Overview
공기역학 연구에서 유동 시각화는 신체 주변 또는 신체에서 중요한 도구입니다. 그것은 질적으로 그리고 정량적으로 유동 구조를 연구하는 방법을 제공하고, 또한 연구원이 유체 흐름 행동을 이론화하고 확인하는 데 도움이됩니다. 흐름 시각화는 표면 외 시각화 및 표면 흐름 시각화의 두 범주로 나눌 수 있습니다. 표면 외 유동 시각화 기술은 관심 있는 몸 주위의 흐름 특성을 결정하는 것을 포함합니다. 여기에는 입자 이미지 속도측정(PIV), 슐리렌 이미징 및 연기 흐름 시각화를 포함하지만 제한되지 는 않습니다. 이러한 기술은 신체 주위의 흐름에 대한 정량적 데이터뿐만 아니라 정량적 데이터를 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 기술은 일반적으로 비용이 많이 들고 설정하기가 어렵습니다. 반면, 표면 유량 시각화 기술은 표면의 흐름을 연구하기 위해 염료로 관심 있는 본체를 코팅하는 것을 포함한다. 실제로 더 침습적인 이러한 기술은 염료 흐름 시각화를 포함하고, 최근에는 신체 표면의 흐름에 대한 상세한 이미지를 제공하는 압력에 민감한페인트를사용합니다. 이를 통해 연구원은 라미나르 버블, 경계 층 전환 및 유량 분리를 포함한 다양한 흐름 피쳐를 시각화할 수 있습니다. 염료 흐름 시각화, 현재 실험에 관심있는 기술, 표면 흐름의 질적 그림을 제공하고 특히 신체에 기체 흐름을 시각화하기위한 가장 간단하고 가장 비용 효율적인 표면 흐름 시각화 방법 중 하나입니다.
이 실험에서는 6개의 바디에 표면 흐름 거동이 초음속 유동에서 공부됩니다. 줄무늬 패턴은 염료 유동 시각화 기술을 사용하여 얻어지며, 유동 경로, 유동 부착 및 분리 정도, 그리고 유동 이미지로부터 위치 및 유형의 충격이 식별되고 연구된다.
Principles
염료 유동 시각화에서 유체 입자는 염료로 표시되어 흐름이 도입됨에 따라 입자에 의해 추적되는 경로를 얻습니다. 염료는 형광염염분 입자와 오일의 반점성 혼합물이다. 형광염은 유체 입자를 색칠하고 UV 광원에 의해 흥분될 때 이를 조명하며, 오일은 몸이 더 이상 흐름에 노출되지 않은 후에도 표면의 흐름 패턴을 유지하는 데 도움이 됩니다. 염료 흐름 시각화 기술은 모든 표면에서 흐름 패턴을 분석하는 매우 간단하고 저렴하며 빠른 방법을 제공합니다.
이미징 방법에 따라 염료 흐름 시각화를 사용하여 유체 흐름의 결과로 줄무늬선을 찾을 수 있습니다. 이미지가 장시간 노출되어 촬영되는 경우, 염료를 사용하여 흐름에서 이동할 때 단일 유체 입자가 가져온 경로를 추적할 수 있습니다. 현재 실험에 사용되는 기술에서, 점 또는 영역을 통과하는 모든 유체 입자는 염료로 표시되고, 신체가 활성 흐름에 배치된 후 모든 염색된 입자에 결합하는 선은 줄무늬선이다. 여기서, 유동 시각화 실험의 끝에 포착된 단일 프레임은 신체의 일반적인 표면 흐름을 연구하기에 충분한 정보를 제공한다. 줄무늬선을 통한 염료 시각화는 표면을 따라 흐르는 움직임에 대한 세부 정보를 제공하는 것 외에도 표면 흐름 피쳐를 식별하는 데도 도움이 됩니다. 초음속 흐름에 염료 시각화를 사용하면 체표면을 가로지르는 흐름 분리, 충격 형성 및 움직임의 움직임을 식별할 수 있으며, 모두 신체를 공기역학적으로 최적화하는 데 도움이 되는 기능입니다.
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Procedure
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초음속 흐름에서 줄무늬 관찰
- 형광염염가와 미네랄 오일을 플라스틱 그릇에 섞습니다. 소량의 미네랄 오일을 증분의 염료에 넣고 반점성 혼합물을 얻을 때까지 지속적으로 혼합합니다. 혼합물은 콧림해서는 안됩니다.
