Экспериментальное исследование структуры потока над треугольного крыла через методы визуализации потока
Summary
Здесь мы представляем протокола соблюдать нестационарных вихревые потоки над треугольного крыла, используя технику визуализации изменение потока дыма и расследование механизма, ответственного за колебания мест пробоя передовые вихря.
Abstract
Хорошо известно, что поле потока над треугольного крыла преобладают пара счетчика, вращающейся передовые вихрей (Лев). Однако не вполне понятно их механизм. Техника визуализации потока является перспективным неинтрузивный метод для иллюстрации области сложного потока пространственно и височно. Основной поток визуализации установки состоит из мощные лазерные и оптические линзы для генерации лазерного лист, фотоаппарат, генератор частиц трассирующими и данных процессора. Аэродинамической установки, спецификации участвующих устройств и соответствующих параметров зависит от особенностей потока, которые могут быть получены.
Банковский дым поток визуализации использует дым провод для демонстрации векторная потока. Однако производительность этого метода ограничено бедных пространственного разрешения когда она проводится в поле сложного потока. Таким образом был разработан метод визуализации улучшению потока дыма. Эта техника иллюстрирует крупномасштабных глобальное поле потока Лев и структуру потока слой мелких сдвига в то же время, предоставляя ценные ссылки для измерения Велосиметрия (PIV) изображения позже подробные частиц.
В этой статье применение улучшение дым поток визуализации и PIV измерения для изучения явления нестационарных потока над треугольного крыла продемонстрировал. Указаны процедуры и предупреждает для проведения эксперимента, включая аэродинамической установки, сбора данных и обработки данных. Представитель результаты показывают, что эти методы визуализации два потока являются эффективные методы для изучения области трехмерной потока и количественно и качественно.
Introduction
Поле измерения потока через методы визуализации является базовая методология в жидкости инженерии. Среди методов различных визуализации дым проволоки поток визуализации в аэродинамической трубе экспериментов и визуализация красителя в экспериментах туннеля воды являются наиболее широко используются для иллюстрации потока структур качественно. Два типичных количественных методов1PIV и лазерного допплеровского anemometry (LDA).
В дым проволоки поток визуализации дым векторная создается из капельки нефти на Отопление проволоки или вводили от внешнего дыма генератор/контейнера во время экспериментов. Мощный свет или лазерный листы используются для освещения дыма векторная. Затем изображения записываются для дальнейшего анализа. Это простой, но очень полезный поток визуализации метод2. Однако эффективность этого метода может ограничиваться различными факторами, например короткая продолжительность дыма проводов, поле сложные трехмерные потока, относительно высокой скоростью потока и эффективность дыма3.
В PIV измерений сечение потока поля с частицами, увлеченного загорана лист лазерного и моментальной позиции частиц в эту сечении фиксируются с помощью высокоскоростной камеры. В рамках весьма небольшой промежуток времени фиксируется пару изображений. Разделение изображения на сетке допроса областей и вычисляя среднее движение частиц в областях допрос через кросс корреляции функций, можно получить векторной карты мгновенной скорости в этой наблюдаемого поперечного сечения. Однако известно также, что должны быть компромиссы для факторов, включая размер окна наблюдения, резолюции скорость карты, величины скорости в плоскости, временной интервал между парой изображений, ортогональные скорость величина и плотность частиц4. Таким образом многие исследовательские эксперименты могут быть необходимы для оптимизации экспериментальные параметры. Было бы дорогостоящим и трудоемким для расследования полем неизвестного и сложного потока с PIV измерения только5,6. Принимая во внимание вышеуказанные соображения стратегия объединить дым поток визуализации и измерение PIV предложен и продемонстрировали здесь для изучения сложного потока над тонкими треугольного крыла.
Многочисленные исследования потоков Лев над delta wings были проведены7,8, с методов визуализации потока, используемые в качестве основных инструментов. Было отмечено много интересных явлений потока: Спираль тип и пузырь типа vortex разбивки9,10, нестационарных сдвига слоя каркаса11,12, колебания мест пробоя Лев13 , и эффекты качки и рыскания углы14,,1516 на структуры потока. Однако основных механизмов некоторых нестационарных явлений в delta wing потоки остаются неясными7. В этой работе дым поток визуализации улучшена с использованием же посева частиц, PIV измерения, вместо того, чтобы дым проволоки. Это улучшение значительно упрощает операции визуализации и повышает качество изображения. На основе результатов, от улучшения дым поток визуализации, PIV измерение фокусируется на тех потока областях, представляющих интерес для получения количественной информации.
Здесь подробное описание предоставляется объяснить, как провести эксперимент визуализации потока в аэродинамической трубе и расследовать потока нестационарных явлений над треугольного крыла. Два методы визуализации, улучшение дым поток визуализации и измерение PIV, используются вместе в этом эксперименте. Процедура включает в себя шаг за шагом руководство для установки и параметров настройки устройства. Чтобы показать преимущество сочетания этих двух методов для измерения поля сложного потока пространственно и височно демонстрируются типичные результаты.
Protocol
Representative Results
Discussion
Эта статья представляет два методы визуализации потока, улучшение дым поток визуализации и PIV измерения, чтобы исследовать структуру потока над треугольного крыла и количественно и качественно. Шаг за шагом описаны общие процедуры эксперимента. Установок этих двух методов являются по…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы поблагодарить Гонконг исследовательских грантов Совета (no. GRF526913), Гонконг инноваций и технологии Комиссии (no. ITS/334/15FP) и нас управлением военно-морских исследований глобальных (нет. N00014-16-1-2161) для финансовой поддержки.
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).
