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Surface Dye Flow Visualisierung: Eine qualitative Methode zur Beobachtung von Streakline-Mustern im Überschallfluss

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Die Visualisierung des Durchflusses um einen Autobody ist entscheidend für das Verständnis und die Quantifizierung der Strömungsstruktur sowie für die Theoretogierung des Strömungsverhaltens. Eine Art der Strömungsvisualisierung wird als Oberflächenflussvisualisierung bezeichnet, die eine gefärbte Flüssigkeit verwendet, um den Pfad zu beobachten, der durch den Flüssigkeitsfluss um ein Objekt verfolgt wird.

Die Visualisierung des Farbflusses beinhaltet die Beschichtung des Interessenkörpers mit einem Farbstoff, um Strömungsmuster entlang der Körperoberfläche zu beobachten. Der Farbstoff ist eine halbviskose Mischung aus fluoreszierenden Farbstoffpartikeln und Öl. Die hochviskose Natur des Öls trägt dazu bei, die Strömungsmuster auf der Körperoberfläche zu erhalten. Während der Fluoreszenzfarbstoff uns diese Muster unter einem UV-Licht visualisieren lässt.

Wenn das Bild mit längerer Belichtung aufgenommen wird, kann der Farbstoff verwendet werden, um den Pfad zu verfolgen, der von einem einzelnen Fluidteilchen genommen wird, während es sich im Fluss bewegt. Wenn Farbstoffmarkierte Flüssigkeitspartikel einen Punkt oder einen Bereich passieren, können wir die Linie beobachten, die alle gefärbten Partikel verbindet. Dies wird als Streakline bezeichnet.

Im Überschallfluss können diese Streifenlinien verwendet werden, um den Punkt der Strömungstrennung, Stoßbildung und Bewegung des Flusses über die Oberfläche zu identifizieren.

Werfen wir nun einen genaueren Blick auf den Fluss über die Kugel. Der angefügte Fluss erscheint als glatte Streifenlinie und die Richtung der Streifen gibt uns die Strömungsrichtung auf der Oberfläche an. Die Strömungstrennung kann als die Region identifiziert werden, in der sich der Farbstoff verklumpt und heller erscheint. Denn Farbstoff jenseits des Punkts der Strömungstrennung ist ungestört.

Im Überschallfluss können wir auch die Bildung von Stoßwellen auf der Oberfläche des Körpers beobachten, wie auf den Flossen einer Rakete, die durch eine dünne helle Kurve gezeigt wird. Wir können diese Technik auch verwenden, um Missbildungen auf einer Oberfläche zu identifizieren, wie durch Regionen belegt, in denen die Streifen gestört sind.

In diesem Labor zeigen wir die Farbfluss-Visualisierungstechnik mit mehreren verschiedenen Körpern, die dem Überschallfluss ausgesetzt sind.

Für dieses Experiment verwenden wir einen überschallüberschalligen Windkanal mit einem Betriebs-Mach-Nummernbereich von 1. 5 bis 4. Dieser Windkanal hat eine 6 in x 4 im Testabschnitt. Die Mach-Nummer wird durch Anpassen des Blockabschnitts variiert. Mit anderen Worten, durch Änderung des Flächenverhältnisses des Testabschnitts. Wir werden die Streifenlinien um mehrere verschiedene Modelle testen und beobachten: einen 2D-Keil, einen 3D-Keil, einen Kegel, einen stumpfen Nasenkörper, eine Kugel und eine Rakete.

Um das Experiment zu beginnen, mischen Sie Fluoreszenzpulver und Mineralöl in einer Plastikschüssel. Fügen Sie kleine Mengen Mineralöl in Schritten mischen, bis die Mischung halbviskos und nicht dünn und laufvoll ist.

Montieren Sie nun den Stachel über der Windkanal-Prüfkammer und verriegeln Sie ihn an Ort und Stelle. Schrauben Sie dann das 2D-Keilmodell auf die Stachelhalterung. Fixieren Sie die Richtung des Keils, sodass die Keilfläche den transparenten Seitenwänden des Prüfabschnitts zugewandt ist.

Verwenden Sie einen Pinsel, um eine dicke Farbschicht auf die Oberfläche des Modells aufzutragen, um sicherzustellen, dass es nicht so viel gibt, dass es abtropft. Passen Sie dann die Blockeinstellung an, um die gewünschte freie Stream-Mach-Nummer zu erreichen. Stellen Sie den Angriffswinkel alpha auf 0° mit einem digitalen Level.

Schließen und sichern Sie nun die Testteiltür und betreiben Sie den Windkanal für 6 s. Leuchten Sie während des Laufs ein UV-Licht auf das Modell, um den Farbstoff zu beleuchten. Dies ermöglicht es uns, die Entwicklung der Streakline-Muster zu beobachten.

