Overview
הדמיית זרימה סביב או על גוף היא כלי חשוב במחקר אווירודינמיקה. הוא מספק שיטה לחקר איכות וכמותי של מבנה הזרימה, והוא גם מסייע לחוקרים לתעד ולאמת התנהגות זרימת נוזלים. ניתן לחלק פריט חזותי של זרימה לשתי קטגוריות: תצוגה חזותית מחוץ לפני השטח ופריטים חזותיים של זרימת פני השטח. טכניקות הדמיה של זרימה מחוץ לפני השטח כרוכות בקביעת מאפייני הזרימה סביב גוף העניין. הם כוללים אך אינם מוגבלים לתמונת חלקיקים ולוצימטריה (PIV), הדמיית שלירן והדמיה של זרימת עשן. טכניקות אלה יכולות לספק נתונים איכותיים וכמותיים על הזרימה סביב הגוף. עם זאת, טכניקות אלה הן בדרך כלל יקר וקשה להגדיר. טכניקות הדמיה של זרימת פני השטח, לעומת זאת, כרוכות בציפוי גוף העניין בצבע כדי לחקור את הזרימה על פני השטח. טכניקות אלה, שהן פולשניות יותר בפועל, כוללות הדמיהשלזרימת הצבע ולאחרונה משתמשות בצבע רגיש ללחץ, המעניק תמונה מפורטת של הזרימה על פני הגוף. זה מאפשר לחוקרים לדמיין תכונות זרימה שונות, כולל בועות למינאר, מעברי שכבת גבול והפרדת זרימה. הדמיית זרימת הצבע, טכניקת העניין בניסוי הנוכחי, מספקת תמונה איכותית של זרימת פני השטח והיא אחת משיטות ההדמיה הפשוטות והחסכוניות ביותר של זרימת פני השטח, במיוחד להדמיית זרימות גזיות על גוף.
בניסוי זה, התנהגות זרימת פני השטח על שישה גופים נחקרת בזרימה על-קולית. דפוסי הפסים מתקבלים באמצעות טכניקת ההדמיה של זרימת הצבע, ונתיבי הזרימה, מידת ההתקשרות וההפרדה של הזרימה, והמיקום וסוג הזעזועים מזוהים ונחקרים מתמונות הזרימה.
Principles
בהדמיית זרימת הצבע, חלקיקי נוזל מסומנים בצבע כדי להשיג את הנתיב שנמצא על ידי החלקיקים עם הזרימה. הצבע הוא תערובת צמיגית למחצה של חלקיקי צבע פלואורסצנטי ושמן. הצבע הפלואורסצנטי צובע את חלקיקי הנוזל ומאיר אותם כאשר הם מתרגשים ממקור אור UV, והשמן מסייע בשמירה על דפוסי הזרימה על פני השטח, גם לאחר שהגוף אינו חשוף עוד לזרימה. טכניקת ההדמיה של זרימת הצבע מספקת דרך פשוטה מאוד, זולה ומהירה לנתח את דפוסי הזרימה על פני כל משטח.
בהתאם לשיטת ההדמיה, ניתן להשתמש בהדמיית זרימת הצבע כדי למצוא את הפסים כתוצאה מזרימת הנוזלים. אם התמונה נלקחת עם חשיפה ממושכת, הצבע יכול לשמש כדי לעקוב אחר הנתיב שנלקח על ידי חלקיק נוזל יחיד כפי שהוא נע בזרימה. בטכניקה המשמשת בניסוי הנוכחי, כל חלקיקי הנוזל העוברים דרך נקודה או אזור מסומנים בצבע, והקו המצטרף לכל החלקיקים הצבועים לאחר שהגוף הוצב בזרימה פעילה הוא הפס. כאן, מסגרת אחת שנלכדה בסוף ניסוי הדמיית הזרימה מספקת מספיק מידע כדי לחקור את זרימת פני השטח הכללית על הגוף. הדמיה של צבע באמצעות פסים, בנוסף למתן פרטים על תנועת הזרימה לאורך פני השטח, מסייעת גם בזיהוי תכונות זרימת פני השטח. שימוש בהדמיית צבע בזרימה על-קולית יכול לזהות הפרדת זרימה, היווצרות הלם ותנועה של זרימה על פני השטח של הגוף, כולם תכונות המסייעות לייעל את הגוף באופן אווירודינמי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
-
התבוננות בפסים בזרימה על-קולית
- מערבבים את אבקת הצבע הפלואורסצנטי ושמן מינרלי בקערת פלסטיק. מוסיפים כמויות קטנות של שמן מינרלי לצבע במרווחים, ומערבבים ברציפות עד שמתקבלת תערובת חצי צמיגית. התערובת לא צריכה להיות נוזלית.
