Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel: Beobachtung des Vorderkantenwirbels über einem Deltaflügel

Der Delta-Flügel, dargestellt in Abbildung 1D, ist ein beliebtes Design in Hochgeschwindigkeitsflugzeugen aufgrund seiner hervorragenden Leistung in transonischen und Überschall-Flugregimen. Diese Art von Flügel hat ein kleines Seitenverhältnis und einen hohen Sweep-Winkel, der den Luftwiderstand bei hohen Unterschall-, Transononik- und Überschall-Flugregimen reduziert. Das Seitenverhältnis ist definiert als die Flügelspanne geteilt durch den durchschnittlichen Akkord.

Ein wichtiger Vorteil des Deltaflügels ist sein hoher Stallwinkel. Der Stall eines Deltaflügels verzögert sich im Vergleich zum Stall eines Flügels mit hohem Seitenverhältnis. Denn der Auftrieb eines Deltaflügels wird durch den spitzen Wirbel über dem Flügel verstärkt.

Eine effektive Möglichkeit, dieses Wirbelflussphänomen zu beobachten und den Wirbelabbau in einem Deltaflügel zu untersuchen, besteht darin, den Fluss in einem Wassertunnel zu visualisieren. Durch das Einspritzen von Farbstoff enden in den Fluss, der ein Modell von Farbstoffports an der Vorderkante umgibt, kann die Wirbelentwicklung und -aufschlüsselung beobachtet und ihre Position gemessen werden. Die Daten können auch verwendet werden, um den Stallwinkel zu schätzen.

Abbildung 1. Typische Flügelplanformformen: A) Rechteckig, mit konstantem Akkord entlang der Spannweite, B) elliptisch, C) verjüngt, mit variablem Akkord entlang der Spannweite, und D) Deltaflügel, ein achtgeschwungener Flügel mit Null-Kegelverhältnis.

Wenn ein Deltaflügel etwas höheren Angriffswinkeln ausgesetzt ist, in der Regel Winkel von mehr als 7°, erfolgt eine Strömungstrennung an der Vorderkante. Anstelle der Strömungstrennung, die flussabwärts in der Nähe der Hinterkante stattfindet, wie es in einem rechteckigen Flügel geschehen würde, induziert das Aufrollen der vorderen Wirbel, wie in Abbildung 2 dargestellt, einen niedrigen Druck auf die obere Oberfläche des Flügels und verbessern den Aufzug. Dieses Phänomen wird Wirbellift genannt und trägt zu einem verzögerten hohen Stillstandswinkel im Vergleich zum Stallwinkel eines rechteckigen Flügels bei.

Abbildung 2. Wirbelbildung über einem Deltaflügel in einem moderaten Angriffswinkel. A) Die Ansicht von oben mit einer blauen Streifenlinie, die den Kern und den Wirbel zeigt, der sich an der Flügelspitze bildet, und die grüne Streifenlinie, die das Wirbel-Rollup von der Vorderkante an der Halbschnur zeigt. B) Seitenansicht mit dem Wirbel-Rollup. Der Wirbel, der aus dem Scheitelpunkt (blauer Farbstoff) stammt, interagiert mit dem Wirbel, der am Halbakkord (grüner Farbstoff) erzeugt wird.

Diese Wirbel beginnen an der Flügelspitze und schreiten flussabwärts vor, wo sie irgendwann aufgrund eines hohen widrigen Druckgradienten platzen (Wirbelbruch). Sobald der Wirbelabbau auftritt, kann der Wirbel keinen niedrigen Druck mehr induzieren. Bei relativ niedrigen Angriffswinkeln tritt der Wirbelabbau flussabwärts der Hinterkante auf. Wenn sich jedoch der Angriffswinkel erhöht, bewegt sich die Position der Wirbelaufschlüsselung stromaufwärts bis zu einem Punkt, an dem der Zusammenbruch über den größten Teil der Flügeloberfläche auftritt. Dies reduziert den Aufzug und bewirkt, dass der Flügel zum Stillstand kommt.

