水隧道中的流量可视化:在三角洲翼上观察前沿涡流

当增量翼受到略高的攻击角度（通常角度超过 7°）时，在前沿处发生流量分离。与在后缘附近下游发生的流量分离（如在矩形翼中发生）不同，前缘涡流的卷起（如图 2 所示）在机翼上表面产生低压，并增强提升力。这种现象称为涡旋提升，与矩形翼的失速角度相比，导致延迟高失速角度。

图 2.涡旋形成在三角洲翼以中等攻击角度。A） 顶部视图，显示在机翼顶点形成的核心和涡流，以及显示半和弦前缘的涡流卷起的绿色条纹。B） 带涡状卷起的侧视图。源自顶点（蓝色染料）的涡旋与半和弦（绿色染料）产生的涡旋相互作用。

这些涡流从机翼顶点开始，并向下游推进，在某些时候，由于高负压梯度，它们爆裂（涡流破裂）。一旦涡流分解，涡流就不能再诱导低压。对于相对较低的攻击角度，涡流分解发生在后缘的下游。但是，当攻击角度增加时，涡流分解的位置会向上游移动，到大多数机翼表面发生分解的点。这减少了提升并导致机翼失速。

这些涡流模式可以在水隧道中使用染料的流量可视化来观察。在模型靠近前缘的适当位置，通过端口释放稳定的染料流。染料与水混合，并遵循流允许条纹的可视化。对染色的流进行跟踪，并观察到涡流的形成、发育和与其他涡流和流动结构的相互作用，直到涡流破裂。

隧道中的染料和水应具有类似的物理特性，并且端口开口处的释放压力应与本地流量压力相同，以尽量减少对流量的干扰。由染料形成的条纹突出各种流动结构，如涡流、层状区域、湍流区域和过渡区域。这些结构可以观察，并用于比较不同几何形状或模型对流动的影响。

图 3.三角洲机翼实验设置。A） 安装在水隧道测试部分内的 C 柱架上的增量翼。B） C-Strut 连接到水隧道的墙壁。C） 染料容器、加压空气供应和三个阀门来控制染料流速。

通过实验，我们可以识别涡流分解，如图4所示。从机翼顶点到涡流分解的距离可以使用机翼中绘制的刻度进行测量（图 4B）。在实验中，机翼的攻击角度逐渐增大，并测量了涡流分解位置，l_b，相对于机翼顶点。相对于机翼后缘的分解位置 x/c 与攻击角度绘制，如图 5 所示。当± = 10° 时，前缘涡流分解的时间平均位置位于增量翼的后缘。随着攻击角度的增加，涡流分解的位置逐渐向上游移动。当α = 40° 时，涡流从后缘以 96% 和弦位置发生，几乎位于增量翼的顶点处。在这种态度下，三角洲机翼经历了一个满的摊位，完全失去了电梯。

图 4.涡流分解识别。A） 涡流分解的侧视图和涡流从机翼顶点分解的距离l_b。B） 涡流分解和与机翼顶点l_b的距离的顶视图。

图 5.涡流分解位置。对于攻击角度 < 10°，涡流在机翼下游发生断裂。对于攻击角度 >40°，流量在翼尖处分离。

通过在水隧道中使用流量可视化，确定了三角洲翼中不同角度攻击的涡流分解位置。水隧道中的流量可视化通过将染料注入流场的特定位置来执行。染料跟随流动，使我们能够观察流动条纹。此方法类似于风洞中使用的烟雾可视化技术。但是，使用多种不同染料颜色的能力使流结构和相互作用易于可视化。此方法的另一个优点是，它是一种低成本技术，提供流场的 3D 信息。

用于流量可视化的染料注入是一种具有众多应用的经典方法。例如，用染料进行著名的雷诺管道流湍流实验，在圆形管道中识别层状和湍流区域。该技术不仅可用于识别湍流区域，还可用于研究湍流促进的混合，以研究其他流动结构。

流动结构，如涡流和分离气泡，提供有关物理控制现象的重要信息，包括涡流提升。因此，此方法可用于流可视化，以帮助设计和优化受流量场影响的设备，如汽车、船舶、高层建筑和长桥。