- הר את העוקץ מעל תא הבדיקה של מנהרת הרוח העל-קולית ונעל אותו למקומו. בהדגמה זו נעשה שימוש במנהרת רוח על-קולית עם 6 ב-x 4 בקטע הבדיקה וטווח מספרים של 1.5 עד 4 נוסעים, כפי שמוצג באיור 1. מספר ה- Mach משתנה על-ידי התאמת הגדרת הבלוק (שינוי יחס השטח של מקטע הבדיקה).
- בורג מודל טריז 2D על הרכב עוקץ ולתקן את הכיוון של טריז כך משטח טריז פונה לקירות הצד השקופים של קטע הבדיקה מנהרת הרוח. כל הדגמים מוצגים באיור 2.
- השתמש במכחול כדי להחיל כמות מספקת של תערובת צבע על המודל. ודא כי הצבע אינו מטפטף את המודל. ראה איור 3 לעיון.
- התאם את הגדרת הבלוק עבור מספר ה-Mach הרצוי בזרם החופשי.
- סגור ואבטח את לוחות מנהרת הרוח.
- הפעל את מנהרת הרוח במשך 6 שניות.
- לאחר השלמת הריצה, הדליקו אור UV על הדגם כדי להאיר את הצבע. לכוד את תמונת הפסים באמצעות מצלמה.
- התאם את זווית ההתקפה או את מספר ה- Mach בהתאם למטריצת הבדיקה המפורטת בטבלה 1 לדגם וחזר על שלבים 1.4 - 1.9.
- חזור על שלבים 1.3 - 1.9 עבור כל הדגמים המפורטים בטבלה 1.
- כאשר כל הדגמים נבדקו, כבה את מנהרת הרוח ופרק את ההקמה.
איור 1. מנהרת רוח על-קולית מתנפחת.
איור 2. דגמי מנהרות רוח (משמאל לימין) טריז 2D, טריז 3D, חרוט, גוף האף קהה, כדור, וטיל.
טבלה 1. מטריצת בדיקה.
| מודל | הגדרת זווית התקפה (q) או מספר Mach (M) |
| טריז 2D 10° | θ = 0, 12 ו- -12° |
| טריז 3D 10° | θ = 0, 12 ו- -12° |
| חרוט | θ = 0, 13 ו- -13° |
| גוף האף קהה | θ = 0, 11 ו- -11° |
| טיל | θ = 0 ו 11° |
| כַּדּוּר | M = 2, 2.5 ו- 3 |
איור 3. תמונה מייצגת של צבע פלואורסצנטי צבוע על טריז 2D.
הדמיית הזרימה סביב גוף אוטומטי היא קריטית להבנה וכימות מבנה הזרימה, כמו גם לתיאוריית התנהגות זרימת הנוזלים. סוג אחד של הדמיית זרימה נקרא הדמיית זרימת פני השטח המשתמש בנוזל צבוע כדי להתבונן בנתיב שזרימת נוזלים עוקבת אחריו סביב אובייקט.
הדמיית זרימת צבע כרוכה בציפוי גוף העניין בצבע כדי להתבונן בדפוסי זרימה לאורך פני הגוף. הצבע הוא תערובת צמיגית למחצה של חלקיקי צבע פלואורסצנטי ושמן. האופי הצמיגי ביותר של השמן מסייע לשמור על דפוסי הזרימה על פני הגוף. בעוד הצבע הפלואורסצנטי מאפשר לנו לדמיין דפוסים אלה תחת אור UV.
אם התמונה נלקחת עם חשיפה ממושכת, הצבע יכול לשמש כדי לעקוב אחר הנתיב שנלקח על ידי חלקיק נוזל יחיד כפי שהוא נע בזרימה. כאשר חלקיקי נוזל מסומנים בצבע עוברים דרך נקודה או אזור, אנו יכולים לראות את הקו מצטרף לכל החלקיקים הצבעים. זה נקרא הרצף.
בזרימה על-קולית, פסים אלה יכולים לשמש כדי לזהות את נקודת הפרדת הזרימה, היווצרות ההלם ותנועת הזרימה על פני השטח.
