Visualización del flujo en un túnel de agua: Observación del vórtice en el borde de ataque sobre un ala Delta

El ala delta, que se muestra en la Figura 1D, es un diseño popular en aviones de alta velocidad debido a su excelente rendimiento en regímenes de vuelo transónicos y supersónicos. Este tipo de ala tiene una pequeña relación de aspecto y un alto ángulo de barrido, lo que reduce la resistencia a los regímenes de vuelo subsónicos, transónicos y supersónicos. La relación de aspecto se define como el intervalo de ala dividido por el acorde promedio.

Una ventaja importante del ala delta es su ángulo de alto estancamiento. El estancamiento de un ala delta se retrasa en comparación con el establo de un ala de alta relación de aspecto. Esto se debe a que la elevación de un ala delta se ve reforzada por el vórtice de vanguardia sobre el ala.

Una manera eficaz de observar este fenómeno de flujo de vórtice y estudiar la descomposición del vórtice en un ala delta es visualizando el flujo en un túnel de agua. Mediante la inyección de tinte en el flujo que rodea un modelo de los puertos de tinte en el borde de ataque, se puede observar el desarrollo y la descomposición del vórtice y medir su posición. Los datos también se pueden utilizar para estimar el ángulo de parada.

Figura 1. Formas típicas de la forma del plano del ala: A) Rectangular, con acorde constante a lo largo del palmo, B) elíptica, C) cónica, con acorde variable a lo largo del palmo, y ala delta D), un ala barrida en popa con relación cónico cero.

Cuando un ala delta está sujeta a ángulos de ataque ligeramente más altos, generalmente ángulos superiores a 7o, se produce una separación de flujo en el borde delantero. En lugar de la separación de flujo que se produce aguas abajo cerca del borde de arrastre, como ocurriría en un ala rectangular, el enrollamiento de los vórtices de borde delantero, como se muestra en la Figura 2, induce baja presión en la superficie superior del ala y mejora la elevación. Este fenómeno se llama elevación de vórtice y contribuye a un ángulo de alto estancamiento retardado en comparación con el ángulo de parada de un ala rectangular.

Figura 2. Formación de vórtice sobre un ala delta en un ángulo moderado de ataque. A) Vista superior con una línea de rayas azules que muestra el núcleo y el vórtice formando en el ápice del ala, y la línea de rayas verde que muestra el rollup de vórtice desde el borde delantero a medio acorde. B) Vista lateral con el paquete acumulativo de vórtices. El vórtice que se origina en el ápice (tinte azul) interactúa con el vórtice generado a media cuerda (tinte verde).

Estos vórtices comienzan en el ápice del ala y progresan aguas abajo donde en algún momento estallan (descomposición del vórtice) debido a un gradiente de presión adversa alta. Una vez que se produce la descomposición del vórtice, el vórtice ya no puede inducir baja presión. Para ángulos de ataque relativamente bajos, la descomposición del vórtice se produce aguas abajo del borde final. Sin embargo, cuando aumenta el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se mueve aguas arriba, hasta un punto donde la descomposición se produce sobre la mayor parte de la superficie del ala. Esto reduce la elevación y hace que el ala se detenga.

Estos patrones de vórtice se pueden observar utilizando la visualización de flujo con tinte en un túnel de agua. Un flujo constante de tinte se libera a través de los puertos en las ubicaciones apropiadas en el modelo cerca del borde de ataque. El tinte se mezcla con el agua y sigue el flujo permitiendo la visualización de rayas. Se realiza un seguimiento del flujo teniado y se observa la formación, el desarrollo y la interacción del vórtice con otros vórtices y estructuras de flujo hasta la descomposición del vórtice.

El tinte y el agua en el túnel deben tener propiedades físicas similares, y la presión de liberación en la abertura del puerto debe ser la misma que la presión de flujo local para minimizar las perturbaciones al flujo. Las rayas, formadas por el tinte, resaltan varias estructuras de flujo, como vórtices, regiones laminar, regiones turbulentas y regiones de transición. Estas estructuras se pueden observar y utilizar para comparar los efectos de diferentes geometrías o actitudes de modelo en el flujo.

Figura 3. Configuración experimental del ala Delta. A) Ala Delta montada en el puntal C dentro de una sección de prueba de túnel de agua. B) Conexión C-Strut a las paredes del túnel de agua. C) Contenedores de tinte, suministro de aire presurizado y tres válvulas para controlar el caudal de tinte.

1. Preparación del túnel de agua

1. Obtenga tres recipientes de 500 ml y llene cada recipiente al menos medio lleno con tinte. Debe haber un recipiente con tinte azul, otro con tinte verde y otro con tinte rojo. La concentración no es importante porque el caudal de tinte se ajustará en consecuencia.
2. Instale el ala delta en su soporte en el túnel de agua. Fije el soporte C-strut al túnel de agua con tornillos, manteniendo el ángulo de guias en cero. Vea la figura 3.
3. Llene el túnel de agua con agua.
4. Coloque una cámara para capturar una vista superior del ala y una segunda cámara para capturar la vista lateral.