- 초음속 풍동 테스트 챔버 위에 쏘는 것을 마운트하고 제자리에 고정합니다. 도 1에도시된 바와 같이 시험 섹션에서 6x 4의 블로우다운 초음속 풍동과 1.5~4의 작동 마하 수 범위가 이 데모에서 사용되었다. 마하 번호는 블록 설정을 조정하여 다양합니다(테스트 섹션의 영역 비율 변경).
- 2D 웨지 모델을 찌르는 마운트에 나사로 고정하고 쐐기 표면이 풍터널 테스트 섹션의 투명한 사이드월을 향하고 있도록 쐐기의 방향을 고정합니다. 모든 모델은 그림 2에표시됩니다.
- 페인트 브러시를 사용하여 모델에 충분한 양의 염료 혼합물을 적용합니다. 염료가 모델에서 떨어지지 않도록 합니다. 참조그림 3을 참조하십시오.
- 원하는 프리 스트림 마하 번호에 대한 블록 설정을 조정합니다.
- 풍동 패널을 닫고 고정합니다.
- 풍관을 6초 동안 실행합니다.
- 실행이 완료되면 모델에 UV 광을 비추어 염료를 비춥춥춥습니다. 카메라로 줄무늬 이미지를 캡처합니다.
- 모델 및 반복 단계 1.4 - 1.9에 대한 표 1에 나열된 테스트 매트릭스에 따라 공격 또는 마하 수의 각도를 조정합니다.
- 표 1에 나열된 모든 모델에 대해 1.3 - 1.9 단계를 반복합니다.
- 모든 모델이 테스트되면 풍동을 종료하고 설정을 해체합니다.
그림 1. 블로우 다운 초음속 풍동.
그림 2. 풍구 모델(왼쪽에서 오른쪽) 2D 웨지, 3D 웨지, 콘, 무딘 코 바디, 구, 미사일.
표 1. 테스트 매트릭스.
| 모델 | 공격 각도 (q) 또는 마하 번호 (M) 설정 |
| 2D 10° 웨지 | θ = 0, 12 및 -12° |
| 3D 10° 웨지 | θ = 0, 12 및 -12° |
| 원뿔 | θ = 0, 13 및 -13° |
| 무딘 코 바디 | θ = 0, 11 및 -11° |
| 미사일 | θ = 0 및 11° |
| 구체 | M = 2, 2.5 및 3 |
그림 3. 2D 웨지에 그려진 형광염의 대표적인 이미지.
오토바디 주위의 흐름을 시각화하는 것은 유체 흐름 거동을 이론화하는 것 뿐만 아니라 유동 구조를 이해하고 정량화하는 데 매우 중요합니다. 한 가지 유형의 유동 시각화는 염색된 유체를 사용하여 오브젝트 주위의 유체 흐름에 의해 추적된 경로를 관찰하는 표면 흐름 시각화라고 합니다.
염료 유동 시각화는 신체 표면을 따라 유동 패턴을 관찰하기 위해 염료로 관심있는 신체를 코팅하는 것을 포함한다. 염료는 형광염염분 입자와 오일의 반점성 혼합물이다. 오일의 점성이 높은 특성은 신체 표면의 흐름 패턴을 유지하는 데 도움이됩니다. 형광염은 자외선 아래에서 이러한 패턴을 시각화할 수 있습니다.
이미지가 장시간 노출되어 촬영되는 경우, 염료를 사용하여 흐름에서 이동할 때 단일 유체 입자가 가져온 경로를 추적할 수 있습니다. 염료 표시 유체 입자가 점 또는 영역을 통과할 때, 우리는 염색된 입자의 모든 결합선을 관찰할 수 있습니다. 이를 줄무늬라고 합니다.
초음속 흐름에서 이러한 줄무늬는 표면을 가로지르는 흐름 분리, 충격 형성 및 흐름의 움직임을 식별하는 데 사용할 수 있습니다.
이제 구의 흐름을 자세히 살펴보겠습니다. 연결된 흐름은 매끄러운 줄무늬선으로 나타나며 줄무늬선의 방향은 표면의 흐름 방향을 알려줍니다. 유동 분리는 염료가 뭉쳐서 밝게 보이는 영역으로 식별될 수 있다. 이는 유동 분리 지점을 넘어 염료가 방해받지 않고 있기 때문입니다.
