Imagerie Schlieren: Une technique pour visualiser les caractéristiques des écoulements supersoniques

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

Les chasseurs à réaction militaires et les projectiles peuvent voler à des vitesses incroyables qui dépassent la vitesse du son, ce qui signifie qu'ils voyagent à une vitesse supersonique. La vitesse du son est la vitesse à laquelle une onde sonore se propage à travers un milieu, qui est de 343 m/s. Les nombres de Mach sont utilisés pour évaluer la vitesse de vol d'un objet par rapport à la vitesse du son.

Un objet voyageant à la vitesse du son aurait un nombre mach de 1,0, tandis qu'un objet voyageant plus vite que la vitesse du son a un nombre mach supérieur à 1,0. Les effets de compressibilité de l'air doivent être pris en compte lorsque vous voyagez à de telles vitesses. Un flux est considéré comme compressible lorsque le nombre de Mach est supérieur à 0,3. Dans cette démonstration, le flux supersonique Mach 2.0 sur un cône sera analysé en visualisant la formation d'ondes de choc et d'ondes de compression dans un flux compressible à l'aide d'un système Schlieren.

Le débit compressible, ou débit à grande vitesse, se produit lorsque les fluides subissent des changements significatifs dans leur densité. Lorsque le flux supersonique passe par un corps, des ondes de choc et des ondes d'expansion se forment autour du corps. Une onde de choc est une région extrêmement mince, de l'ordre de^10-5 m, où les propriétés de débit changent considérablement. Une onde d'expansion se produit lorsque la pression diminue continuellement à travers une onde et que la vitesse d'écoulement augmente.

La méthode d'imagerie schlieren est une technique de visualisation du débit basée sur la densité qui détecte les changements dans l'indice de réfraction d'un fluide, qui est proportionnel aux changements de densité de fluide à travers les ondes de choc ou d'expansion. Cela permet la visualisation des modèles d'ondes de choc et d'expansion dans les champs d'écoulement supersoniques.

Comme le montre la figure 1, un système d'imagerie schlieren convertit les différences de lumière angulaire, qui est causée par le gradient de densité dans le flux, en différences d'intensité lumineuse sur l'écran. Les phénomènes d'écoulement sont visibles par les changements de densité inhérents. Comme le montre la figure 1, la lumière parallèle provient d'une source lumineuse à travers le point focal d'une lentille convexe, L1, et éclaire un champ d'écoulement compressible dans la section d'essai d'une soufflerie supersonique. Après avoir traversé la section d'essai, le rayon lumineux incident converge à travers la lentille L2 à son point focal et se déplace jusqu'à ce qu'il soit projeté sur un écran. Le couteau-bord, K, situé au plan focal de l'objectif L2 est essentiel pour assurer la qualité de l'image sur l'écran. Le blocage d'une partie de la lumière déviée améliore considérablement le contraste de l'image projetée à l'écran. Sans blocage approprié par le bord du couteau, la visibilité de la lumière d'incident déviée à travers la densité variant le fluide sera compromise.

Figure 1 : Un schéma d'un système d'imagerie schlieren montrant la lumière déviée bloquée par le couteau-bord, K, situé au plan focal de la lentille L2.

Le système d'imagerie schlieren utilisé dans cette expérience est montré dans la figure 2, et il s'agit d'une configuration alternative à celle montrée dans la figure 1. La principale différence entre les deux configurations est que la paire de lentilles convexes de la figure 1, alors qu'une paire de lentilles concaves sont utilisées dans la figure 2. Tous les autres composants sont les mêmes.

Figure 2 : Schéma du système d'imagerie schlieren utilisé dans la démonstration.

