Eksperimentel undersøgelse af strukturen Flow over en Delta Wing Via Flow visualisering metoder
Summary
Vi præsenterer her, en protokol for at observere usikker vortical strømme over en delta wing ved hjælp af en modificeret røg strømmen visualisering teknik og efterforske den mekanisme, der er ansvarlig for svingninger af førende vortex opdeling steder.
Abstract
Det er velkendt, at feltet flow over en delta wing er domineret af et par af counter roterende forkant hvirvler (LEV). Deres mekanisme er imidlertid ikke godt forstået. Flow visualisering teknik er en lovende ikke-påtrængende metode til at illustrere feltet komplekse flow rumligt og tidsligt. En grundlæggende flow visualisering installation består af en høj-drevne laser og optik linser til at generere laser-ark, et kamera, en tracer partikel generator og en registerfører. Opsætningen af vindtunnel, specifikationer af involverede enheder og de tilsvarende parameterindstillinger er afhængige af funktionerne flow der skal indhentes.
Normal røg wire flow visualisering benyttes en røg ledning til at vise flow streaklines. Dog, effektiviteten af denne metode er begrænset af dårlig rumlige opløsning når det er udført i et komplekst flow felt. Derfor er der udarbejdet en forbedret røg strømmen visualisering teknik. Denne teknik viser den omfattende globale LEV flow felt og små shear lag flow struktur på samme tid, giver en værdifuld reference til senere detaljerede partikel billede Velocimetri (PIV) måling.
I dette papir, er anvendelse af forbedret røg strømmen visualisering og PIV måling at studere usikker flow fænomener over en delta wing påvist. Procedure og advarsler for at udføre eksperimentet er opført, herunder vindtunnel setup, dataopsamling og databehandling. De repræsentative resultater viser, at disse to flow visualisering metoder er effektive teknikker til at undersøge feltet tredimensionale flow kvalitativt og kvantitativt.
Introduction
Flowmåling via visualiseringsteknikker er en grundlæggende metode i væske engineering. Blandt de forskellige visualiseringsteknikker er røg wire flow visualisering i vindtunnel eksperimenter og farvestof visualisering i vand tunnel eksperimenter den mest udbredte til at illustrere strømmen strukturer kvalitativt. PIV og laser Doppler anemometry (LDA) er to typiske kvantitative teknikker1.
I røg wire flow visualisering, røg streaklines genereres fra olie dråber på en varme ledning eller injiceres fra den ydre røg generator/beholder under forsøgene. High-Power lys eller laser plader anvendes til at belyse den røg streaklines. Billeder bliver så optaget af yderligere analyse. Dette er en enkel, men meget nyttig flow Visualisering metode2. Effektiviteten af denne metode kan dog begrænses af forskellige faktorer, såsom den korte varighed af røg ledninger, feltet komplekse tredimensionale flow, den relativt høje hastighed af strømmen, og effektiviteten af røg generation3.
I PIV målinger, et tværsnit af et flow felt med indblandede partikler er belyst af en laser-ark, og instant positioner af partikler i dette tværsnit er fanget af en high-speed kamera. Inden for en meget lille tidsinterval, er et par af billederne optaget. Ved at dividere billederne i et gitter af forhør områder og beregning af den gennemsnitlige bevægelse af partikler i forhør områder gennem cross-korrelation funktioner, kan øjeblikkelige hastighed vektor kort i denne observerede tværsnit opnås. Imidlertid er det også kendt at kompromiser skal nås for faktorer, herunder størrelsen af vinduet bemærkning, opløsning af velocity kort, velocity størrelsesorden i flyet, tidsintervallet mellem par af billederne, den ortogonale hastighed størrelsesorden, og partikel tæthed4. Derfor, mange sonderende eksperimenter kan være nødvendigt at optimere indstillingerne for eksperimenterende. Det ville være dyrt og tidskrævende at efterforske en ukendte og komplekse flow felt med PIV måling alene5,6. I betragtning af de ovennævnte betænkeligheder, er en strategi til at kombinere røg strømmen visualisering og PIV måling foreslået og demonstreret her for at studere den komplekse flow over en slank delta wing.
Talrige undersøgelser af LEV strømme over delta vinger har været gennemført7,8, med flow visualiseringsteknikker, der anvendes som de primære værktøjer. Mange interessante flow fænomener er blevet observeret: spiral type og bubble type vortex opdelinger9,10, en usikker shear lag underkonstruktionen11,12, svingninger af LEV opdeling steder13 , og virkningerne af pitching og krøje vinkler14,15,16 på flow strukturer. Men de underliggende mekanismer i nogle usikker fænomener i delta wing strømme fortsat uklart7. I dette arbejde, er røg strømmen visualisering forbedret ved hjælp af de samme seeding partikler brugt i PIV måling, i stedet for en røg wire. Denne forbedring højlig forenkler driften af visualisering og øger kvaliteten af billederne. Baseret på resultaterne fra forbedret røg strømmen visualisering, fokuserer PIV måling på disse områder af interesse at erhverve de kvantitative oplysninger, flow.
Her, er en detaljeret beskrivelse fastsat til at forklare hvordan at foretage et flow visualisering eksperiment i en vindtunnel og undersøge usikker flow fænomener over en delta wing. To metoder, visualisering, forbedret røg strømmen visualisering og PIV måling, der bruges sammen i dette eksperiment. Proceduren indeholder en trinvis vejledning til enheden setup og parameter justering. Typiske resultater er påvist for at vise fordelen, at kombinere disse to metoder til at måle feltet komplekse flow, rumligt og tidsligt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Denne artikel præsenterer to flow visualisering metoder, forbedret røg strømmen visualisering og PIV måling, til at undersøge flow struktur over delta wing kvalitativt og kvantitativt. De generelle procedurer for eksperimentet er beskrevet trin for trin. Opsætninger af disse to metoder er næsten den samme, mens de involverede enheder er forskellige. Det grundlæggende princip om disse to flow visualisering metoder er at belyse partikler i strømmen via laser-ark. Forbedret røg strømmen visualisering kan opnå gl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne takke Hong Kong tilskud Forskningsråd (nr. GRF526913), Hong Kong Innovation og teknologi Kommissionen (nr. ITS/334/15FP), og den os Office af Naval Research globale (nr. 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).