초음속 흐름에서는 얇은 밝은 곡선으로 표시된 미사일의 지느러미처럼 신체 표면에 충격파가 형성되는 것을 관찰할 수 있습니다. 또한 이 기술을 사용하여 줄무늬선이 방해받는 지역에서 입증된 것으로 표면의 기형을 식별할 수 있습니다.
이 실험실에서는 초음속 흐름에 노출된 여러 가지 신체를 사용하여 염료 유동 시각화 기술을 시연할 것입니다.
이 실험을 위해, 우리는 1의 작동 마하 번호 범위와 초음속 풍터널을 날려 버릴 것입니다. 5 ~ 4. 이 풍동은 테스트 섹션에서 6 x 4를 가지고 있습니다. 마하 번호는 블록 섹션을 조정하여 다양합니다. 즉, 시험 단면의 영역 비율을 변경하여. 우리는 2D 웨지, 3D 웨지, 콘, 무딘 코 몸체, 구체 및 미사일과 같은 여러 가지 모델 의 주위에 줄무늬를 테스트하고 관찰할 것입니다.
실험을 시작하려면 형광염 염료 분말과 미네랄 오일을 플라스틱 그릇에 섞습니다. 혼합물이 반 점성이 있고 얇고 콧물때까지 지속적으로 혼합되는 증분에서 소량의 미네랄 오일을 염색체에 첨가하십시오.
이제 풍동 테스트 챔버 위에 쏘는 것을 장착하고 제자리에 잠급하십시오. 그런 다음 2D 웨지 모델을 쏘는 마운트에 나사로 나사로 세팅합니다. 쐐기 표면이 테스트 섹션의 투명한 측벽을 향하게 되도록 쐐기방향을 수정합니다.
페인트 브러시를 사용하여 모델 표면에 두꺼운 염료 층을 적용하여 너무 많이 떨어지지 않도록 합니다. 그런 다음 블록 설정을 조정하여 원하는 자유 스트림 마하 수에 도달합니다. 디지털 레벨을 사용하여 공격 알파의 각도를 0°로 조정합니다.
이제 테스트 단면 문을 닫고 고정하고 6 s의 풍동을 실행합니다. 염색을 비추기 위해 실행 중에 모델에 UV 광을 비추습니다. 이를 통해 줄무늬 패턴의 진화를 관찰할 수 있습니다.
실행이 완료되면 최종 흐름 패턴의 이미지를 캡처합니다. 다음으로 공격 각도를 12°로 조정합니다. 모델을 이전과 같이 염색으로 페인트하고 6s의 풍구를 실행합니다. UV 조명으로 줄무늬를 비추고 카메라로 이미지를 캡처합니다.
-12°에서 2D 웨지 모델에 대한 이 단계를 반복합니다. 여기에 표시된 테스트 매트릭스에 따라 모든 모델에 대한 테스트를 실행하고 줄무늬 이미지를 캡처합니다. 각 모델에서 모든 테스트가 완료되면 풍문을 종료하고 설정을 분해합니다.
이제 2D 웨지의 줄무늬라인부터 시작되는 결과를 살펴보겠습니다. 0°에서, 줄무늬 패턴은 중앙에 표면 기형이 있는 영역을 제외하고는 몸 전체에 균일한 흐름을 나타내며, 이는 흐름이 분리되는 원인이 된다. 웨지가 12°로 기울어지면 -12° 설정에서 흐름이 아래쪽으로 편향되는 동안 표면을 따라 흐르는 흐름이 위쪽으로 편향됩니다.
3D 웨지를 보면 모델 중앙의 흐름 패턴이 모든 각도 설정에서 2D 웨지에 대해 관찰된 것과 유사하다는 것을 알 수 있습니다. 그러나, 위쪽 및 아래쪽 가장자리의 흐름 패턴은 편향을 나타내고 팁 소용돌이 효과는 길이를 따라 관찰된다.
원뿔의 줄무늬 패턴은 모든 공격 각도에 대해 몸 주위의 흐름 곡선을 보여줍니다. 우리는 또한 염료가 덩어리가 되는 지역에 의해 표시된 대로 콘의 끝에서 유동 분리가 일어나는 것을 관찰할 수 있습니다.
