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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

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軍用ジェット機は、超音速と呼ばれる音速を超える驚異的な速度で飛行します。超音速を記述する場合、マッハ番号を使用して音速に対してその速度を測定します。マッハ数が 0.8 より大きいが 1.2 未満の場合、速度はトランスオニックです。マッハ1.2を超えると、速度は超音速です。

コーン型の体の周りの空気の流れを分析して、これらの高速で何が起こっているかを詳しく見てみましょう。マッハ数0.3を超えると、これらの高速空気は大きな密度変化を持つため、空気の圧縮効果を考慮する必要があります。着信速度がマッハ1.0を超えると、円根またはウェッジの機首から斜めの衝撃波が形成され、移動体の周りに膨張ファンが形成されます。

衝撃波は非常に薄い伝搬乱で、圧力、温度、密度などの流れの特性が急激に変化します。拡張ファンは無限の数の波で構成され、超音速の流れが凸角を回るときに発生します。圧力、密度、温度は膨張ファン全体で連続的に減少し、速度は増加します。衝撃波や膨張ファンの中で空気の密度が大きく変化するため、シュリーレンイメージングと呼ばれる密度ベースのフロー可視化技術を用いて可視化できます。

シュリーレン法は、真空中の光の速度と特定の媒体内の速度の比率である屈折率に依存します。屈折率の変化は密度の変化に比例する。これにより、衝撃波や膨張ファンにおける空気の密度が変化するにつれて、屈折率も変化する。

シュリーレンイメージングでは、コリメート光源がボディに光を当て、屈折率の変化が光線を歪めます。たわみを可視化するために、透過光の焦点面にナイフエッジを配置し、従って、偏向光の一部を遮断し、画面上の投影画像のコントラストを高める。これにより、高低の光強度の画像が表示され、高気密度と低密度の領域がマッピングされるため、衝撃波や膨張ファンを可視化できます。

本実験では、シュリーレンイメージングシステムを用いて、マッハ2の空気がコーン上を流れる衝撃波と膨張ファンを可視化する。

この実験では、シュリーレンシステムを用いて、15°半角コーンモデルの周りの超音速風洞によって発生する衝撃波を画像化する。この実験で用いられるシュリーレンシステムは、図に示すように設定される。

まず、空気を脱水するために乾燥塔をアクティブにします。これにより、試験部の局所的な温度低下による氷の形成を防ぐことができます。次に、テキストセクションを開き、15°半角コーンモデルを内部の支持構造に固定します。テストセクションを調べて、破片やその他の物体が見えていないことを確認します。次に、テスト セクションを閉じます。

空気流制御のメインバルブが閉まっていることを確認し、コンプレッサーをオンにして空気貯蔵タンクを加圧し、タンクが210 psiに達するようにします。圧力に達してもコンプレッサーが自動的に遮断されない場合は、コンプレッサーを手動でオフにします。次に、高速バルブのコントローラの電源を入れます。

シュリーレン・イメージング・システムをセットアップするには、まずライトと冷却ファンをオンにします。次に、光源からテストセクションの反対側に用紙を置きます。最初の凹面ミラーを合わせ、光がテストセクションを通過できるようにし、光が用紙に当たっていることを確認します。次に、画像が形成される投影画面を配置します。

次に、テスト セクションを通過する光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。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。次に、ナイフエッジの絞りを調整して、所望の画質を実現します。

投影された画像を記録するには、画面に面した三脚にカメラをセットします。カメラセンサーに直接記録するには、カメラをナイフエッジ絞りの前に配置します。装置がセットアップされたので、実験を実行してみましょう。

まず、適切な聴覚保護を行い、建物の外の空気排気の近くに誰もいないことを確認します。まず、高速バルブコントローラに空気供給を開きます。次に、システムに空気を入れるメインバルブを開きます。次に、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。次に、コントローラの横にある緑色のボタンを押して風洞をアクティブにし、高速バルブを開きます。

コーンモデル上のマッハ2.0の流れのシュリーレン画像を観察します。終了したら、逆順にバルブを閉じてから、コントローラをオフにして、風洞をオフにします。聴力保護を取り外す前に、装置が空気を放出するまで待ちます。

それでは、シュリーレンの設定を使用して取得した画像を見てみましょう。この実験で用いられたモデルは、半角15°のコーンで、マッハ2.0で超音速流れを行った。ここに示すように、衝撃波の存在を観察することができます。

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。斜めの衝撃角度値はテイラー・マッコール方程式から得られ、数値的に解かなければなりません。測定した実験角度は33.6°で、理論データと比較して1%未満の誤差であった。

さらに、シュリーレンの技術はコーンの上の拡張ファンの視覚化を可能にする。拡張ファンは、超音速の流れが凸角を回るときに発生する予想される拡張プロセスです。

要約すると、シュリーレン法は、超音速流の衝撃波と膨張ファンを可視化するために屈折率の変化をどのように使用するかを学びました。次に、イメージング技術を利用して、マッハ2.0流れ場の衝撃と膨張波のパターンをコーン上で可視化した。

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