עכשיו בואו נסתכל מקרוב על הזרימה מעל הכדור. זרימה מצורפת מופיעה כפס חלק וכיוון הפסים אומר לנו את כיוון הזרימה על פני השטח. ניתן לזהות הפרדת זרימה כאזור שבו הצבע מתקבץ למעלה ונראה בהיר יותר. הסיבה לכך היא שצבע מעבר לנקודת הפרדת הזרימה אינו מופרע.
בזרימה על-קולית, אנו יכולים גם לראות היווצרות של גלי הלם על פני השטח של הגוף כמו על סנפירי טיל המוצגים על ידי עקומה בהירה דקה. אנו יכולים גם להשתמש בטכניקה זו כדי לזהות עיוותים על משטח כפי שמעידים אזורים שבהם הפסים מופרעים.
במעבדה זו, אנו מדגימים את טכניקת ההדמיה של זרימת הצבע באמצעות מספר גופים שונים החשופים לזרימה על-קולית.
לניסוי זה, נשתמש במנהרת רוח על-קולית עם טווח מספרים של 1. 5 עד 4. למנהרת הרוח הזו יש 6 ב-4 בסעיף הבדיקה. מספר ה- Mach משתנה על-ידי התאמת מקטע הבלוק. במילים אחרות, על ידי שינוי יחס השטח של מקטע הבדיקה. נבחן ונצפה בפסים סביב מספר דגמים שונים: טריז 2D, טריז תלת מימדי, חרוט, גוף אף קהה, כדור וטיל.
כדי להתחיל את הניסוי, מערבבים אבקת צבע פלואורסצנטי ושמן מינרלי בקערת פלסטיק. מוסיפים כמויות קטנות של שמן מינרלי לצבע במרווחים מתערבבים ברציפות עד שהתערובת חצי צמיגית ולא דקה ונזלת.
עכשיו, לעלות על העוקץ מעל תא הבדיקה מנהרת הרוח ולנעול אותו למקומו. לאחר מכן, בורג מודל טריז 2D על mount העוקץ. תקן את כיוון היתד כך שמשטח היתד פונה לקירות הצד השקופים של מקטע הבדיקה.
השתמש במברשת צבע כדי להחיל שכבה עבה של צבע על פני השטח של המודל להבטיח כי אין כל כך הרבה כי זה מטפטף. לאחר מכן התאם את הגדרת הבלוק כדי להגיע למספר הזרם החופשי הרצוי. התאם את זווית התקיפה אלפא ל- 0° באמצעות רמה דיגיטלית.
עכשיו, לסגור ולאבטח את דלת סעיף הבדיקה ולהפעיל את מנהרת הרוח במשך 6s. הדליקו אור UV על הדגם במהלך הריצה כדי להאיר את הצבע. זה מאפשר לנו להתבונן בהתפתחות של דפוסי הפסים.
לאחר השלמת הריצה, לכוד תמונה של דפוסי הזרימה הסופיים. לאחר מכן, התאם את זווית ההתקפה ל-12°. לצבוע את הדגם עם צבע כמו קודם ולהפעיל את מנהרת הרוח במשך 6 s. האירו את הפסים עם אור ה-UV ולכוד את התמונה באמצעות מצלמה.
חזור על שלבים אלה עבור דגם טריז 2D ב- -12°. בצע את הבדיקה ולכוד תמונות פסים עבור כל הדגמים על פי מטריצת הבדיקה המוצגת כאן. לאחר השלמת כל הבדיקות בכל דגם, כבה את מנהרת הרוח ופרק את ההתקנה.
עכשיו בואו נסתכל על התוצאות החל עם פסים מעל טריז 2D. ב 0°, דפוס הרצף מראה זרימה אחידה בכל הגוף למעט באזור שבו יש עיוות פני השטח במרכז הגורם לזרימה להיפרד. כאשר היתד בזווית ל- 12°, הזרימה לאורך פני השטח מוטה כלפי מעלה בעוד הזרימה מוטה כלפי מטה בהגדרה -12°.
בהסתכלות על טריז תלת-ממד, אנו יכולים לראות שתבנית הזרימה במרכז הדגם דומה לזו שנצפתה עבור טריז הדו-ממדי בכל הגדרות הזווית. עם זאת, דפוס הזרימה בקצה העליון והתחתון מראה הסטה ואפקט מערבולת הקצה נצפה לאורכם.