2. Visualización de rayas sobre un ala delta

1. Establezca el ángulo de ataque en cero ajustando el ángulo en el puntal C.
2. Establezca la velocidad de flujo del túnel de agua en 4 in/s y permita que el flujo se estabilice.
3. Suministre presión a los depósitos de tinte utilizando la bomba.
4. Observe las rayas de tinte y, a continuación, ajuste el caudal del tinte según sea necesario para tener una veta continua. No hay un caudal establecido para el tinte. Aplique todos los colores al mismo tiempo. Cada color se aplica a una región diferente del ala para visualizar las interacciones de vórtice. Vea la figura 2.
5. Pulse grabar en cada cámara para empezar a capturar material de archivo. Observe las interacciones del vórtice e identifique el roll-up del vórtice y el núcleo primario del vórtice.
6. Registre al menos 10 s del vórtice.
7. Aumente el ángulo de ataque a 5o, espere a que el flujo y las rayas se estabilicen y registre los vórtices durante 10 s.
8. Repita el experimento aumentando el ángulo de ataque en incrementos de 5o de 0 a 55o.
9. Si el agua se vuelve demasiado turbia, haciendo que las estriatadas parezcan aburridas, cierre el suministro de tinte, detenga el túnel y reemplácelo con agua dulce antes de continuar.
10. Cuando se hayan realizado todas las pruebas, apague las cámaras y cierre el suministro de tinte.
11. Apague el túnel, drene el agua del tanque y lave cualquier resto de tinte de las paredes del túnel.

A partir del experimento, podemos identificar el desglose del vórtice, como se ilustra en la Figura 4. La distancia desde el ápice del ala hasta la descomposición del vórtice se puede medir utilizando la escala dibujada en el ala (Figura 4B). Durante el experimento, el ángulo de ataque del ala se incrementó gradualmente, y se midió la ubicación de descomposición del vórtice, l_b,con respecto al ápice del ala. La ubicación de descomposición, x/c, con respecto al borde de arrastre del ala se graficó contra el ángulo de ataque, como se muestra en la Figura 5. Cuando se encuentra en el borde final del ala delta, con un promedio de tiempo de la avería del vórtice de vanguardia. Junto con un aumento en el ángulo de ataque, la ubicación de la descomposición del vórtice se movió gradualmente aguas arriba. Cuando se produce un valor de 40o, la descomposición del vórtice se produjo en la ubicación del acorde del 96% desde el borde final, casi en el ápice del ala delta. En esta actitud, el ala delta experimenta un puesto completo, una pérdida total de elevación.

Figura 4. Identificación de avería de vórtice. A) Vista lateral de la descomposición del vórtice y la distancia de la descomposición del vórtice desde el ápice del ala l_b. B) Vista superior de la descomposición del vórtice y la distancia desde el ápice del ala l_b.

Figura 5. Ubicación de descomposición del vórtice. Para los ángulos de ataque < 10o, la descomposición del vórtice se produjo aguas abajo del ala. Para ángulos de ataque >40o, el flujo se separa en la punta del ala.

Mediante el uso de la visualización de flujo en un túnel de agua, se identificaron las ubicaciones de descomposición del vórtice para varios ángulos de ataques en un ala delta. La visualización del flujo en un túnel de agua se realiza inyectando tinte en ubicaciones específicas del campo de flujo. El tinte sigue el flujo, lo que nos permite observar las rayas de flujo. Este método es similar a la técnica de visualización del humo que se utiliza en un túnel de viento. Sin embargo, la capacidad de utilizar múltiples colores de tinte diferentes permitió una fácil visualización de las estructuras de flujo y las interacciones. Otra ventaja de este método es que es una técnica de bajo costo que proporciona información 3D del campo de flujo.

La inyección de tinte para la visualización de flujo es un método clásico con numerosas aplicaciones. Por ejemplo, el famoso experimento Reynolds sobre turbulencia en el flujo de tuberías se ejecutó utilizando tinte para la visualización, e identificó regiones de flujo laminar y turbulentoen en tuberías circulares. Esta técnica se puede utilizar no sólo para identificar las regiones turbulentas, sino que también se puede utilizar para estudiar la mezcla que se promueve por turbulencia para estudiar otras estructuras de flujo.

Las estructuras de flujo, como los vórtices y las burbujas de separación, proporcionan información importante sobre los fenómenos que rigen la física, incluido el levantamiento de vórtice. Por lo tanto, este método se puede utilizar para la visualización de flujo para ayudar en el diseño y optimización de dispositivos afectados por campos de flujo, como automóviles, barcos, edificios altos y puentes largos.