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表面染料流可视化:观察超音速流中条纹模式的定性方法
 
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表面染料流可视化:观察超音速流中条纹模式的定性方法

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可视化汽车体周围的流对于理解和量化流结构以及对流体流动行为进行理论上的规范至关重要。一种类型的流动可视化称为表面流可视化,它使用染色流体来观察由物体周围的流体流跟踪的路径。

染料流动可视化涉及用染料涂覆感兴趣的主体,以观察身体表面的流动模式。染料是荧光染料颗粒和油的半粘性混合物。机油的高度粘性有助于维持车身表面的流动模式。而荧光染料让我们在紫外光下想象这些图案。

如果图像是在长时间曝光时拍摄的,则染料可用于跟踪单个流体粒子在流动中移动时所走的路径。当染料标记的流体颗粒穿过一个点或一个区域时,我们可以观察到连接所有染色颗粒的线。这称为条纹线。

在超音速流中,这些条纹可用于识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。

现在,让我们仔细看看球体的流动。附加的流显示为平滑的条纹,条纹的方向告诉我们曲面上的流动方向。流分离可以识别为染料团团和看起来更亮的区域。这是因为超过流动点分离的染料不受干扰。

在超音速流中,我们还可以观察到在身体表面形成冲击波,就像在导弹的鳍上由细薄的明亮曲线显示的。我们还可以使用此技术识别曲面上的畸形,如条纹受到干扰的区域所证明的那样。

在本实验中,我们将演示使用几个暴露于超音速流的不同物体的染料流可视化技术。

对于这个实验,我们将使用一个爆炸超音速风洞,其运行马赫数范围为1。5 到 4。此风洞在测试部分有 6 in x 4。通过调整块部分来改变马赫数。换句话说,通过更改测试部分的面积比。我们将测试和观察几个不同模型周围的条纹:2D楔形,3D楔块,圆锥体,钝鼻体,球体和导弹。

为了开始实验,将荧光染料粉末和矿物油混合在塑料碗中。在染料中加入少量矿物油,以增量连续混合,直到混合物是半粘性的,而不是薄和流淌。

现在,将刺放在风洞试验室上方,并将其锁定到位。然后,将 2D 楔形模型拧到刺痛安装上。固定楔块的方向,使楔形表面面向测试部分的透明侧壁。

使用画笔将厚厚的染料涂在模型表面,确保没有那么多染料滴落。然后调整块设置以达到所需的自由流马赫数。使用数字电平将攻击 Alpha 的角度调整为 0°。

现在,关闭并固定测试部分门,运行风洞 6 s。 在运行过程中向模型照射紫外线,以照亮染料。这使我们能够观察条纹模式的演变。

运行完成后,捕获最终流模式的图像。接下来,将攻击角度调整为 12°。像以前那样用染料绘制模型,在风洞运行6s。用紫外线照亮条纹,用相机捕捉图像。

在 -12° 处对 2D 楔形模型重复这些步骤。根据此处所示的测试矩阵,执行所有模型的测试并捕获条纹图像。在每个型号上完成所有测试后,关闭风洞并拆解设置。

现在,让我们来看看从 2D 楔块上的条纹开始的结果。0° 时,条纹图案显示整个主体的均匀流动,但中心存在表面畸形导致流分离的区域除外。当楔块角度为 12° 时,沿曲面的流量向上偏转,而流量在 -12° 设置下向下偏转。

查看 3D 楔形,我们可以看到模型中心的流模式与所有角度设置为 2D 楔形的流量模式相似。但是,顶部和底部边缘的流模式显示偏转,并且沿其长度观察到尖端涡效应。

圆锥体的条纹图案表明,对于所有攻击角度,围绕身体的流动曲线。我们还可以观察到,流分离发生在圆锥体的末端,如染料团团所在的区域所示。

对于钝鼻模型,我们以 0° 的攻击角度观察整个身体的附着流。 在 11 和 -11° 时,流沿表面轮廓绕主体旋转,并沿着染料凝聚的线分离。

虽然导弹模型前面的流动模式与钝鼻体相似,但鳍上的条纹显示了不同的特征。0° 时,顶部和底部鳍上的条纹在翅片前部显示附加的流,以交叉模式逐渐分离。我们还观察到,与吸头相比,流在鳍根处分离得更早。

如果我们看一下中央鳍的前缘的凝聚染料,我们可以看到条纹图案表示弓冲击与染料标记的冲击的形状。在 11° 的攻击角度下,我们观察到底部鳍上的完全连接的流量,但分离的流量靠近顶部鳍的根部。与 0° 外壳类似,中央鳍的存在会导致鳍前缘的弓冲击。

最后,对于球体,我们根据攻击角度的变化变化,因为无论偏转角度如何,流模式都保持不变。我们可以看到,随着马赫数的增加,分离点向身体的尾部移动,显示流量分离的减少。这是因为高速流具有更多的动量,这有助于流量克服球体上的不利压力梯度。这导致更高的流量附件与增加的马赫数。

总之,我们学习了如何使用条纹来识别流分离点、冲击形成点和流在表面的运动。然后,我们在风洞中将几个物体暴露在超音速流中,并观察到每个表面以不同攻击角度形成的条纹。

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