Eksperimentell undersøkelse av flyt over en Delta-vinge Via flyt visualisering metoder
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å observere ustø vortical flyter over en delta-vinge bruker en modifisert røyken flyt visualisering teknikk og undersøke mekanisme ansvarlig for svingninger av ledende vortex sammenbrudd plasseringer.
Abstract
Det er velkjent at feltet flyt over en delta-vinge domineres av et par counter roterende ledende virvlene (LEV). Men er deres mekanismen ikke godt forstått. Flyt visualisering teknikken er en lovende ikke-påtrengende måte å illustrere feltet komplekse flyt romlig og timelig. En grunnleggende flyt visualisering oppsett består av en høy-drevet laser og fiberoptisk linser generere laser arket, et kamera, en tracer partikkel generator og en data prosessor. Vindtunnel oppsettet, spesifikasjonene til enhetene som er involvert og tilsvarende parameterinnstillingene er avhengig av flyt funksjonene innhentes.
Normal røyk wire flyt visualisering bruker en røyk wire for å demonstrere flyt-streaklines. Men er resultatene av denne metoden begrenset av dårlig romlig oppløsning når den utføres i et kompleks flyt. Derfor er en forbedret røyken flyt visualisering teknikk utviklet. Denne teknikken illustrerer det store globale LEV feltet informasjonsflyt og småskala skjær lag flyt struktur samtidig, gir en verdifull referanse for senere detaljert partikkel velocimetry (PIV) måle.
I dette papiret, er anvendelse av forbedret røyken flyt visualisering og PIV mål å studere ustø flyt fenomener over en delta-vinge demonstrert. Framgangsmåten og forsiktighetsregler for å gjennomføre eksperimentet er oppført, inkludert vindtunnel oppsett, datainnsamling og databehandling. Representant resultatene viser at disse to flyt visualisering metoder er effektive teknikker for å undersøke feltet tredimensjonale flyt kvalitativt og kvantitativt.
Introduction
Feltet måling via visualiseringsteknikker er en grunnleggende metode i væske engineering. Blant de ulike visualisering teknikkene er røyk wire flyt Visualisering vindtunnel eksperimenter og fargestoff visualisering vann tunnel eksperimenter de mest brukte å illustrere flyt strukturer kvalitativt. PIV og laser Doppler anemometry (LDA) er to typiske kvantitative teknikker1.
Røyk wire flyt visualisering, røyk streaklines generert fra olje dråper på en oppvarming ledning eller injiseres fra ytre røyk generator/beholderen under forsøkene. Høyeffekts lys eller laser ark brukes til å belyse den røyk streaklines. Bildene registreres deretter for nærmere analyse. Dette er en enkel men meget nyttig flyt visualisering metode2. Effektiviteten av denne metoden kan imidlertid være begrenset av ulike faktorer, som kort varighet røyk ledninger, feltet komplekse tredimensjonale flyt, den relativt høy hastigheten flyt, og effektiviteten av røyk generasjon3.
Et tverrsnitt av en flyt feltet med entrained partikler er opplyst av en laser ark PIV målinger, og øyeblikkelig plasseringen av partikler i denne tverrsnitt er fanget av et høyhastighets kamera. Innenfor et svært lite tidsintervall registreres et par bilder. Dele bildene i et rutenett av avhør og beregne gjennomsnittlig bevegelse partikler i avhør områder gjennom kryss-korrelasjon funksjoner, fås øyeblikkelig hastighet vektorkart denne observert tverrsnitt. Men er det også kjent at kompromisser må nås for faktorer, inkludert størrelsen på vinduet observasjon, oppløsningen av hastighet kartet, hastighet omfanget i flyet, tidsintervallet mellom to bildene, ortogonale hastigheten omfanget og partikkel tetthet4. Derfor kan mange utforskende eksperimenter være nødvendig å optimalisere eksperimentelle innstillingene. Det ville være dyrt og tidkrevende å undersøke et ukjent og komplekse felt med PIV måling alene5,6. Vurderer de ovennevnte bekymringene, er en strategi for å kombinere røyken flyt visualisering og PIV måling foreslått og demonstrert her for å studere komplekse flyten over en slank delta-vinge.
