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Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel
 

Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel: Den spitzen Wirbel über einem Deltaflügel beobachten

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Flugzeugflügel und ihr Design sind für die Definition der Leistungsmerkmale eines Flugzeugs von wesentlicher Bedeutung. Der Delta-Flügel ist ein beliebtes Design in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen aufgrund seiner hervorragenden Leistung in transonischen und Überschall-Flugregimen.

Der Deltaflügel hat ein kleines Seitenverhältnis, das als Spannweite dividiert durch die durchschnittliche Schnurlänge definiert ist. Für einen Delta-Flügel ist dies 1/2 der Wurzelschnurlänge. Andere gängige Flügelkonstruktionen, wie der rechteckige Flügel und der gefegte verjüngte Flügel, haben höhere Seitenverhältnisse.

Der Deltaflügel hat auch einen hohen Sweep-Winkel, der als Winkel zwischen der 25% Akkordlinie und der Seitenachse definiert ist. Diese Flügeleigenschaften reduzieren den Luftwiderstand bei hohen Unterschall-, Transononen- und Überschallflugregimen. Wichtig ist, dass der Deltaflügel einen hohen Stillstandswinkel im Vergleich zu Flügeln mit hohem Seitenverhältnis aufweist.

In der Aerodynamik ist der Stillstandswinkel der Punkt, an dem der Angriffswinkel zu hoch ist, wodurch der Hub abnimmt. Der hohe Stallwinkel eines Deltaflügels ist auf einen verstärkten Hub durch einen spitzen Wirbel über dem Flügel zurückzuführen, den sogenannten Wirbellift. Vortex-Lift tritt auf, wenn ein Deltaflügel höheren Angriffswinkeln ausgesetzt ist, was dazu führt, dass die Strömungstrennung an der Vorderkante des Flügels stattfindet, anstatt in der Nähe der Hinterkante flussabwärts zu erfolgen, wie es bei einem rechteckigen Flügel der Fall wäre.

Das Aufrollen der vorderen Wirbel induziert einen niedrigen Druck auf die Oberseite des Flügels. Dieses Druckdifferenzial verbessert den Auftrieb. Diese Wirbel beginnen von der Flügelspitze und schreiten flussabwärts voran. Irgendwann platzten sie, wirbeld genannt, aufgrund des hohen widrigen Druckgradienten.

Sobald der Wirbelabbau eintritt, kann der Wirbel keinen niedrigen Druck mehr auslösen. Bei niedrigen Angriffswinkeln tritt der Wirbelabbau flussabwärts der Hinterkante auf. Mit zunehmendem Angriffswinkel bewegt sich die Position des Wirbelbruchs jedoch stromaufwärts bis zu einem Punkt, an dem der Abbau über den größten Teil der Flügeloberfläche auftritt. Dies reduziert den Auftrieb und führt zum Stillstand des Flügels.

In diesem Experiment werden wir einen Wassertunnel mit Farbstoff verwenden, um diese Wirbelmuster auf einem Delta-Flügelmodell zu visualisieren und die Position der Wirbelteilung in verschiedenen Angriffswinkeln zu verfolgen.

Um dieses Experiment durchzuführen, benötigen Sie Zugang zu einem Wassertunnel. Zuerst erhalten Sie drei 500-ml-Behälter und füllen sie jeweils mindestens halb voll mit Farbstoff. Verwenden Sie einen Behälter für blauen Farbstoff, einen anderen für grünen Farbstoff und den letzten für roten Farbstoff.

Das Delta-Flügelmodell, das in unserem Experiment verwendet wird, hat Schläuche, die bereits mit den drei Farbstoffbehältern verbunden sind. Es hat auch drei Farbstoff-Injektionshähne, die einen verschiedenen Farbfarbstoff an drei verschiedenen Bereichen des Flügels dispergieren. Abstandsmessungen werden auf dem Flügel mit 1-cm-Teilstrichen markiert. Der Deltaflügel sollte bereits an einer C-Strut-Stütze befestigt werden. Schließen Sie es mit Schrauben an den Tunnel an, so dass der Gähnwinkel so nah wie möglich an 0 bleibt.