Sobald der Lauf abgeschlossen ist, erfassen Sie ein Bild der endgültigen Flussmuster. Passen Sie als Nächstes den Angriffswinkel auf 12° an. Malen Sie das Modell wie bisher mit Farbstoff und führen Sie den Windkanal für 6 s. Beleuchten Sie die Streifenlinien mit dem UV-Licht und erfassen Sie das Bild mit einer Kamera.

Wiederholen Sie diese Schritte für das 2D-Keilmodell bei -12°. Führen Sie die Test- und Capture-Streakline-Bilder für alle Modelle gemäß der hier gezeigten Testmatrix aus. Wenn alle Tests an jedem Modell abgeschlossen sind, fahren Sie den Windkanal herunter und zerlegen Sie das Setup.

Werfen wir nun einen Blick auf die Ergebnisse, beginnend mit den Streifenlinien über dem 2D-Keil. Bei 0° zeigt das Streakline-Muster einen gleichmäßigen Fluss im gesamten Körper, außer in dem Bereich, in dem es eine Oberflächendeformität in der Mitte gibt, wodurch sich der Fluss trennt. Wenn der Keil auf 12° abgewinkelt ist, wird der Fluss entlang der Oberfläche nach oben abgelenkt, während der Fluss bei der Einstellung -12° nach unten abgelenkt wird.

Wenn wir uns den 3D-Keil ansehen, können wir sehen, dass das Strömungsmuster in der Mitte des Modells dem für den 2D-Keil bei allen Winkeleinstellungen beobachteten ähnelt. Das Strömungsmuster an den oberen und unteren Rändern zeigt jedoch eine Ablenkung und der Spitzenwirbeleffekt wird entlang ihrer Länge beobachtet.

Streakline-Muster für den Kegel zeigen, dass sich für alle Angriffswinkel die Strömungskurven um den Körper drehen. Wir können auch beobachten, dass die Strömungstrennung am Ende des Kegels stattfindet, wie durch den Bereich angezeigt wird, in dem der Farbstoff verklumpt.

Für das stumpfe Nasenmodell beobachten wir einen gebundenen Fluss im ganzen Körper in einem Angriffswinkel von 0°.  Bei 11 und -11° krümmt sich der Fluss um den Körper nach der Oberflächenkontur und trennt sich entlang der Linie, wo der Farbstoff zusammenkommt.

Während die Strömungsmuster in der Vorderseite des Raketenmodells denen des stumpfen Nasenkörpers ähneln, weisen die Streifenlinien auf den Flossen unterschiedliche Merkmale auf. Bei 0° zeigen die Streifenlinien auf der oberen und unteren Flossenseite einen anderten Fluss an der Vorderseite der Flosse mit einer allmählichen Trennung, die in einem Kreuzmuster auftritt. Wir beobachten auch, dass sich der Fluss viel früher an der Wurzel der Flossen im Vergleich zu den Spitzen löst.

Wenn wir uns den koalierten Farbstoff an der Vorderkante der Mittelflosse ansehen, können wir sehen, dass die Streakline-Muster auf einen Bogenschock mit der Form des Schocks hinweisen, der durch den Farbstoff gekennzeichnet ist. Bei einem Angriffswinkel von 11° beobachten wir einen vollständig befestigten Fluss an der unteren Flosse, aber einen abgetrennten Fluss in der Nähe der Wurzel der oberen Flosse. Ähnlich wie beim 0°-Gehäuse verursacht das Vorhandensein der Mittelflosse einen Bogenschock an der Vorderkante der Flosse.

Schließlich variierten wir für die Kugel die Mach-Zahl im Gegensatz zum Angriffswinkel, da die Strömungsmuster unabhängig vom Umlenkwinkel gleich bleiben. Wir können sehen, dass sich der Punkt der Trennung in Richtung des Hinterns des Körpers bewegt, der abnehmende Strömungstrennung zeigt, wenn die Mach-Zahl zunimmt. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass höhere Geschwindigkeitsströme mehr Schwung haben, was dem Fluss hilft, den negativen Druckgradienten über der Kugel zu überwinden. Dies führt zu einem höheren Grad an Strömungsbefestigung mit erhöhter mach-Zahl.

Zusammenfassend haben wir gelernt, wie Streifenlinien verwendet werden können, um den Punkt der Strömungstrennung, Schockbildung und Bewegung des Flusses über eine Oberfläche zu identifizieren. Wir setzten dann mehrere Körper dem Überschallfluss in einem Windkanal aus und beobachteten die Streifenlinien, die sich auf jeder Oberfläche in unterschiedlichen Angriffswinkeln bildeten.

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