Voolu visualiseerimine tuuletunnelis: mida õhu nägemine teile tegelikult õpetab
Kuidas suits, tupsud, õlikile ja PIV paljastavad tuuletunnelis irdumist, keeriseid ja voolujälje struktuuri ning millist optilist ligipääsu rajatis nende toetamiseks vajab.
Kaal annab teile arvu. Rõhumõõtepunkt annab teile arvu ühes punktis. Kumbki ei ütle teile, miks see arv on selline, nagu ta on.
See on tuuletunneli voolu visualiseerimise ülesanne: muuta nähtamatu õhk millekski, mida saab vaadata, nii et projekteerimisotsus ei oleks enam oletus. Kaasaegses programmis on see pigem CFD kõrval kui selle all – simulatsioon ütleb teile, mida teie mudel usub, visualiseerimine ütleb teile, mida õhk teie riistvaraga tegelikult tegi.
Siin on ülevaade sellest, mida iga tehnika näitab, mida see rajatise projekteerimisel maksab ja kuidas vältida piltide valesti tõlgendamist.
1. Neli küsimust, millele visualiseerimine vastab
Peaaegu iga visualiseerimiskampaania küsib tegelikult ühte neljast asjast.
Kas vool on liibunud? Sujuv, liibunud vool üle esiserva kinnitab projekteerimise eesmärki. Varajane irdumine tähendab, et ülejäänud jõudlusandmed mõõdeti teistsugusel aerodünaamilisel objektil kui see, mille te joonistasite.
Kus see irdub ja kas see taasliibub? Irdumispunkt on aerodünaamikas kõige kasulikum kvalitatiivne tulemus. See muutub koos kohtumisnurga, Reynoldsi arvu ja pinnaseisundiga ning selgitab takistuse suurenemist ja juhtimisanomaaliaid, mida pelgalt jõuandmed ei suuda.
Mida teeb voolujälg? Jätteserva keerised ja koherentsed voolujälje struktuurid põhjustavad induktiivtakistust, allavoolu häireid ja mitmerootorilistel õhusõidukitel ühe rootori ja järgmise vahelist vastasmõju.
Kas see on stabiilne? Keeriste irdumisel on sagedus. Kui see langeb kokku konstruktsiooni omavõnkesagedusega, on teil vibratsiooniprobleem, mida ükski ajas keskmistatud mõõtmine ei paljasta.
2. Tehnikate redel
Tupsud (Tufts) — pinnale kinnitatud lühikesed kiud, sageli fluorestseeruva kattega. Need liiguvad nagu rohi tuules ja näitavad reaalajas liibumist, irdumist ja tiivaulatuse suunalist voolu mis tahes mudelil ja igas tuuletunnelis. Odavaim võimalik lahendus, kuid tupsud ise häirivad veidi seda, mida nad mõõdavad.
Õlikile — enne katset peale kantud värvitud õli; vool paigutab selle ümber pinnamustriks, mis näitab pinnahõõrdejooni, irdumis- ja taasliibumisjooni. See jätab füüsilise jälje, mida saab pärast seiskamist pildistada, ja see töötab seal, kus tupsud oleksid liiga häirivad.
Suitsu ja voolujoonte visualiseerimine — ülesvoolu vabastatud suits järgib tihedalt voolu ja paljastab pinnast eemal oleva struktuuri: esiserva käitumise, keeriste tuumad, voolujälje arengu. See ei andesta halba voolukvaliteeti: turbulentses tunnelis hajub suits enne mudelini jõudmist.
PIV (Particle Image Velocimetry) — kvantitatiivne samm. Voolu lisatakse peeneid piisku, impulsslaseri kiir valgustab tasapinda ja kaamerate pildipaare korreleeritakse kiirusvälja loomiseks. PIV ühendab suitsu visuaalse iseloomu mõõteriistade täpsusega, pakkudes muljete asemel vektoreid. Stereo- ja tomograafilised variandid laiendavad seda kolmele komponendile ja ruumaladele.
Kuumtraatanemomeetria — pilti ei teki üldse, küll aga spektraalne sisu: turbulentsi intensiivsus, irdumissagedused, ajaliselt eraldatud detailid, mis võivad PIV-kaadritel märkamata jääda.
Rõhumõõtepunktid ja rõhutundlik värv (PSP) — kvantitatiivne koormus, kas diskreetsetes punktides või pideva pinnaväljana.
Schlieren-meetod ja varjumeetod — tiheduse gradiendi meetodid, mis on hädavajalikud, kui kokkusurutavus muutub oluliseks ja tekivad lööklained.
Infrapunatermograafia — laminaarsed ja turbulentsed piirkonnad kannavad soojust üle erinevalt, seega suudab infrapunakaamera tuvastada piirkihi ülemineku ilma mudelit puudutamata.
