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水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流
 

水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流

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飞机机翼及其设计对于确定飞机的性能特性至关重要。三角翼是高速飞机的热门设计,由于其在跨音和超音速飞行系统的出色表现。

增量翼具有较小的纵横比,定义为翼展除以平均线长。对于增量翼,这是根线长度的 1/2。其他常见的翼形设计,如矩形翼和扫锥翼,具有更高的纵横比。

增量翼子板也有一个高扫描角度,定义为 25% 和弦线和侧轴之间的角度。这些机翼特性减少了高亚音速、跨音和超音速飞行装置的阻力。重要的是,与高纵横比翼相比,三角翼具有较高的失速角度。

在空气动力学中,失速角度是攻击角度过高,导致提升降低的点。三角洲翼的高失速角度是由于机翼上由一个前沿涡旋增强的提升,称为涡旋提升。当三角洲翼受到更高的攻击角时,就会发生涡流提升,导致在机翼前缘发生流量分离,而不是像矩形翼一样在后缘附近下游发生。

前缘涡流卷起导致机翼上表面低压。此压差可增强提升。这些涡流从机翼顶点开始,向下游推进。在某个时候,由于高气压梯度,它们爆裂,称为涡流分解。

一旦涡流分解,涡流就不能再诱导低压了。在低攻击角度时,涡流分解发生在后缘的下游。然而,随着攻击角度的增加,涡流击穿的位置会向上游移动,直到在大部分机翼表面发生击穿。这减少了提升,并导致机翼失速。

在本实验中,我们将使用带有染料的水隧道在三角洲翼模型上可视化这些涡流模式,并跟踪不同攻击角度的涡流分解位置。

要进行此实验,您需要访问水隧道。首先,获得三个500-mL容器,每个容器至少装满一半的染料。使用一个容器用于蓝色染料,另一个用于绿色染料,最后一个用于红色染料。

实验中使用的增量翼模型已经将管子连接到三个染料容器。它还有三个染料注射水龙头,这将分散不同的颜色染料在机翼的三个不同区域。距离测量值使用 1 厘米刻度线在机翼上标记。增量翼应该已经连接到 C 支柱支架上。使用螺钉将其连接到隧道,使偏航角度尽可能接近 0。

一旦三角洲翼就位,就给水隧道注水。确保附加带有刻度线的纸张,为侧视图提供参考。然后,放置摄像机以捕捉机翼的顶视图。放置第二个摄像机以捕获侧视图。现在,按每台相机上的"记录"来捕捉染料注射和随后的涡流的镜头。

通过调整 C 柱上的角度,手动将攻击角度设置为 0。然后,将水隧道流量速度设置为 4 in/s。一旦流量稳定,使用手动泵向染料储液罐提供压力。

观察染料的条纹,然后使用三个旋钮调整染料流速以生成连续条纹。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,识别涡旋卷起和主涡芯。

记录至少 10 秒的漩涡后,将攻击角度更改为 5 度。等待流和条纹线稳定并记录涡流至少 10 s。

通过以 5° 的增量将攻击角度增加到 55°来重复测量。每次记录至少 10 s 的条纹涡流模式。

如果水变得太模糊,导致条纹线显得暗淡,关闭染料供应并关闭隧道。先排干水,用清水代替,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,一定要把染料从隧道里洗掉。

通过实验,我们可以识别不同攻击角度的涡流分解。如图所示,测量了从机翼顶点到涡流分解的距离(标记为 LB)。为简单起见,我们将此距离作为从后缘的弦长度的百分比进行引用。

现在,让我们来看看从后缘到涡流分解每个攻击角度的距离。如图所示,随着攻击角度的增加,涡流分解位置会逐渐向上游移动。当攻击角度等于 40°时,涡流分解发生在从后缘到弦位置的 96% 处。换句话说,几乎达到机翼的顶点。在这种态度下,三角洲的机翼经历了一个满的摊位。换句话说,它经历了完全失去的提升。

总之,我们了解到三角洲翼的低纵横比和高扫描角度如何导致其涡旋提升和延迟失速。然后,我们观察到水隧道中模型三角洲翼上的涡流现象,并使用涡流分解来估计失速角。

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