Diese Wirbelmuster können mittels Strömungsvisualisierung mit Farbstoff in einem Wassertunnel beobachtet werden. Ein stetiger Farbstrom wird durch Ports an geeigneten Stellen am Modell in der Nähe der Vorderkante freigesetzt. Der Farbstoff mischt sich mit dem Wasser und folgt dem Fluss, der die Visualisierung von Streifen ermöglicht. Der gefärbte Fluss wird verfolgt, und Wirbelbildung, Entwicklung und Interaktion mit anderen Wirbeln und Strömungsstrukturen wird bis zum Wirbelabbau beobachtet.

Der Farbstoff und das Wasser im Tunnel sollten ähnliche physikalische Eigenschaften aufweisen, und der Auslösedruck an der Hafenöffnung sollte mit dem lokalen Durchflussdruck identisch sein, um Störungen des Durchflusses zu minimieren. Die streifenlinien, die durch den Farbstoff gebildet werden, heben verschiedene Strömungsstrukturen hervor, wie Wirbel, laminare Regionen, turbulente Regionen und Übergangsregionen. Diese Strukturen können beobachtet und verwendet werden, um die Auswirkungen verschiedener Geometrien oder Modellhaltungen auf den Fluss zu vergleichen.

Abbildung 3. Delta-Flügel-Experimental-Setup. A) Deltaflügel, der in der C-Strut in einem Wassertunnel-Testabschnitt montiert ist. B) C-Strut-Anschluss an die Wände des Wassertunnels. C) Farbstoffbehälter, Druckluftzufuhr und drei Ventile zur Steuerung des Farbdurchflusses.

1. Vorbereitung des Wassertunnels

1. Besorgen Sie sich drei 500-ml-Behälter und füllen Sie jeden Behälter mindestens halbvoll mit Farbstoff. Es sollte einen Behälter mit blauem Farbstoff geben, einen mit grünem Farbstoff und einen mit rotem Farbstoff. Die Konzentration ist nicht wichtig, da die Färbegeschwindigkeit entsprechend angepasst wird.
2. Installieren Sie den Deltaflügel auf seiner Stütze im Wassertunnel. Befestigen Sie die C-Strut-Stütze mit Schrauben am Wassertunnel, wobei der Gähnwinkel bei Null bleibt. Siehe Abbildung 3.
3. Füllen Sie den Wassertunnel mit Wasser.
4. Positionieren Sie eine Kamera, um eine obere Ansicht des Flügels zu erfassen, und eine zweite Kamera, um die Seitenansicht zu erfassen.

2. Visualisierung von Streifenlinien über einem Deltaflügel

1. Stellen Sie den Angriffswinkel auf Null ein, indem Sie den Winkel auf der C-Strut anpassen.
2. Stellen Sie die Strömungsgeschwindigkeit des Wassertunnels auf 4 in/s ein, und lassen Sie den Durchfluss stabilisieren.
3. Mit hilfe der Pumpe Druck an die Farbstoffbehälter.
4. Beobachten Sie die Färbestreifen des Farbstoffs, und passen Sie dann die Farbdurchflussrate nach Bedarf an, um einen kontinuierlichen Streifen zu haben. Es gibt keine festgelegte Durchflussrate für den Farbstoff. Tragen Sie alle Farben gleichzeitig auf. Jede Farbe wird auf einen anderen Bereich des Flügels angewendet, um Wirbelinteraktionen zu visualisieren. Siehe Abbildung 2.
5. Drücken Sie die Aufzeichnung auf jeder Kamera, um mit der Aufnahme von Filmmaterial zu beginnen. Beobachten Sie die Wirbelinteraktionen und identifizieren Sie das Wirbel-Roll-up und den primären Wirbelkern.
6. Nehmen Sie mindestens 10 s des Wirbels auf.
7. Erhöhen Sie den Angriffswinkel auf 5°, warten Sie, bis sich der Fluss und die Streifen stabilisiert haben, und zeichnen Sie die Wirbel für 10 s auf.
8. Wiederholen Sie das Experiment, indem Sie den Angriffswinkel um 5°-Schritte von 0 - 55° erhöhen.
9. Wenn das Wasser zu trübe wird, was dazu führt, dass die Streifen stumpf erscheinen, schließen Sie die Farbstoffversorgung, stoppen Sie den Tunnel und ersetzen Sie ihn durch frisches Wasser, bevor Sie fortfahren.
10. Wenn alle Versuche durchgeführt wurden, schalten Sie die Kameras aus, und schließen Sie die Farbversorgung.
11. Schalten Sie den Tunnel aus, entleeren Sie das Wasser aus dem Tank und waschen Sie alle Farbreste von den Wänden des Tunnels ab.

