Schlieren-Imaging: Eine Technik zur Visualisierung der Eigenschaften von Überschallströmungen

Quelle: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado, und Xiaofeng Liu, Department of Aerospace Engineering, San Diego State University, San Diego, CA

Militärische Düsenjäger und Projektile können mit unglaublichen Geschwindigkeiten fliegen, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, was bedeutet, dass sie mit einer Überschallgeschwindigkeit reisen. Die Schallgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich eine Schallwelle durch ein Medium ausbreitet, das 343 m/s beträgt. Mach-Nummern werden verwendet, um die Fluggeschwindigkeit eines Objekts relativ zur Schallgeschwindigkeit zu messen.

Ein Objekt, das mit einer Schallgeschwindigkeit unterwegs ist, hätte eine Mach-Zahl von 1,0, während ein Objekt, das schneller als die Schallgeschwindigkeit fährt, eine Mach-Zahl größer als 1,0 hat. Die Kompressibilitätseffekte der Luft müssen bei Reisen mit solchen Geschwindigkeiten berücksichtigt werden. Ein Fluss gilt als komprimierbar, wenn die Mach-Zahl größer als 0,3 ist. In dieser Demonstration wird Mach 2.0 Überschallstrom über einen Kegel analysiert, indem die Bildung von Stoßwellen und Kompressionswellen im komprimierbaren Durchfluss mit einem Schlieren-System visualisiert wird.

Komprimierbarer Durchfluss oder Hochgeschwindigkeitsfluss tritt auf, wenn Flüssigkeiten signifikante Veränderungen in ihrer Dichte erfahren. Wenn der Überschallfluss an einem Körper vorbeifließt, bilden sich Stoßwellen und Expansionswellen um den Körper. Eine Stoßwelle ist eine extrem dünne Region in der Größenordnung von 10^-5 m, in der sich die Strömungseigenschaften deutlich ändern. Eine Expansionswelle tritt auf, wenn der Druck kontinuierlich über eine Welle abnimmt und die Strömungsgeschwindigkeit zunimmt.

Die schlieren-Bildgebungsmethode ist eine dichtebasierte Strömungsvisualisierungstechnik, die Veränderungen im Brechungsindex einer Flüssigkeit erkennt, die proportional zu den Veränderungen der Flüssigkeitsdichte über Stoß- oder Expansionswellen hinweg ist. Dies ermöglicht die Visualisierung von Schock- und Expansionswellenmustern in Überschallströmungsfeldern.

Wie in Abbildung 1 dargestellt, wandelt ein schlierendes Bildgebungssystem Unterschiede im Winkellicht, die durch den Dichtegradienten im Durchfluss verursacht werden, in Unterschiede in der Lichtintensität auf dem Bildschirm um. Die Strömungsphänomene werden durch die inhärenten Dichteänderungen sichtbar. Wie in Abbildung 1 dargestellt, entsteht paralleles Licht von einer Lichtquelle durch den Brennpunkt einer konvexen Linse L1 und beleuchtet ein komprimierbares Strömungsfeld im Testabschnitt eines Überschall-Windkanals. Nach der Fahrt durch den Testabschnitt konvergiert der einfallende Lichtstrahl durch die Linse L2 an seinem Brennpunkt und reist weiter, bis er auf eine Leinwand projiziert wird. Die Messerkante K, die sich auf der Brennebene der Linse L2 befindet, ist entscheidend, um die Qualität des Bildes auf dem Bildschirm zu gewährleisten. Das Blockieren eines Teils des abgelenkten Lichts erhöht den Kontrast des projizierten Bildes auf dem Bildschirm erheblich. Ohne entsprechende Verstopfung durch die Messerkante wird die Sichtbarkeit des abgelenkten Einfallslichts durch die dichteunterschiedliche Flüssigkeit beeinträchtigt.

Abbildung 1: Ein Schaltplan eines schlierenden Bildgebungssystems, das das durch die Messerkante blockierte abgelenkte Licht Zeigt, K, das sich auf der Brennebene der Linse L2 befindet.

Das in diesem Experiment verwendete schlieren-Bildgebungssystem ist in Abbildung 2 dargestellt und stellt eine alternative Einrichtung zu, die in Abbildung 1 dargestellt ist. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Konfigurationen besteht darin, dass das Paar konvexer Linsen in Abbildung 1 verwendet wird, während in Abbildung 2 ein Paar konkave Linsen verwendet wird. Alle anderen Komponenten sind identisch.

Abbildung 2: Schemat des in der Demonstration verwendeten schlieren-Bildgebungssystems.

1. Visualisierung von Stoßwellen mit einem schlierenden Bildgebungssystem

1. Aktivieren Sie die Trocknertürme, um die Luft zu dehydrieren. Dadurch wird sichergestellt, dass der Luftstrom keine Feuchtigkeit enthält, und verhindert die Eisbildung, wenn die lokale Temperatur im Testabschnitt aufgrund des Überschallflusses sinkt.
2. Öffnen Sie den Testabschnitt und sichern Sie das 15° Halbwinkelkegelmodell an der Stützstruktur.
3. Überprüfen Sie, ob der Testabschnitt frei von Schmutz oder anderen Gegenständen ist, und schließen Sie dann den Testabschnitt.
4. Stellen Sie sicher, dass das Hauptventil für die Luftstromregelung geschlossen ist, und schalten Sie dann den Kompressor ein, um den Luftspeicher unter Druck zu setzen. Lassen Sie den Kompressor 210 psi erreichen, bevor Sie ihn abschalten.
5. Schalten Sie den Regler für das Hochgeschwindigkeitsventil ein, und legen Sie die folgenden Parameter fest, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Tabelle 1: Steuerparameter für Mach 2 ausführen.

