Визуелизација струјања у аеродинамичком тунелу: Шта заправо сазнајете када видите ваздух
Како дим, кончићи, уљни филм и PIV откривају одвајање, вртлоге и структуру трага у аеродинамичком тунелу, као и оптички приступ који је постројењу потребан да би их подржало.
Аеровага вам даје број. Отвор за мерење притиска вам даје број у једној тачци. Ниједно од тога вам не говори зашто је тај број баш такав.
То је задатак визуелизације струјања у аерод инамичком тунелу : претварање невидљивог ваздуха у нешто што можете да видите, како би пројектна одлука престала да буде нагађање. У савременом програму, она стоји раме уз раме са CFD-ом, а не испод њега — симулација вам говори у шта ваш модел верује, док вам визуелизација показује шта је ваздух заправо урадио вашем хардверу.
Ево шта свака техника приказује, колико кошта при пројектовању постројења и како да избегнете погрешно тумачење слика.
1. Четири питања на која визуелизација даје одговор
Готово свака кампања визуелизације заправо поставља једно од четири питања.
Да ли струјање приања? Глатко струјање које приања преко нападне ивице потврђује пројектну замисао. Рано одвајање струјања значи да је остатак ваших података о перформансама измерен на другачијем аеродинамичком објекту од оног који сте нацртали.
Где се одваја и да ли поново приања? Место одвајања је најкориснији појединачни квалитативни резултат у аеродин амици. Оно се помера са нападним углом, Рејнолдсовим бројем и стањем површине, и објашњава пораст отпора и аномалије у управљању које сами подаци о силама не могу да објасне.
Шта се дешава у трагу? Вртлози на излазној ивици и кохерентне структуре у трагу утичу на индуковани отпор, интерференцију низводно и, код вишероторских летелица, на интеракцију између једног и другог ротора.
Да ли је стационарно? Одвајање вртлога има своју фреквенцију. Ако се она поклопи са структурним модом, имате проблем са вибрацијама који ниједно осредњено мерење у времену неће открити.
2. Лествица техника
Кончићи (Tufts) — кратка влакна причвршћена за површину, често са флуоресцентним премазом. Померају се као трава на ветру и уживо приказују приањање, одвајање и струјање дуж размаха, на било ком моделу, у било ком тунелу. Ово је најјефтинија могућа опција, а сами кончићи благо ометају оно што мере.
Уљни филм — обојено уље које се наноси пре покретања; струјање га прераспоређује у површински образац који приказује линије површинског трења, линије одвајања и поновног приањања. Оставља физички траг који можете фотографисати након гашења, а функционише тамо где би кончићи били превише интрузивни.
Визуелизација димом и струјницама — дим испуштен узводно блиско прати струјање и открива структуру ван тела: понашање на нападнивици, језгра вртлога, развој трага. Не прашта лош квалитет струјања: у турбулентном тунелу дим се распрши пре него што стигне до модела.
Велоциметрија сликама честица (PIV) — квантитативни корак. У струјање се убацују фине капљице, пулсирајућа ласерска раван осветљава раван, а упарене слике са камере се корелирају како би се добило поље брзина. PIV спаја визуелни карактер дима са ригорозношћу инструментације, пружајући векторе уместо утисака. Стерео и томографске варијанте проширују ову методу на три компоненте и запремине.
Анемометрија са загр ејаном жицом — уопште не даје слику, већ спектрални садржај: интензитет турбуленције, фреквенције одвајања вртлога, временски раздвојене детаље које PIV кадрови могу да пропусте.
Отвори за мерење притиска и боја осетљива на притисак (PSP) — квантитативно оптерећење, било у дискретним тачкама или као континуирано површинско поље.
Шлирен (Schlieren) и метода сенки (shadowgraph) — методе градијента густине, неопходне када стишљивост постане важна и када се појаве ударни таласи.
Инфрацрвена термографија — ламинарни и турбулентни региони различито преносе топлоту, тако да ИЦ камера може да лоцира прелаз граничног слоја без додиривања модела.