דפוסי פסים עבור החרוט מראים כי עבור כל זוויות ההתקפה, הזרימה מתעקלת סביב הגוף. אנו יכולים גם להבחין כי הפרדת זרימה מתרחשת בסוף החרוט כפי שצוין על ידי האזור שבו הצבע מתקבץ למעלה.
עבור מודל האף הקהה, אנו מתבוננים בזרימה מחוברת בכל הגוף בזווית של התקפה של 0°. ב 11 ו -11°, הזרימה מתעקלת סביב הגוף בעקבות קווי המתאר של פני השטח ומפרידה לאורך הקו שבו הצבע מתמזג.
בעוד דפוסי הזרימה בחלק הקדמי של דגם הטיל דומים לזה של גוף האף הקהה, הפסים על הסנפירים מראים תכונות מגוונות. ב-0°, הפסים בסנפירים העליונים והתחתונים מראים זרימה מחוברת בחלק הקדמי של הסנפיר עם הפרדה הדרגתית המתרחשת בתבנית צולבת. אנו גם רואים כי הזרימה מתנתקת הרבה יותר מוקדם בשורש הסנפירים בהשוואה לטיפים.
אם נסתכל על הצבע המתמזג בקצה המוביל של הסנפיר המרכזי, נוכל לראות שדפוסי הפסים מצביעים על הלם קשת עם צורת ההלם המסומן על ידי הצבע. בזווית התקפה של 11 מעלות, אנו מתבוננים בזרימה מחוברת במלואה על הסנפיר התחתון אך מופרדים זרימה קרוב לשורש הסנפיר העליון. בדומה למארז של 0°, נוכחות הסנפיר המרכזי גורמת להלם קשת בקצה המוביל של הסנפיר.
לבסוף, עבור הכדור, אנחנו מגוונים מספר mach לעומת זווית ההתקפה כמו דפוסי הזרימה להישאר זהה ללא קשר לזווית הסטה. אנו יכולים לראות שככל שמספר המאק גדל, נקודת ההפרדה נעה לכיוון יעלות הגוף ומראה הפרדת זרימה פוחתת. זאת בשל העובדה כי זרימות מהירות גבוהה יותר יש יותר מומנטום אשר מסייע לזרימה להתגבר על שיפוע הלחץ השלילי מעל הכדור. זה מוביל לדרגה גבוהה יותר של התקשרות זרימה עם מספר mach מוגבר.
לסיכום, למדנו כיצד ניתן להשתמש בפסים כדי לזהות את נקודת הפרדת הזרימה, היווצרות ההלם ותנועת הזרימה על פני משטח. לאחר מכן חשפנו מספר גופים לזרימה על-קולית במנהרת רוח והבחנו בפסים שנוצרו על כל משטח בזוויות התקפה שונות.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
תבניות זרימת הפסים עבור ששת הדגמים והתנאים המפורטים בטבלה 1 מוצגות להלן. עבור טריז דו-ממדי, תבנית זרימה אחידה נצפתה על הגוף, כפי שמוצג באיור 4, למעט באזור שבו יש עיוות פני השטח, שגורם לזרימה להיפרד. כאשר בזווית ב 12°, הזרימה לאורך פני השטח מוטה כלפי מעלה. אפקט זה משוקף כאשר המודל הוא בזווית ב -12°. באופן כללי, כל המקרים מראים זרימה מחוברת על פני השטח כולו, למעט באזור העיוות של פני השטח ומאחוריו.
איור 4. דפוסי זרימת פסים מעל טריז דו-פעמי (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 12° ו- -12°.
תצפיות מאיור 5 מראות שבעוד שדפוסי הזרימה במרכז טריז תלת-ממד דומים לזה שנצפה עבור טריז הדו-ממדי בכל שלוש הגדרות הזווית, דפוסי הזרימה ליד הקצה העליון והתחתון מראים הסטת זרימה. ניתן לייחס זאת ל מערבולות הקצה בשולי היתד. בעוד שקיימים אפקטי קצה עבור טריז הדו-ממדי, המרחק הגדול יותר בין מרכז היתד לקצה שולל את השפעת הקצה על זרימת היתד המרכזית. בנוסף, הפסים אינם מראים הפרדת זרימה.
איור 5. דפוסי זרימה פסים מעל טריז תלת-ממדי (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 12°, ו -12°.