6. Schalten Sie das Licht- und Lüfter des schlieren-Bildgebungssystems ein.
7. Legen Sie ein Blatt Papier auf der gegenüberliegenden Seite des Textabschnitts von der Lichtquelle.
8. Richten Sie den ersten konkaven Spiegel aus, damit Licht den Testabschnitt passieren kann. Überprüfen Sie, ob das Licht auf das Papier trifft.
9. Passen Sie den zweiten konkaven Spiegel so an, dass das Licht, das den Testabschnitt durchläuft, auf einen projizierten Bildschirm reflektiert wird.
10. Stellen Sie die Messerkante so ein, dass sie sich im Mittelpunkt des zweiten Spiegels befindet. Und stellen Sie die Blende der Messerkante ein, um die gewünschte Bildqualität zu erzielen.
11. Positionieren Sie eine Kamera auf einem Stativ direkt vor der Messerkantenöffnung, um das projizierte Bild aufzuzeichnen.
12. Setzen Sie den entsprechenden Gehörschutz an, und überprüfen Sie, ob sich niemand in der Nähe des Luftabluftauspuffs außerhalb des Gebäudes befindet.
13. Öffnen Sie die Luftzufuhr zum Schnellventilregler, und öffnen Sie dann das Hauptventil, das Luft in das System einlässt.
14. Schalten Sie das Licht im Raum aus, damit das projizierte Bild leichter zu sehen ist.
15. Aktivieren Sie den Windkanal.
16. Beobachten Sie das schlierende Bild des Mach 2-Flusses über das Kegelmodell.
17. Schalten Sie den Windkanal aus, indem Sie die Ventile in umgekehrter Reihenfolge schließen. Schalten Sie dann den Controller aus.
18. Warten Sie, bis alle Luft aus dem Gerät freigesetzt wurde, bevor Sie Ihren Gehörschutz entfernen.

Bei dieser Demonstration wurde ein Kegel mit einem halber Winkel von 15 Grad einem Überschallfluss bei Mach 2.0 unterzogen. In Abbildung 3 wird ein Schockwecker und ein Expansionslüfter über dem Kegel beobachtet. Theoretisch sollte sich an der Kegeloberfläche in einem Winkel von 33,9° ein schräger Schock bilden. Der Versuchswinkel wurde auf 33,6° gemessen, wie die rote Linie in Abbildung 3B zeigt. Im Vergleich zu den theoretischen Daten lag der prozentuale Fehler bei weniger als 1 %. Darüber hinaus konnte diese Flow-Visualisierungsmethode den Erweiterungslüfter über die hintere Kante des Modells anzeigen.

Abbildung 3: Schlieren Bild von Mach 2 fließen über einen 15° Halbwinkelkegel. A) Originalbild. B) Hervorgehobene Features, die eine Stoßwelle an der Vorderkante und einen Expansionslüfter am Hinterrand anzeigen.

Die schlierenbildende Technik ist eine klassische optische Strömungsvisualisierungstechnik, die auf Dichteänderungen in der Flüssigkeit basiert. Es ist ein einfaches System mit konkaven Spiegeln, einer Messerkante und einer Lichtquelle. Mit diesem System können Überschall-Flussfunktionen wie Stoßwellen und Expansionswellen visualisiert werden. Diese Technik hat jedoch Empfindlichkeitsgrenzen für Strömungen mit niedriger Geschwindigkeit.

Das schlierenbildende Verfahren kann für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere bei der Untersuchung der Strömungsmechanik und der Visualisierung von Turbulenzen. Schlieren imaging liefert wertvolle Informationen zur räumlichen Verteilung komplizierter Strömungsstrukturen in komprimierbaren, turbulenten Strömungen und in Testflügen.

Diese Technik wurde auch in der Luft-Luft-Fotografie von Überschallflugzeugen eingesetzt, bei der die Sonne und/oder der Mond als Lichtquelle und der Wüstenboden als projizierte Oberfläche zur Visualisierung der Stoßwellen verwendet werden. Typischerweise werden Supercomputer und Windkanaltests verwendet, um die Bildung, Ausbreitung und Verschmelzung von Stoßwellen in einem Flugzeug vorherzusagen. Um die Qualität dieser Vorhersagen zu verbessern, wird eine Datenbank mit Schallauslegermessungen in verschiedenen Geschwindigkeiten und Höhen gesammelt. Diese Technik ermöglicht die Überschall-Flussvisualisierung eines Großflugzeugs anstelle eines verkleinerten Modells.

Diese Technik kann auch an Scramjets angepasst werden. Scramjets sind luftatmende Triebwerke, die auf die reine Geschwindigkeit eines Flugzeugs angewiesen sind, um Luft vor der Verbrennung in den Motor zu pressen. Die Fokussier-Schlieren-Visualisierung ist in der Lage, Treibstoffdüsen, turbulente Mischstrukturen und Stoßwellen im Inneren des Scramjet-Motors zu zeigen.