken, der das schnelle Ventil öffnet.

Beobachten Sie das Schlieren-Bild des Mach 2.0-Flusses über das Kegelmodell. Wenn Sie fertig sind, schalten Sie den Windkanal aus, indem Sie die Ventile in umgekehrter Reihenfolge schließen und dann den Controller ausschalten. Warten Sie, bis das Gerät fertig ist, um Luft freizugeben, bevor Sie Ihren Gehörschutz entfernen.

Werfen wir nun einen Blick auf das Bild, das mit dem Schlieren-Setup aufgenommen wurde. Das in diesem Experiment verwendete Modell war ein Kegel mit einem Halbwinkel von 15°, und es wurde bei Mach 2.0 einem Überschallfluss ausgesetzt. Wir können das Vorhandensein einer Schockwelle beobachten, wie hier gezeigt.

Theoretisch sollte sich an der Kegeloberfläche ein schräger Schock in einem Winkel von 33,9° bilden. Der schräge Stoßwinkelwert wird aus der Taylor-Maccoll-Gleichung ermittelt, die numerisch gelöst werden muss. Der gemessene Versuchswinkel betrug 33,6°, ein Prozentfehler von weniger als 1%, verglichen mit den theoretischen Daten.

Darüber hinaus ermöglicht die Schlieren-Technik die Visualisierung von Erweiterungslüftern über den Kegel. Der Erweiterungslüfter ist ein erwarteter Erweiterungsprozess, der auftritt, wenn sich der Überschallfluss um einen konvexen Winkel dreht.

Zusammenfassend haben wir erfahren, wie die Schlieren-Methode Änderungen des Brechungsindex verwendet, um Schockwellen und Expansionslüfter im Überschallfluss zu visualisieren. Wir nutzten dann die bildgebende Technik, um die Stoß- und Expansionswellenmuster im Mach 2.0-Flussfeld über einem Kegel zu visualisieren.

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