3. Одабир опреме за инсталацију
| Техника | Одговори | Квантитативно | З ахтеви тунела |
|---|---|---|---|
| Кончићи | Приањање, одвајање, струјање дуж размаха | Не | Нема, осим визуелног приступа |
| Уљни филм | Топологија површинског струјања | Не | Приступ за чишћење модела; време рада |
| Дим | Структура ван тела, вртлози | Не | Ниска турбуленција, прикључак за убацивање честица, осветљење, екстракција |
| PIV | Поља брзина, вртложност | Да | Оптички приступ, ласерска безбедност, систем за убацивање честица, носачи камера |
| Загрејана жица | Спектри, интензитет турбуленције | Да | Траверзни систем |
| Отвори за притисак / PSP | Расподела оптерећења | Да | Инструментација модела, скенер, оптички приступ за PSP |
| Шлирен | Ударни таласи, градијенти густине | Делимично | Прозори оптичког квалитета, дуга оптичка путања |
| ИЦ термографија | Место прелаза | Делимично | ИЦ-транспарентан прозор или отворена секција |
Образац је јасан: квалитативне методе не захтевају готово ништа од самог објекта, док квантитативне захтевају одлуке донете у фази аеродинамичког пројектовања — прозоре у правим равнима, тачку за убацивање честица која не омета струјање, трасе за каблове и хлађење, ласерске блокаде и носач траверзе који не нарушава квалитет струјања документован у
[Article not found: improving-aerodynamic-flow-quality-existing-wind-tunnels].
Накнадна уградња оптичког приступа у завршени ваздушни канал је могућа и скупа. Његово планирање унапред не кошта готово ништа.
4. Пет начина да погрешно протумачите слику
- Третирање линија дима као струјница у нестационарном струјању. То су линије трагова (streaklines). У трагу са одвајањем вртлога, разлика није само академска.
- Заборављање да кончићи ометају струјање. У близини прелаза, низ кончића може да поремети гранични слој и створи одвајање о којем затим извештавате.
- Дозвољавање да уље промени површину. Уљни филмови мењају храпавост и могу померити прелаз; образац је стваран, али тачка прелаза можда није.
- Веровање једној PIV равни. Раван кроз тродимензионални вртложни систем је само пресек, а пресеци лажу изостављањем.
- Визуелизација при погрешном Рејнолдсовом броју. Понашање при одвајању је осетљиво на Рејнолдсов број. Прелепа слика при погрешним условима је прелепа слика нечег сасвим другог.
5. Где се ово исплати
Визуелизација оправдава свој буџет смањењем броја итерација.
Одвајање које можете да видите у другом сату кампање постаје заобљење или генератор вртлога исте недеље. Исти проблем откривен из необјашњивих података о силама, три пројектна циклуса касније, кошта вас редизајна. На програмима беспилотних летелица (UAV) и eVTOL летелица, интеракција између ротора и змаја летелице је класичан пример: силе изгледају само разочаравајуће, а тек слике објашњавају да један ротор лети у трагу другог.
Она такође ради нешто мање техничко, а једнако вредно: чини аеродинамику разумљивом људима који не читају графиконе коефицијенат а — инвеститорима, сертификационим телима, комисијама за набавку. Вртлог који можете да видите убеђује присутне у просторији на начин на који табела то не може.
6. Уградња у систем
Ако се ваше постројење тренутно пројектује, рано одлучите о три ствари: којим равнима је потребан оптички приступ, да ли је PIV у плану и где честице улазе у коло. Ова три избора одређују оквире прозора, зидне панеле, трасирање ласера и безбедносни дизајн — све то је јефтино на цртежу, а реметилачко у аеродинамичком тунелу који је већ пуштен у рад.
Ми пројектујемо испитне секције са визуелизацијом и инструментацијом планираном од самог аеродинамичког концепта: приступ оптичког квалитета, интеграција убацивања честица, носачи траверзи и осветљење, усклађени са програмом мерења, а не додати касније. Повезано штиво: наши
[Article not found: horizontal-vertical-inclined-wind-tunnels-comparison]и
[Article not found: closed-circuit-vs-open-circuit-wind-tunnels-for-research].
Реците нам шта треба да видите , а ми ћемо специфицирати секцију око тога.
Извори и напомене
- Преглед метода са димом, кончићима и уљним филмом и њихово практично руковање: Visualization Techniques in a Wind Tunnel, Calspan.
- PIV као мост између квалитативне визуелизације и квантитативне инструментације, пулсирајуће ласерске равни и убацивање честица: Quantitative Flow Visualization, TU Delft.
- Неоптичке методе визуелизације у аеродинамичким тунелима, укључујући кончиће и површинске технике: "Flow Visualisation Techniques in Wind Tunnels, Part I — Non-optical Methods".
- Смернице за пројектовање постројења (оптички приступ, убацивање честица, интеграција траверзи) представљају инжењерску праксу компаније TunnelTech.
- Фотографије у овом чланку су са пројеката компаније TunnelTech; слике струјања приказују визуелизацију димом на нашим сопственим аеропрофилима.