Визуализация на потока в аеродинамичен тунел: Какво реално научавате, когато видите въздуха
Как димът, нишките, масленият филм и PIV разкриват отлепянето, вихрите и структурата на следата в аеродинамичен тунел, и оптичният достъп, от който се нуждае съоръжението, за да ги поддържа.
Аеродинамичната везна ви дава число. Отворът за измерване на налягането ви дава число в дадена точка. Нито едно от двете не ви казва защо числото е такова, каквото е.
Това е задачата на визуализацията на потока в аеродинамичния тунел : да превърне невидимия въздух в нещо, което можете да наблюдавате, така че проектното решение да престане да бъде догадка. В една съвременна програма тя стои редом до CFD, а не под нея — симулацията ви казва какво смята вашият модел, докато визуализацията ви показва какво реално е направил въздухът с вашия хардуер.
Ето какво показва всяка техника, какво струва тя при проектирането на съоръжението и как да избегнете погрешното разчитане на изображенията.
1. Четири въпроса, на които визуализацията отговаря
Почти всяка кампания за визуализация всъщност търси отговор на едно от четири неща.
Прикрепен ли е потокът? Плавният, прикрепен поток над атакуващия ръб потвърждава проектния замисъл. Ранната загуба на прикрепване означава, че останалите данни за производителността са измерени върху различен аеродинамичен обект от този, който сте начертали.
Къде се о тлепя и прикрепя ли се отново? Мястото на отлепяне е най-полезният качествен резултат в аеродинамиката. То се измества в зависимост от ъгъла на атака, числото на Рейнолдс и състоянието на повърхността, и обяснява нарастването на челното съпротивление и аномалиите в управлението, които данните за силите сами по себе си не могат да обяснят.
Какво прави следата? Вихрите от изходящия ръб и кохерентните структури на следата са причина за индуцираното съпротивление, интерференцията надолу по потока и, при многороторните летателни апарати, взаимодействието между един ротор и следващия.
Стабилен ли е? Откъсването на вихрите има честота. Ако тя съвпадне със структурна мода, имате проблем с вибрации, който нито едно осреднено във времето измерване няма да разкрие.
2. Стълбицата на техниките
Нишки (Tufts) — къси влакна, прикрепени към повърхността, често с флуоресцентно покритие. Те се движат като т рева на вятъра и показват на живо прикрепването, отлепянето и напречния поток върху всеки модел, във всеки тунел. Това е най-евтиният възможен метод, като самите нишки леко смущават това, което измерват.
Маслен филм — оцветено масло, нанесено преди пуска; потокът го пренарежда в повърхностен модел, показващ линиите на повърхностно триене, линиите на отлепяне и повторно прикрепване. Оставя физически запис, който можете да снимате след спиране, и работи там, където нишките биха били твърде интрузивни.
Визуализация с дим и токови линии — димът, изпуснат нагоре по потока, следва плътно движението му и разкрива структурата извън тялото: поведението на атакуващия ръб, ядрата на вихрите, развитието на следата. Този метод не прощава лошото качество на потока: в турбулентен тунел димът се разкъсва, преди да достигне модела.
Велосиметрия чрез изображения на частици (PIV) — количествената стъпка. Потокът се засява с фини капчици, импулсен лазерен лист осветява дадена равнина, а сдвоените изображения от камерите се корелират, за да се създаде поле на скоростите. PIV обединява визуалния характер на дима със строгостта на измервателната апаратура, предоставяйки вектори вместо впечатления. Стерео и томографските варианти го разширяват до три компонента и обеми.
Термоанемометрия (Hot-wire) — изобщо няма изображение, а спектрално съдържание: интензивност на турбулентността, честоти на откъсване на вихрите, детайли с времева разделителна способност, които PIV кадрите могат да пропуснат.
Отвори за налягане и чувствителна към налягане боя (PSP) — количествено натоварване, било то в дискретни точки или като непрекъснато повърхностно поле.
Шлирен и сенчеста фотография (shadowgraph) — методи, базирани на градиента на плътността, които са от съществено значение, когато свиваемостта има значение и се появяват ударни вълни.
Инфрачервена термография — ламинарните и турбулентните зони пренасят топлината по различен начин, така че IR камерата може да локализира прехода на граничния слой, без да докосва модела.