דפוסי זרימת הפסים של החרוט, המוצגים באיור 6, מראים זרימה יעילה ומחוברת לאורך הגוף לכל זוויות ההתקפה, כאשר הזרימה מתעקלת לכיוון הסטיה. אנו גם רואים כי הפרדת זרימה מתרחשת בסוף החרוט, כפי שצוין על ידי האזור שבו הצבע מתקבץ למעלה.
איור 6. דפוסי זרימת פסים מעל החרוט (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 13° ו- -13°.
איור 7 משווה את דפוסי הזרימה על קצה קהה בשלוש זוויות התקפה. כאשר Ɵ = 0°, אנו רואים זרימה מחוברת על כל הגוף. ב Ɵ = 11 ו -11°, הזרימה מתעקלת סביב הגוף (בעקבות קווי המתאר של פני השטח) אך נפרדת לאורך הקו שבו הצבע מתמזג.
איור 7. דפוסי זרימת פסים מעל גוף האף הקהה (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0°, 11°, ו-11°.
בעוד שדפוסי הזרימה בחלקו הקדמי של הטיל דומים לאלו שנצפו בגוף האף הקהה, הפסים על סנפירי הטילים(איור 8)מראים מאפייני זרימה מעניינים. ב- Ɵ = 0°, הפסים בסנפירים העליונים והתחתונים מראים זרימה מחוברת בחלק הקדמי של הסנפיר עם הפרדה הדרגתית המתרחשת בתבנית צולבת, שמקורה בקצות הסנפיר ובשורשים. אנו גם רואים כי הזרימה מתנתקת הרבה יותר מוקדם בשורש הסנפירים בהשוואה לטיפים. תצפית מעניינת נוספת נעשית על ידי לימוד הצבע המתמזג בקצה המוביל של הסנפיר המרכזי. דפוסי הפסים מצביעים על הלם קשת עם צורת ההלם המסומן על ידי הצבע. כאשר הטיל הוא בזווית ב 11° ,אנו מתבוננים זרימה מחוברת לחלוטין על הסנפיר התחתון אבל זרימה מופרדת קרוב לשורש הסנפיר העליון. בדומה למקרה 0° , נוכחותו של הסנפיר המרכזי גורמת הלם קשת על הסנפירים המובילים.
איור 8. דפוסי זרימת פסים מעל הטיל (משמאל לימין) עבור Ɵ = 0° ו 11°.
עבור הספירה, מכיוון שמספר ה-Mach היה מגוון, דפוסי הזרימה סביב הכדור נותרו זהים, ללא קשר לזווית הסטה. תצפיות מאיור 9 מראות שככל שמספר המך גדל, אזור ההפרדה (המצוין באזור שבו הצבע אינו מופרע) פוחת. הסיבה לכך היא שלזרימות מהירות גבוהות יותר יש יותר תנופה, מה שמאפשר לזרימה להתגבר על שיפוע הלחץ השלילי מעל הכדור. פעולה זו גורמת לדרגה גבוהה יותר של התקשרות זרימה עם הגדלת מספר Mach.
איור 9. דפוסי זרימה סטרקליניים מעל הכדור (משמאל לימין) M = 2, 2.5 ו- 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
דפוסי זרימת סטריקלין על פני שישה גופים בזרימה על-קולית נחקרו באמצעות הדמיה של זרימת צבע פני השטח. דפוסי זרימה מעל טריזים דו-ממדיים ותלד הראו שאפקטי קצה ממלאים תפקיד דומיננטי בקביעת מבנה זרימת פני השטח. הזרימה מעל החרוט הוצגה כחיבור מלא לטווח הסטה של ±13°. דגם האף הקהה היה הגוף הראשון שהראה קו הפרדה ברור כאשר הוא מוסטה בזווית של 11 מעלות, תבנית שנצפתה גם בחלק הראשוני של הטיל. דפוסי הזרימה על סנפירי הטיל מצביעים על מאפיינים מעניינים, כגון הפרדת זרימה ויצירת הלם. הסקתנו גם את סוג ההלם (הלם קשת) שנוצר בקצה המוביל של הסנפיר. לבסוף, שינוי מספר האך לזרימה מעל כדור הראה כי נקודת הפרדת הזרימה נעה למעלה על הספירה במהירות זרימה הולכת וגדלה. בסך הכל, הניסוי הדגים את הפשטות והיעילות של הדמיית זרימת צבע פסים, טכניקה המשמשת מהנדסי תעופה וחלל בתהליכי תכנון מהיר כדי להשיג כלי רכב אוויר יעילים ויעילים יותר.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
