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Visualización del flujo de tinte superficial: un método cualitativo para observar patrones de raya en el flujo supersónico

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Visualizar el flujo alrededor de un cuerpo automático es fundamental para comprender y cuantificar la estructura de flujo, así como para teorizar el comportamiento del flujo de fluido. Un tipo de visualización de flujo se denomina visualización de flujo de superficie que utiliza un fluido tetado para observar la ruta trazada por el flujo de fluido alrededor de un objeto.

La visualización del flujo de tinte implica el recubrimiento del cuerpo de interés con un tinte para observar patrones de flujo a lo largo de la superficie del cuerpo. El tinte es una mezcla semi-viscosa de partículas fluorescentes de tinte y aceite. La naturaleza altamente viscosa del aceite ayuda a mantener los patrones de flujo en la superficie del cuerpo. Mientras que el tinte fluorescente nos permite visualizar esos patrones bajo una luz UV.

Si la imagen se toma con exposición prolongada, el tinte se puede utilizar para rastrear la trayectoria tomada por una sola partícula de fluido a medida que se mueve en el flujo. A medida que las partículas de líquido marcadas con tinte pasan a través de un punto o área, podemos observar la línea que une todas las partículas teñidas. Esto se llama el raya.

En el flujo supersónico, estas rayas se pueden utilizar para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choque y el movimiento del flujo a través de la superficie.

Ahora echemos un vistazo más de cerca al flujo sobre la esfera. El flujo adjunto aparece como rayas lisas y la dirección de las rayas nos indica la dirección del flujo en la superficie. La separación del flujo se puede identificar como la región donde el tinte se aglutina y parece más brillante. Esto se debe a que el tinte más allá del punto de separación del flujo no se altera.

En el flujo supersónico, también podemos observar la formación de ondas de choque en la superficie del cuerpo como en las aletas de un misil mostrado por una curva brillante delgada. También podemos utilizar esta técnica para identificar deformidades en una superficie como lo demuestran las regiones donde se perturban las rayas.

En este laboratorio, demostraremos la técnica de visualización del flujo de tinte utilizando varios cuerpos diferentes expuestos al flujo supersónico.

Para este experimento, usaremos un túnel de viento supersónico con un rango de números Mach operativo de 1. 5 a 4. Este túnel de viento tiene una sección de prueba de 6 en x 4. El número Mach se varía ajustando la sección de bloque. En otras palabras, cambiando la relación de área de la sección de prueba. Probaremos y observaremos las rayas alrededor de varios modelos diferentes: una cuña 2D, una cuña 3D, un cono, un cuerpo de nariz contundente, una esfera y un misil.

Para comenzar el experimento, mezcle el polvo de colorante fluorescente y el aceite mineral en un recipiente de plástico. Añadir pequeñas cantidades de aceite mineral al tinte en incrementos mezclando continuamente hasta que la mezcla sea semi-viscosa y no delgada y escurrida.

Ahora, monte la picadura por encima de la cámara de prueba del túnel de viento y enciérrela en su lugar. A continuación, atornille el modelo de cuña 2D en el soporte de picadura. Fije la dirección de la cuña para que la superficie de la cuña esté orientada hacia las paredes laterales transparentes de la sección de prueba.

Utilice un pincel para aplicar una gruesa capa de tinte a la superficie del modelo asegurando que no hay tanto que gotee. A continuación, ajuste el ajuste del bloque para alcanzar el número de mach de flujo libre deseado. Ajuste el ángulo de ataque alfa a 0o utilizando un nivel digital.

Ahora, cierre y asegure la puerta de la sección de prueba y ejecute el túnel de viento durante 6 s. Brilla una luz UV en el modelo durante la carrera para iluminar el tinte. Esto nos permite observar la evolución de los patrones de rayas.

Una vez completada la ejecución, capture una imagen de los patrones de flujo finales. A continuación, ajuste el ángulo de ataque a 12o. Pinta el modelo con tinte como antes y ejecuta el túnel de viento durante 6 s. Ilumina las rayas con la luz UV y captura la imagen con una cámara.

Repita estos pasos para el modelo de cuña 2D a -12o. Ejecute la prueba y capture imágenes de línea de banda para todos los modelos de acuerdo con la matriz de prueba que se muestra aquí. Cuando se hayan completado todas las pruebas en cada modelo, apague el túnel de viento y desmonte la configuración.

Ahora echemos un vistazo a los resultados comenzando con las rayas sobre la cuña 2D. A 0o, el patrón de raya muestra un flujo uniforme en todo el cuerpo, excepto en la región donde hay una deformidad de superficie en el centro que hace que el flujo se separe. Cuando la cuña está en ángulo de 12o, el flujo a lo largo de la superficie se desvía hacia arriba mientras que el flujo se desvía hacia abajo en el ajuste de -12o.

Mirando la cuña 3D, podemos ver que el patrón de flujo en el centro del modelo es similar al observado para la cuña 2D en todos los ajustes de ángulo. Sin embargo, el patrón de flujo en los bordes superior e inferior muestran la desviación y el efecto de vórtice de punta se observa a lo largo de su longitud.

Los patrones de raya para el cono muestran que para todos los ángulos de ataque, el flujo se curva alrededor del cuerpo. También podemos observar que la separación del flujo se produce al final del cono como lo indica la región donde el tinte se aglutina.

Para el modelo de nariz contundente, observamos el flujo unido en todo el cuerpo en un ángulo de ataque de 0o.  A 11 y -11o, el flujo se curva alrededor del cuerpo siguiendo el contorno de la superficie y se separa a lo largo de la línea donde se une el tinte.

Mientras que los patrones de flujo en la parte delantera del modelo de misil son similares a los del cuerpo de la nariz contundente, las rayas en las aletas muestran características variadas. A 0o, las rayas en las aletas superior e inferior muestran un flujo unido en la parte delantera de la aleta con separación gradual que ocurre en un patrón cruzado. También observamos que el flujo se separa mucho antes en la raíz de las aletas en comparación con las puntas.

Si nos fijamos en el tinte fusionado en el borde delantero de la aleta central, podemos ver que los patrones de raya indican un choque de arco con la forma del amortiguador marcado por el tinte. En un ángulo de ataque de 11o, observamos un flujo completamente unido en la aleta inferior, pero flujo separado cerca de la raíz de la aleta superior. De forma similar a la caja de 0o, la presencia de la aleta central provoca un golpe en el borde delantero de la aleta.

Finalmente, para la esfera, variamos el número mach en lugar del ángulo de ataque, ya que los patrones de flujo siguen siendo los mismos independientemente del ángulo de desviación. Podemos ver que a medida que aumenta el número de mach, el punto de separación se mueve hacia la popa del cuerpo mostrando una separación de flujo decreciente. Esto se debe al hecho de que los flujos de velocidad más altos tienen más impulso que ayuda al flujo a superar el gradiente de presión adversa sobre la esfera. Esto conduce a un mayor grado de conexión de flujo con mayor número de mach.

En resumen, aprendimos cómo se pueden utilizar las rayas para identificar el punto de separación del flujo, la formación de choques y el movimiento del flujo a través de una superficie. Luego expusimos varios cuerpos a flujo supersónico en un túnel de viento y observamos las rayas que se formaban en cada superficie en diferentes ángulos de ataque.

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