Sobald der Deltaflügel an Ort und Stelle ist, füllen Sie den Wassertunnel mit Wasser. Stellen Sie sicher, dass Sie ein Papier mit Teilstrichen anhängen, um eine Referenz für die Seitenansicht bereitzustellen. Positionieren Sie dann eine Kamera, um die obere Ansicht des Flügels zu erfassen. Positionieren Sie eine zweite Kamera, um die Seitenansicht zu erfassen. Drücken Sie nun auf jeder Kamera auf "Record", um Aufnahmen der Farbinjektion und der nachfolgenden Wirbel aufzunehmen.

Stellen Sie den Angriffswinkel manuell auf 0 ein, indem Sie den Winkel auf der C-Strut einstellen. Stellen Sie dann die Wassertunnel-Durchflussgeschwindigkeit auf 4 in/s ein. Sobald sich der Durchfluss stabilisiert hat, wird der Druck auf die Farbstoffbehälter mit der manuellen Pumpe erhöht.

Beobachten Sie die Färbestreifen des Farbstoffs, und passen Sie dann die Farbdurchflussrate mit den drei Knöpfen an, um einen kontinuierlichen Streifen zu erzeugen. Durch das Gleichzeitige Anwenden aller drei Farben können wir die Wirbelinteraktionen an verschiedenen Bereichen des Flügels anzeigen. Beobachten Sie die Wirbelinteraktionen und identifizieren Sie den Wirbelrollup und den primären Wirbelkern.

Nachdem Sie mindestens 10 Sekunden des Wirbels aufgezeichnet haben, ändern Sie den Angriffswinkel auf fünf Grad. Warten Sie, bis sich die Strömungs- und Streifenlinien stabilisieren und die Wirbel für mindestens 10 s aufzeichnen.

Wiederholen Sie die Messung, indem Sie den Angriffswinkel in 5°-Schritten bis zu 55° erhöhen. Zeichnen Sie jedes Mal mindestens 10 s des Streakline-Wirbelmusters auf.

Wenn das Wasser zu trübe wird, wodurch die Streifenlinien stumpf erscheinen, schließen Sie die Farbversorgung und schalten Sie den Tunnel aus. Das Wasser abtropfen lassen und durch frisches Wasser ersetzen, bevor Sie fortfahren.

Wenn alle Versuche abgeschlossen sind, schalten Sie die Kamera aus und schließen Sie die Farbversorgung. Dann den Tunnel ausschalten und das Wasser abtropfen lassen. Achten Sie darauf, den Farbstoff aus dem Tunnel zu waschen, wenn Sie fertig sind.

Aus dem Experiment können wir Wirbelbrüche in verschiedenen Angriffswinkeln identifizieren. Der Abstand vom Flügelspitze zum Wirbelabbau, der als LB bezeichnet wird, wird wie gezeigt gemessen. Der Einfachheit halber verweisen wir diesen Abstand als Prozentsatz der Akkordlänge von der nachfolgenden Kante.

Sehen wir uns nun den Abstand von der hinteren Kante zur Wirbelaufschlüsselung für jeden Angriffswinkel an. Wie hier gezeigt, bewegt sich die Wirbel-Aufschlüsselungsposition allmählich stromaufwärts, wenn der Angriffswinkel zunimmt. Wenn der Angriffswinkel 40° entspricht, tritt der Wirbelabbau bei 96 % der Akkordposition von der hinteren Kante auf. Mit anderen Worten, fast bis zur Spitze des Flügels. Bei dieser Haltung erlebt der Deltaflügel einen vollen Stillstand. Mit anderen Worten, es erlebt einen totalen Verlust von Aufzug.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie das niedrige Seitenverhältnis und der hohe Schwungwinkel eines Deltaflügels zu seinem Wirbellift und verzögertem Stillstand beitragen. Wir beobachteten dann das Wirbelflussphänomen auf einem Modelldeltaflügel in einem Wassertunnel und nutzten den Wirbelabbau, um den Stallwinkel zu schätzen.

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