3. Mida valida paigaldamiseks
| Tehnika | Vastused | Kvantitatiivne | Nõuded tunnelile |
|---|---|---|---|
| Tupsud | Liibumine, irdumine, tiivaulatuse suunaline vool | Ei | Peale vaatamisvõimaluse puuduvad |
| Õlikile | Pinnavoolu topoloogia | Ei | Ligipääs mudeli puhastamiseks; tööaeg |
| Suits | Pinnast eemal olev struktuur, keerised | Ei | Madal turbulents, osakeste sisestusava, valgustus, väljatõmme |
| PIV | Kiirusväljad, pöörisus | Jah | Optiline ligipääs, laseri ohutus, osakeste lisamise süsteem, kaamerakinnitused |
| Kuumtraat | Spektrid, turbulentsi intensiivsus | Jah | Traversisüsteem |
| Rõhumõõtepunktid / PSP | Koormuse jaotus | Jah | Mudeli mõõteseadmed, skanner, optiline ligipääs PSP jaoks |
| Schlieren | Lööklained, tiheduse gradiendid | Osaliselt | Optilise kvaliteediga aknad, pikk optiline teekond |
| IR-termograafia | Ülemineku asukoht | Osaliselt | IR-läbipaistev aken või avatud katseosa |
Muster on selge: kvalitatiivsed meetodid ei nõua hoonelt peaaegu midagi, samas kui kvantitatiivsed meetodid eeldavad otsuste tegemist aerodünaamilise projekteerimise etapis – aknad õigetel tasapindadel, osakeste sisestuspunkt, mis ei häiri voolu, kaabli- ja jahutustrassid, laseri ohutuslukud ja traversisüsteemi kinnitus, mis ei riku
[Article not found: improving-aerodynamic-flow-quality-existing-wind-tunnels]-s dokumenteeritud voolukvaliteeti.
Optilise ligipääsu tagantjärele paigaldamine valmis õhukanalisse on võimalik ja kallis. Selle planeerimine ei maksa peaaegu midagi.
4. Viis viisi pildi valesti tõlgendamiseks
- Suitsujoonte käsitlemine voolujoontega ebastabiilses voolus. Need on jäljejooned (streaklines). Irdumisega voolujäljes ei ole see erinevus pelgalt akadeemiline.
- Unustamine, et tupsud häirivad voolu. Üleminekupiirkonna lähedal võib tupsude rida piirkihi turbulentseks muuta ja tekitada irdumise, millest te seejärel raporteerite.
- Õlil pinna muuta laskmine. Õlikiled muudavad karedust ja võivad nihutada üleminekut; muster on reaalne, kuid üleminekupunkt ei pruugi seda olla.
- Ühe PIV-tasapinna usaldamine. Kolmemõõtmelist keerisesüsteemi läbiv tasapind on vaid läbilõige ja läbilõiked valetavad teabe väljajätmise kaudu.
- Visualiseerimine vale Reynoldsi arvuga. Irdumiskäitumine on Reynoldsi arvu suhtes tundlik. Ilus pilt valedes tingimustes on ilus pilt millestki muust.
5. Kus see end ära tasub
Visualiseerimine teenib oma eelarve tasa iteratsioonide vähendamisega.
Irdumine, mida näete kampaania teisel tunnil, muutub samal nädalal ümarduseks või keerisegeneraatoriks. Sama probleem, mis avastatakse seletamatutest jõuandmetest kolm projekteerimistsüklit hiljem, maksab uue projekteerimise. UAV ja eVTOL programmide puhul on rootori ja lennukikere vastasmõju klassikaline näide: jõud tunduvad lihtsalt pettumust valmistavad ja ainult pildid selgitavad, et üks rootor lendab teise voolujäljes.
See teeb ka midagi vähem tehnilist ja sama väärtuslikku: see muudab aerodünaamika arusaadavaks inimestele, kes ei loe koefitsientide graafikuid – investoritele, sertifitseerimisasutustele, hankekomiteedele. Keeris, mida te näete, veenab ruumitäit inimesi viisil, mida tabel ei suuda.
6. Selle sisseprojekteerimine
Kui teie rajatist praegu projekteeritakse, otsustage varakult kolm asja: millised tasapinnad vajavad optilist ligipääsu, kas PIV on tegevuskavas ja kus osakesed süsteemi sisenevad. Need kolm valikut määravad aknaraamid, seinapaneelid, laseri teekonna ja ohutuslahendused – kõik need on joonisel odavad, kuid käiku antud tunnelis häirivad.
Me projekteerime katseosasid nii, et visualiseerimine ja mõõteseadmed on planeeritud juba aerodünaamilisest kontseptsioonist alates: optilise kvaliteediga ligipääs, osakeste lisamise integreerimine, traversisüsteemide kinnitused ja valgustus, mis on sobitatud mõõtmisprogrammiga, mitte ei lisata hiljem. Seotud lugemine: meie
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]ja
[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research].
Öelge meile, mida teil on vaja näha , ja me spetsifitseerime katseosa selle ümber.
Allikad ja märkused
- Ülevaade suitsu-, tupsu- ja õlivoolumeetoditest ning nende praktilisest käsitsemisest: Visualization Techniques in a Wind Tunnel, Calspan.
- PIV kui sild kvalitatiivse visualiseerimise ja kvantitatiivsete mõõteriistade, impulsslaserkiirte ja osakeste lisamise vahel: Quantitative Flow Visualization, TU Delft.
- Mitteoptilised visualiseerimismeetodid tuuletunnelites, sealhulgas tupsud ja pinnatehnikad: "Flow Visualisation Techniques in Wind Tunnels, Part I — Non-optical Methods".
- Rajatise projekteerimise juhised (optiline ligipääs, osakeste lisamine, traversisüsteemide integreerimine) on TunnelTech inseneripraktika.
- Selles artiklis olevad fotod pärinevad TunnelTech projektidest; voolupildid näitavad suitsu visualiseerimist meie enda tiivaprofiilidel.