Tallrike studier av LEV flyter over delta vinger har vært gjennomført7,8, med flyt visualiseringsteknikker som de viktigste verktøyene. Mange interessante flyt fenomener er observert: spiral type og boble type vortex sammenbrudd9,10, en ustø skjær lag underkonstruksjonen11,12, oscillerende LEV sammenbrudd steder13 , og effekten av pitching og yaw vinkler14,15,16 om flyt strukturer. De underliggende mekanismene litt ustø fenomener i delta-vingen renn beholdes imidlertid uklart7. I dette arbeidet forbedret røyk flyt visualisering bruker samme seeding partikler i PIV måling, i stedet for en røyk wire. Denne forbedringen sterkt forenkler driften av effekten og øker kvaliteten på bildene. Basert på resultatene fra forbedret røyken flyt visualisering, fokuserer PIV måling på disse flyt interesseområder å erverve kvantitativ informasjon.
Her tilbys en detaljert beskrivelse for å forklare hvordan å gjennomføre en flyt visualisering eksperiment i en vindtunnel og undersøke ustø flyt fenomener over en delta-vinge. To visualisering metoder, forbedret røyken flyt visualisering og PIV måling, brukes sammen i dette eksperimentet. Prosedyren inneholder trinnvis veiledning for enhet oppsett og parameteren justering. Typiske resultater er vist for å vise fordelen av å kombinere disse to metodene for å måle feltet komplekse flyt romlig og timelig.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikkelen presenterer to flyt visualisering metoder, forbedret røyken flyt visualisering og PIV måling, å undersøke flyt struktur over delta vingen kvalitativt og kvantitativt. Den generelle prosedyrer for eksperimentet er beskrevet trinn for trinn. Oppsett av disse to metodene er nesten det samme, mens enhetene som er involvert er forskjellige. For disse to flyt visualisering metodene er å belyse partikler i strømmen via laser arket. Forbedret røyken flyt visualisering kan få globale flyt struktur og små…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne gjerne takke Hong Kong forskningsråd tilskudd (nei. GRF526913), Hong Kong innovasjon og teknologi Commission (nei. Its/334/15FP), og oss Office av Naval Research globalt (nei. N00014-16-1-2161) for økonomisk støtte.
Materials
| 532 nm Nd:YAG laser | Quantel Laser | Evergreen 600mJ | |
| High speed camera | Dantec Dynamic | HiSense 4M | |
| camera lens | Tamron | SP AF180mm F/3.5 Di | |
| PIV recording and processing software | Dantec Dynamic | DynamicStudio | |
| cylindrical lens | Newport | Φ=12 mm | |
| convex lens | Newport | f=700 mm | |
| neutral density filter | Newport | ||
| Calibration target | custom made | ||
| aerosol generator | TSI | TSI 9307-6 | |
| PULSE GENERATOR | Berkeley Nucleonics Corp | BNC 575 | |
| continuous laser | APGL-FN-532-1W | ||
| Digital camera | Nikon | Nikon D5200 | |
| Image processing | Matlab | custom code | |
| wind tunnel support | custom made | ||
| laser level | BOSCH | GLL3-15X | |
| angle meter | BOSCH | GAM220 |
References
- Smits, A. J. . Flow visualization: Techniques and examples. , (2012).
- Barlow, J. B., Rae, W. H., Pope, A. . Low-speed wind tunnel testing. , (1999).
- Merzkirch, W. . Flow visualization. , (1987).
- Raffel, M., Willert, C. E., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle image velocimetry: A practical guide. , (2007).
- Westerweel, J., Elsinga, G. E., Adrian, R. J. Particle Image Velocimetry for Complex and Turbulent Flows. Annu Rev Fluid Mech. 45 (1), 409-436 (2013).
- Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. PIV measurements of a microchannel flow. Exp Fluids. 27 (5), 414-419 (1999).
- Gursul, I. Review of unsteady vortex flows over slender delta wings. J Aircraft. 42 (2), 299-319 (2005).
- Gursul, I., Gordnier, R., Visbal, M. Unsteady aerodynamics of nonslender delta wings. Prog Aerosp Sci. 41 (7), 515-557 (2005).
- Lowson, M. Some experiments with vortex breakdown. JRoy Aeronaut Soc. 68, 343-346 (1964).
- Payne, F. M., Ng, T., Nelson, R. C., Schiff, L. B. Visualization and wake surveys of vortical flow over a delta wing. AIAA J. 26 (2), 137-143 (1988).
- Lowson, M. V. The three dimensional vortex sheet structure on delta wings. Fluid Dynamics of Three-Dimensional Turbulent Shear Flows and Transition. , 11.11-11.16 (1989).
- Riley, A. J., Lowson, M. V. Development of a three-dimensional free shear layer. J Fluid Mech. 369, 49-89 (1998).
- Menke, M., Gursul, I. Unsteady nature of leading edge vortices. Phys Fluids. 9 (10), 2960 (1997).
- Yayla, S., Canpolat, C., Sahin, B., Akilli, H. Yaw angle effect on flow structure over the nonslender diamond wing. AIAA J. 48 (10), 2457-2461 (2010).
- Menke, M., Gursul, I. Nonlinear response of vortex breakdown over a pitching delta Wing. J Aircraft. 36 (3), 496-500 (1999).
- Sahin, B., Yayla, S., Canpolat, C., Akilli, H. Flow structure over the yawed nonslender diamond wing. Aerosp Sci Technol. 23 (1), 108-119 (2012).
- Kohlman, D. L., Wentz, J. W. H. Vortex breakdown on slender sharp-edged wings. J Aircraft. 8 (3), 156-161 (1971).
- Lu, L., Sick, V. High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces. J Vis Exp. (76), e50559 (2013).
- Mitchell, A. M., Barberis, D., Molton, P., Délery, J. Oscillation of Vortex Breakdown Location and Blowing Control of Time-Averaged Location. AIAA J. 38 (5), 793-803 (2000).
- Shen, L., Wen, C. -. y., Chen, H. -. A. Asymmetric Flow Control on a Delta Wing with Dielectric Barrier Discharge Actuators. AIAA J. 54 (2), 652-658 (2016).
- Leibovich, S. The Structure of Vortex Breakdown. Annu Rev Fluid Mech. 10 (1), 221-246 (1978).
- Mitchell, A. M., Molton, P. Vortical Substructures in the Shear Layers Forming Leading-Edge Vortices. AIAA J. 40 (8), 1689-1692 (2002).
- Gad-El-Hak, M., Blackwelder, R. F. The discrete vortices from a delta wing. AIAA J. 23 (6), 961-962 (1985).
- Zhou, J., Adrian, R. J., Balachandar, S., Kendall, T. M. Mechanisms for generating coherent packets of hairpin vortices in channel flow. J. Fluid Mech. 387, 353-396 (1999).
- Adrian, R. J., Christensen, K. T., Liu, Z. C. Analysis and interpretation of instantaneous turbulent velocity fields. Exp Fluids. 29 (3), 275-290 (2000).
- Yoda, M., Hesselink, L. A three-dimensional visualization technique applied to flow around a delta wing. Exp. Fluids. 10 (2-3), (1990).
- Greenwell, D. I. . RTO AVT Symposium. , (2001).
- Furman, A., Breitsamter, C. Turbulent and unsteady flow characteristics of delta wing vortex systems. Aerosp Sci Technol. 24 (1), 32-44 (2013).
- Wang, C., Gao, Q., Wei, R., Li, T., Wang, J. 3D flow visualization and tomographic particle image velocimetry for vortex breakdown over a non-slender delta wing. Exp Fluids. 57 (6), (2016).