무딘 코 모델의 경우, 우리는 0 °의 공격 각도로 몸 전체에 부착 된 흐름을 관찰합니다. 11 및 -11°에서 유동은 표면 윤곽을 따라 몸 주위로 구부러지고 염료가 합쳐지는 선을 따라 분리됩니다.
미사일 모델 앞의 흐름 패턴은 무딘 코 본체와 비슷하지만, 지느러미의 줄무늬는 다양한 특징을 보여줍니다. 0°에서 위쪽 및 하단 지느러미의 줄무늬선은 지느러미 앞쪽에 부착된 흐름을 표시하며, 교차 패턴에서 점진적인 분리가 발생합니다. 우리는 또한 흐름이 팁에 비해 지느러미의 뿌리에서 훨씬 일찍 분리되는 것을 관찰합니다.
중앙 지느러미의 앞가장자리에서 합쳐진 염료를 보면 줄무늬 패턴이 염료로 표시된 충격의 모양으로 활 충격을 나타내는 것을 볼 수 있습니다. 11° 각도의 공격각도에서, 우리는 바닥 지느러미에 완전히 부착된 흐름을 관찰하지만 상단 지느러미의 뿌리에 가깝게 분리된 흐름을 관찰합니다. 0° 케이스와 마찬가지로 중앙 지느러미의 존재는 핀의 앞가장자리에 활 충격을 일으킵니다.
마지막으로, 구의 경우, 휘체 패턴이 편향 각도에 관계없이 동일하게 유지됨에 따라 공격 각도와는 달리 마하 수가 다양합니다. 우리는 마하 수가 증가함에 따라 분리 지점이 감소하는 흐름 분리를 보여주는 신체의 선도쪽으로 이동한다는 것을 알 수 있습니다. 이는 속도 흐름이 높을수록 흐름이 구체에 비해 불리한 압력 그라데이션을 극복하는 데 도움이 되는 더 많은 모멘텀을 가지고 있기 때문입니다. 이로 인해 마하 수가 증가하여 더 높은 수준의 흐름 부착이 발생합니다.
요약하자면, 우리는 줄무늬라인을 사용하여 표면을 가로지르는 흐름의 흐름 분리, 충격 형성 및 이동 지점을 식별하는 방법을 배웠습니다. 그런 다음 풍동의 초음속 흐름에 여러 개의 시체를 노출시키고 다양한 공격 각도에서 각 표면에 형성된 줄무늬선을 관찰했습니다.
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Results
표 1에 나열된 6개 모델 및 조건에 대한 줄무늬 흐름 패턴은 다음과 같습니다. 2D 웨지의 경우, 도 4에도시된 바와 같이, 표면 기형이 있는 영역을 제외하고, 체내에서 균일한 흐름 패턴이 관찰되어 흐름이 분리된다. 12°에서각도를 조정하면 표면을 따라 흐르는 흐름이 위쪽으로 편향됩니다. 이 효과는 모델이 -12°각도로 기울어지면 미러됩니다. 일반적으로 모든 경우 표면 기형 영역을 제외한 전체 표면에 연결된 흐름이 표시됩니다.
그림 4. Ɵ = 0°, 12°및 -12°의 경우 2D 웨지(왼쪽에서 오른쪽)를 통해 줄무늬 흐름 패턴입니다.
도 5의 관측에 따르면 3D 웨지의 중심의 흐름 패턴은 3각 설정에서 2D 웨지에 대해 관찰된 것과 유사하지만, 위쪽 및 하단 모서리 근처의 흐름 패턴은 흐름 편향을 표시합니다. 이것은 쐐기의 가장자리에 있는 팁 vortices에 기인할 수 있습니다. 팁 효과는 2D 웨지에 존재하지만 웨지 중심과 가장자리 사이의 거리가 클수록 팁이 중앙 쐐기 흐름에 미치는 영향을 무효화합니다. 또한 줄무늬라인에흐름 분리가 표시되지 않습니다.
그림 5. Ɵ = 0°, 12°및 -12°에대한 3D 쐐기 (왼쪽에서 오른쪽으로)를 통해 줄무늬 흐름 패턴.
도 6에표시된 콘의 줄무늬 흐름 패턴은 편향 방향으로 휘빙되는 흐름으로 모든 공격 각도에 대해 신체 전체에 걸쳐 유선형의 부착된 흐름을 표시합니다. 우리는 또한 염료가 덩어리가 되는 부위에 의해 표시된 바와 같이, 콘의 끝에서 유동 분리가 발생하는 것을 관찰한다.