3. Избор на оборудване за инсталация
| Техника | Отговаря на | Количествен | Изисквания към тунела |
|---|---|---|---|
| Нишки | Прикрепване, отлепяне, напречен поток | Не | Никакви, освен визуален достъп |
| Маслен филм | Топология на повърхностния поток | Не | Достъп за почистване на модела; време за работа |
| Дим | Структура извън тялото, вихри | Не | Ниска турбулентн ост, порт за засяване, осветление, екстракция |
| PIV | Полета на скоростите, завихреност | Да | Оптичен достъп, лазерна безопасност, система за засяване, стойки за камери |
| Термоанемометрия | Спектри, интензивност на турбулентността | Да | Траверсна система |
| Отвори за налягане / PSP | Разпределение на натоварването | Да | Измервателна апаратура на модела, скенер, оптичен достъп за PSP |
| Шлирен | Ударни вълни, градиенти на плътността | Частично | Прозорци с оптично качество, дълъг оптичен път |
| IR термография | Местоположение на прехода | Частично | IR-прозрачен прозорец или отворена секция |
Моделът е ясен: качествените методи не изискват почти нищо от сградата, докато количествените изискват решения, взети още на етапа на аеродинамичното проектиране — прозорци в правилните равнини, точка за инжектиране на засяването, която не смущава потока, кабелни и охладителни трасета, лазерни блокировки и траверсна стойка, която не нарушава качеството на потока, документирано в
[Article not found: improving-aerodynamic-flow-quality-existing-wind-tunnels].
Добавянето на оптичен достъп (ретрофит) в завършен въздуховод е възможно и скъпо. Планирането му не струва почти нищо.
4. Пет начина за погрешно разчитане на изображението
- Третиране на димните линии като токови линии при нестационарен поток. Те са линии на следата (streaklines). В следа с откъсване на вихри разликата не е само академична.
- Забравяне, че нишките създават смущения. В близост до прехода, един ред нишки може да наруши граничния слой и да създаде отлепянето, което след това отчитате.
- Позволяване на маслото да промени повърхността. Маслените филми променят грапавината и могат да изместят прехода; моделът е реален, но точката на преход може да не е.
- Доверяване на една-единствена PIV равнина. Равнината през триизмерна вихрова система е просто срез, а срезовете лъжат чрез пропускане на информация.
- Визуализиране при грешно число на Рейнолдс. Поведението на отлепяне е чувствително към числото на Рейнолдс. Една красива снимка при грешни условия е красива снимка на нещо съвсем друго.
5. Къде инвестицията се възвръща
Визуализацията изплаща бюджета си чрез намаляване на итерациите.
Отлепяне, което можете да видите на втория час от кампанията, се превръща в закръгление или генератор на вихри още същата седмица. Същият проблем, открит от необясними данни за силите три проектни цикъла по-късно, струва препроектиране. При програмите за БЛА (UAV) и eVTOL взаимодействието между ротора и корпуса е класически случай: силите изглеждат просто разочароващи и само снимките обясняват, че един ротор лети в следата на друг.
Тя прави и нещо по-малко техническо, но също толкова ценно: прави аеродинамиката разбираема за хора, които не четат графики с коефициенти — инвеститори, сертифициращи органи, комисии по обществени поръчки. Един вихър, който можете да видите, убеждава аудиторията по начин, по който една таблица не може.
6. Вграждане в проекта
Ако вашето съоръжение се проектира сега, решете три неща рано: кои равнини се нуждаят от оптичен достъп, дали PIV е в плановете и къде засяването влиза в контура. Тези три избора определят рамките на прозорците, стенните панели, маршрутизирането на лазера и дизайна на безопасността — всички те са евтини на чертеж и разрушителни във вече въведен в експлоатация аеродинамичен тунел.
Ние проектираме изпитателни секции с визуализация и измервателна апаратура, планирани още от аеродинамичната концепция: достъп с оптично качество, интеграция на засяването, траверсни стойки и осветление, съобразени с програмата за измерване, вместо да бъдат добавяни по-късно. Свързано четиво: нашите
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]и
[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research].
Кажете ни какво трябва да видите , и ние ще специфицираме секцията около него.
Източници и бележки
- Преглед на методите с дим, нишки и маслен поток и практическото им приложение: Visualization Techniques in a Wind Tunnel, Calspan.
- PIV като мост между качествената визуализация и количествената измервателна апаратура, импулсни лазерни листове и засяване: Quantitative Flow Visualization, TU Delft.
- Неоптични методи за визуализация в аеродинамични тунели, включително нишки и повърхностни техники: "Flow Visualisation Techniques in Wind Tunnels, Part I — Non-optical Methods".
- Насоките за проектиране на съоръжения (оптичен достъп, засяване, интеграция на траверси) са инженерна практика на TunnelTech.
- Снимките в тази статия са от проекти на TunnelTech; изображенията на потока показват визуализация с дим върху наши собствени профили на крила.