水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流

飞机机翼及其设计对于定义飞机的性能特征至关重要。三角翼是高速飞机中的流行设计，因为它在跨音速和超音速飞行状态下具有出色的性能。

三角翼有一个小的展弦比，其定义为翼展除以平均绳长。对于三角翼，这是根绳长度的 1/2。其他常见的机翼设计，如矩形机翼和后掠锥形机翼，具有更高的纵横比。

三角翼也具有较高的后掠角，其定义为 25% 弦线与侧轴之间的角度。这些机翼特性减少了高亚音速、跨音速和超音速飞行状态下的阻力。重要的是，与高展弦比机翼相比，三角翼具有较高的失速角。

在空气动力学中，失速角是攻角过高，导致升力降低的点。三角翼的高失速角是由于机翼上前缘涡流增强了升力，称为涡流升力。当三角翼受到较高的攻角时，就会发生涡流升力，这会导致气流分离发生在机翼的前缘，而不是像矩形机翼那样发生在后缘附近的下游。

前缘涡流的卷起在机翼的上表面产生低压。这种压差增强了升力。这些涡流从翼尖开始，向下游发展。在某个时候，它们会爆裂，称为涡流分解，这是由于高逆压力梯度造成的。

一旦发生涡流破裂，涡流就不能再产生低压。在低迎角时，涡流击穿发生在后缘的下游。然而，随着攻角的增加，涡流击穿的位置会向上游移动，直到机翼表面的大部分区域发生击穿。这会降低升力并导致机翼失速。

在这个实验中，我们将使用带有染料的水隧道在三角翼模型上可视化这些涡旋图案，并跟踪不同攻角的涡旋击穿位置。

要进行此实验，您需要进入输水隧道。首先，获得三个 500 mL 容器，每个容器至少装满一半的染料。使用一个容器来存放蓝色染料，另一个容器用于绿色染料，最后一个容器用于红色染料。

我们实验中使用的三角翼模型已经将管道连接到三个染料容器。它还有三个染料注射水龙头，可以将不同颜色的染料分散在机翼的三个不同区域。距离测量使用 1 厘米刻度线在机翼上标记。三角翼应该已经连接到 C 型支柱支架上。用螺丝将其连接到隧道上，使偏航角尽可能接近 0。

三角翼就位后，将水隧道注满水。确保附加带有刻度线的纸张，以便为侧视图提供参考。然后，放置相机以捕获机翼的俯视图。放置第二个摄像头以捕获侧视图。现在按每个相机上的"录制"以捕捉染料注射和后续漩涡的镜头。

通过调整 C 型支柱上的角度，手动将攻角设置为 0。然后，将水隧道流速设置为 4 in/s。流量稳定后，使用手动泵向染料储液槽供压。

观察染料的条纹，然后使用三个旋钮调整染料流速以产生连续的条纹。同时应用所有三种颜色使我们能够查看机翼不同区域的涡流相互作用。观察涡流相互作用并确定涡旋卷起和主涡旋核心。

在记录了至少 10 秒的漩涡后，将攻角更改为 5 度。等待流动线和条纹线稳定下来，并记录漩涡至少10秒。

通过在5？增量高达 55？。每次至少记录 10 秒的条纹线涡流模式。

如果水变得太浑浊，导致条纹线显得暗淡，请关闭染料供应并关闭隧道。沥干水并用淡水代替，然后再继续。

完成所有试验后，关闭相机并关闭染料供应。然后关闭隧道并排干水。完成后，请务必将染料从隧道中洗掉。

从实验中，我们可以识别出不同攻角的涡流故障。如图所示，测量从机翼顶点到涡流击穿的距离，标记为 LB。为简单起见，我们将此距离称为距后缘和弦长度的百分比。

现在让我们看看每个攻角从后缘到涡旋击穿的距离。如图所示，随着攻角的增加，涡流击穿位置逐渐向上游移动。当攻角等于 40 时，涡旋击穿发生在距后缘 96% 的和弦位置处。换句话说，几乎到机翼的顶点。在这种姿态下，三角翼经历了一个完全的失速。换句话说，它完全失去了提升。

总之，我们了解了三角翼的低展弦比和高后掠角如何导致其涡旋升力和延迟失速。然后，我们在水隧道中的模型三角翼上观察涡流现象，并使用涡旋击穿来估计失速角。