シュリーレンイメージング:超音速流機能を可視化する技術

圧縮可能な流れ、つまり高速流れは、流体の密度が大幅に変化する場合に発生します。超音速の流れが体を通過すると、衝撃波や膨張波が体の周りに形成されます。衝撃波は、流れの特性が大きく変化^する10-5mの順序で、非常に薄い領域です。膨張波は、圧力が波を横切って連続的に減少し、流速が増加したときに発生します。

シュリーレンイメージング法は、衝撃波または膨張波間の流体密度の変化に比例する流体の屈折率の変化を検出する密度ベースのフロー可視化技術です。これにより、超音速流れ場における衝撃波動パターンの可視化が可能になります。

図1に示すように、シュリーレンイメージングシステムは、流れの密度勾配によって引き起こされる角度光の差を、画面上の光強度の差に変換します。流れ現象は、固有の密度変化によって見ることができます。図1に示すように、平行光は凸レンズL1の焦点を通る光源から発生し、超音速風洞の試験区間の圧縮可能な流れ場を照らします。テストセクションを通過した後、入射光線は焦点でレンズL2を通して収束し、さらに画面に投影されるまで移動します。レンズL2の焦点面に位置するナイフエッジKは、画面上の画像の品質を確保する上で重要です。偏向したライトの一部をブロックすると、画面上の投影画像のコントラストが大幅に向上します。ナイフエッジによる適切な閉塞がなければ、密度変化流体を通る偏向入射光の可視性が損なわれます。

図 1:レンズL2の焦点面に位置するナイフエッジKによって遮断された偏向光を示すシュリーレンイメージングシステムの概略図。

この実験で使用したシュリーレンイメージングシステムを図2に示し、図1に示すのとは別のセットアップです。2 つの構成の主な違いは、図 1 の凸レンズのペアと、図 2 の凹面レンズのペアが使用されていることです。他のすべてのコンポーネントは同じです。

図 2:デモンストレーションで使用するシュリーレンイメージングシステムの概略図。

1. シュリーレンイメージングシステムを用いて衝撃波を可視化する

1. 空気を脱水するために乾燥機の塔をアクティブにします。これにより、空気の流れが水分を含まないことが保証され、超音速流によって試験区間の局所温度が低下した場合の氷の形成を防ぐことができます。
2. テストセクションを開き、15°半角コーンモデルを支持構造に固定します。
3. テストセクションが破片やその他の物体が見えるかどうかを確認し、テストセクションを閉じます。
4. 空気の流れ制御のための主弁が閉まっていることを確認し、空気貯蔵タンクを加圧するために圧縮機をオンにします。圧縮機をシャットダウンする前に、210 psi に達するようにします。
5. 高速バルブのコントローラをオンにし、表 1 に示す次のパラメータを設定します。

表 1:マッハ 2 の実行の制御パラメータ。

6. シュリーレンイメージングシステムの光と冷却ファンの電源を入れます。
7. 光源からテキストセクションの反対側に用紙を置きます。
8. 最初の凹面ミラーを位置合わせして、光がテストセクションを通過できるようにします。明かりが紙に当たっていることを確認します。
9. テスト セクションを通過するライトが投影画面に反映するように、2 番目の凹面ミラーを調整します。
10. 2 番目のミラーの焦点に合わせてナイフエッジを調整します。そして、所望の画質を達成するためにナイフエッジの絞りを調整します。
11. カメラを三脚の上に置き、ナイフエッジの開口部の正面に置き、投影された画像を記録します。
12. 適切な聴覚保護を行い、建物の外側にある排気ガスの近くに誰もいないことを確認します。
13. 高速バルブコントローラに空気供給を開き、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。
14. 投影された画像が見やすくなるように、部屋のライトをオフにします。
15. 風洞を作動させる。
16. コーンモデル上のマッハ2の流れのシュリーレン画像を観察します。
17. 逆の順序でバルブを閉じて、風洞をオフにします。次に、コントローラの電源を切します。
18. すべての空気が装置から放出されるまで待ってから、聴力保護を取り外します。

このデモンストレーションでは、半角15度のコーンをマッハ2.0で超音速流しに行いました。図3では、コーン上の衝撃覚醒と膨張ファンが観察される。理論的には、斜めの衝撃は33.9°の角度でコーン表面で形成されるべきです。実験角度は、図3Bの赤線で示すように33.6°と測定した。理論データと比較して、パーセント誤差は1%未満であることが判明した。さらに、このフロービジュアライゼーション手法では、モデルの後縁に拡張ファンを表示することができました。

図 3:マッハ2のシュリーレン画像は、15°半角コーン上を流れます。A) オリジナル画像。B) 後縁のリーディングエッジと拡張ファンに衝撃波を表示するハイライトされたフィーチャー。

シュリーレンイメージング技術は、流体の密度変化に基づく古典的な光学フロー可視化技術です。凹面ミラー、ナイフエッジ、光源で作られたシンプルなシステムです。このシステムにより、衝撃波や膨張波などの超音速流れ機能を可視化することができます。ただし、この手法には、低速フローに対する感度の制限があります。

シュリーレンイメージング法は、流体力学および乱流の可視化の研究において、様々な用途に使用されてもよい。シュリーレンイメージングは、圧縮性、乱流、試験飛行における複雑な流れ構造の空間分布に関する貴重な情報を提供します。

この技術は、太陽や月を光源として使用し、砂漠の床を衝撃波を可視化する投影面として使用する超音速航空機の空対空撮影にも使用されています。通常、スーパーコンピュータと風洞試験は、航空機の衝撃波の形成、伝播、およびマージを予測するために使用されます。これらの予測の質を高めるために、ソニックブーム測定のデータベースは、様々な速度と高度で収集されます。この手法により、スケールダウンモデルではなく、本格的な航空機の超音速フロー可視化が可能です。

この技術は、スクラムジェットにも適応されてもよい。スクラムジェットは、燃焼前にエンジンに空気を圧縮するために航空機の純粋な速度に依存する空気呼吸エンジンです。フォーカスシュリーレンビジュアライゼーションは、スクラムジェットエンジン内部の燃料ジェット、混合の乱流構造、および衝撃波を示すことができる。