Aus dem Experiment können wir die Wirbelaufschlüsselung identifizieren, wie in Abbildung 4 dargestellt. Der Abstand vom Flügelspitze zum Wirbelabbau kann mit der im Flügel gezogenen Skala gemessen werden (Abbildung 4B). Während des Experiments wurde der Angriffswinkel des Flügels schrittweise erhöht und die Wirbelabbauposition l_bin Bezug auf die Flügelspitze gemessen. Die Pannenposition x/c in Bezug auf die Flügelhinterkante wurde gegen den Angriffswinkel dargestellt, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die zeitgemittelte Position des vorderen Wirbelabbaus befindet sich bei 10°, wo sich die zeitgemittelte Position des vorderen Wirbels am hinteren Rand des Deltaflügels befindet. Zusammen mit einer Erhöhung des Angriffswinkels bewegte sich die Position der Wirbelpanne allmählich flussaufwärts. Bei einem Wert von 40° trat der Wirbelabbau an 96% Akkordposition von der hinteren Kante auf, fast an der Spitze des Deltaflügels. Bei dieser Einstellung erlebt der Deltaflügel einen vollen Stillstand, einen totalen Verlust des Auftriebs.

Abbildung 4. Vortex-Aufschlüsselungsidentifikation. A) Seitenansicht des Wirbelabbaus und der Entfernung des Wirbelabbaus von Flügelspitze l_b. B) Top-Ansicht der Wirbelpanne und des Abstands vom Flügelspitze l_b.

Abbildung 5. Vortex-Aufschlüsselungsort. Bei Angriffswinkeln < 10° trat der Wirbelbruch flussabwärts des Flügels auf. Bei Angriffswinkeln >40° trennt sich der Durchfluss an der Flügelspitze.

Durch die Verwendung der Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel wurden die Wirbelabbaustellen für verschiedene Angriffswinkel in einem Deltaflügel identifiziert. Die Strömungsvisualisierung in einem Wassertunnel wird durch Einspritzen von Farbstoff enden in bestimmte Positionen des Strömungsfeldes. Der Farbstoff folgt dem Fluss, der es uns ermöglicht, die Strömungsstreifen zu beobachten. Diese Methode ähnelt der Rauchvisualisierungstechnik, die in einem Windkanal verwendet wird. Die Möglichkeit, mehrere verschiedene Farbfarben zu verwenden, ermöglichte jedoch eine einfache Visualisierung der Strömungsstrukturen und -interaktionen. Ein weiterer Vorteil dieser Methode ist, dass es sich um eine kostengünstige Technik handelt, die 3D-Informationen über das Strömungsfeld liefert.

Die Farbinjektion zur Strömungsvisualisierung ist eine klassische Methode mit zahlreichen Anwendungen. Zum Beispiel wurde das berühmte Reynolds-Experiment über Turbulenzen im Rohrfluss mit Farbstoff für die Visualisierung durchgeführt und identifizierte laminare und turbulente Strömungsbereiche in kreisförmigen Rohren. Diese Technik kann nicht nur verwendet werden, um die turbulenten Regionen zu identifizieren, sondern kann auch verwendet werden, um die Mischung zu untersuchen, die durch Turbulenzen gefördert wird, um andere Strömungsstrukturen zu untersuchen.

Strömungsstrukturen, wie Wirbel und Trennblasen, liefern wichtige Informationen über die Physik, die Phänomene umtreibt, einschließlich des Wirbellifts. Daher kann diese Methode für die Strömungsvisualisierung verwendet werden, um bei der Entwicklung und Optimierung von Geräten zu helfen, die von Strömungsfeldern betroffen sind, wie z. B. Autos, Schiffe, hohe Gebäude und lange Brücken.