그림 6. Ɵ = 0°, 13°및 -13°의 콘(왼쪽에서 오른쪽)을 통해 줄무늬 흐름 패턴.
그림 7은 공격의 세 각도에서 무딘 가장자리를 통해 흐름 패턴을 비교합니다. Ɵ = 0°가 되면 전신에 연결된 흐름이 표시됩니다. Ɵ = 11 및 -11°에서 유동은 바디 주위(표면 윤곽 다음)이지만 염료가 합쳐지는 선을 따라 분리됩니다.
그림 7. Ɵ = 0°, 11°및 -11°의 무딘 코 바디(왼쪽에서 오른쪽)를 통해 줄무늬 흐름 패턴.
미사일 앞면의 흐름 패턴은 무딘 코 본체에서 관찰된 흐름 패턴과 유사하지만, 미사일 지느러미(그림8)의줄무늬는 흥미로운 흐름 특징을 보여준다. Ɵ = 0°에서 상단 및 하단 지느러미의 줄무늬선은 지느러미 끝과 뿌리에서 비롯된 교차 패턴으로 점진적인 분리가 발생하는 지느러미 앞면의 흐름이 표시됩니다. 우리는 또한 흐름이 팁에 비해 지느러미의 뿌리에서 훨씬 일찍 분리되는 것을 관찰합니다. 또 다른 흥미로운 관찰은 중앙 지느러미의 앞가장자리에서 결합 된 염료를 연구함으로써 이루어집니다. 줄무늬 패턴은 염료로 표시된 충격의 모양으로 활 충격을 나타냅니다. 미사일이11°로기울어져 있을 때, 우리는 바닥 지느러미에 완전히 부착된 흐름을 관찰하지만 상부 지느러미의 뿌리에 가깝게 분리된 흐름을 관찰한다. 0° 케이스와 마찬가지로 중앙 지느러미의 존재는 지느러미선에서 활 충격을 일으킵니다.
그림 8. Ɵ = 0° 및 11°의 미사일(왼쪽에서 오른쪽)을 통해 줄무늬 흐름 패턴.
구의 경우 마하 수가 다양하기 때문에 굴절 각도에 관계없이 구 주위의 흐름 패턴은 동일하게 유지되었습니다. 도 9의 관측에 따르면 마하 수가 증가함에 따라 분리 영역(염료가 방해되지 않는 영역으로 표시)이 감소합니다. 이는 속도 흐름이 높을수록 더 많은 모멘텀이 있기 때문에 흐름이 구체에 비해 불리한 압력 그라데이션을 극복할 수 있기 때문입니다. 이로 인해 마하 수가 증가함에 따라 흐름 부착도가 높아지게 됩니다.
그림 9. 구(왼쪽에서 오른쪽) M = 2, 2.5 및 3을 통해 줄무늬 흐름 패턴.
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Applications and Summary
초음속 흐름에서 6개 이상의 체내에서 줄무늬 흐름 패턴을 표면 염료 유동 시각화를 사용하여 연구되었다. 2D 및 3D 웨지 의 흐름 패턴은 팁 효과가 표면 흐름 구조를 결정하는 데 지배적인 역할을 한다는 것을 보여주었습니다. 콘 을 통해 흐름은 완전히 ±13 °의 편향 범위에 부착 된 것으로 나타났다. 무딘 코 모델은 미사일의 초기 섹션에서도 관찰된 패턴인 11°의 각도로 편향될 때 명확한 분리 선을 보여주는 최초의 바디였다. 미사일 지느러미의 흐름 패턴은 유동 분리 및 충격 형성과 같은 흥미로운 특징을 나타냅니다. 우리는 또한 지느러미의 앞가장자리에 형성 된 충격 (활 쇼크)의 유형을 추론했습니다. 마지막으로, 구를 통해 흐름에 대한 마하 수를 변경하면 유동 속도가 증가하여 구체에서 유동 분리 지점이 이동한다는 것이 나타났다. 전반적으로, 실험은 더 능률적이고 효율적인 에어로 차량을 얻기 위해 신속한 설계 프로세스에서 항공 우주 엔지니어가 사용하는 기술인 줄무늬 염료 흐름 시각화의 단순성과 효율성을 입증했습니다.
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