1. Visualiser les ondes de choc à l'aide d'un système d'imagerie schlieren

1. Activez les tours sèche-linge pour déshydrater l'air. Cela permettra de s'assurer que le flux d'air ne contient pas d'humidité, et empêchera la formation de glace lorsque la température locale dans la section d'essai baisse en raison de l'écoulement supersonique.
2. Ouvrez la section d'essai et fixez le modèle de cône demi-angle de 15 degrés à la structure de soutien.
3. Vérifiez si la section d'essai est dégagée des débris ou d'autres objets, puis fermez la section d'essai.
4. Assurez-vous que la soupape principale pour le contrôle du débit d'air est fermée, puis allumez le compresseur pour pressuriser le réservoir de stockage d'air. Laisser le compresseur atteindre 210 psi avant de l'éteindre.
5. Allumez le contrôleur pour la soupape à grande vitesse et définiz les paramètres suivants qui sont énumérés dans le tableau 1.

Tableau 1 : Paramètres de contrôle pour Mach 2 run.

6. Allumez le ventilateur de lumière et de refroidissement du système d'imagerie schlieren.
7. Placez un morceau de papier sur le côté opposé de la section de texte de la source lumineuse.
8. Alignez le premier miroir concave pour permettre à la lumière de passer à travers la section d'essai. Vérifiez que la lumière frappe le papier.
9. Ajustez le deuxième miroir concave de sorte que la lumière qui passe à travers la section de test soit réfléchie sur un écran de projection.
10. Ajustez le bord du couteau de sorte qu'il soit au point focal du deuxième miroir. Et ajuster l'ouverture du couteau-bord pour atteindre la qualité d'image désirée.
11. Placez une caméra sur un trépied directement devant l'ouverture à la pointe du couteau pour enregistrer l'image projetée.
12. Mettez la protection auditive appropriée et vérifiez que personne n'est près de l'échappement d'air situé à l'extérieur du bâtiment.
13. Ouvrez l'alimentation en air au contrôleur à soupape rapide, puis ouvrez la soupape principale qui laisse entrer l'air dans le système.
14. Éteignez la lumière dans la pièce pour que l'image projetée soit plus facile à voir.
15. Activez la soufflerie.
16. Observez l'image schlieren du flux Mach 2 sur le modèle de cône.
17. Éteignez la soufflerie en fermant les vannes dans l'ordre inverse. Puis éteignez le contrôleur.
18. Attendez que tout l'air ait été libéré de l'appareil avant de retirer votre protection auditive.

Dans cette démonstration, un cône avec un demi-angle de 15 degrés a été soumis à un flux supersonique à Mach 2.0. Dans la figure 3, on observe un sillage de choc et un ventilateur d'expansion au-dessus du cône. Théoriquement, un choc oblique devrait se former à la surface du cône à un angle de 33,9 degrés. L'angle expérimental a été mesuré à 33,6 degrés, comme le montre la ligne rouge de la figure 3B. Par rapport aux données théoriques, l'erreur en pourcentage s'est avérée inférieure à 1 %. En outre, cette méthode de visualisation du débit a été en mesure de montrer le ventilateur d'expansion sur le bord de fuite du modèle.

Figure 3 : L'image de Schlieren de Mach 2 coule sur un cône de demi-angle de 15 degrés. A) Image originale. B) Caractéristiques mises en évidence affichant une onde de choc au bord d'attaque et ventilateur d'expansion au bord de fuite.

La technique d'imagerie schlieren est une technique classique de visualisation du flux optique basée sur les changements de densité dans le fluide. Il s'agit d'un système simple construit avec des miroirs concaves, un couteau-bord, et une source de lumière. Avec ce système, les caractéristiques de flux supersonique, telles que les ondes de choc et les ondes d'expansion, peuvent être visualisées. Cette technique, cependant, a des limites de sensibilité aux flux à basse vitesse.

La méthode d'imagerie schlieren peut être utilisée pour une variété d'applications, en particulier dans l'étude de la mécanique des fluides et la visualisation de la turbulence. L'imagerie de Schlieren fournit des informations précieuses sur la distribution spatiale des structures d'écoulement compliquées dans le flux compressible et turbulent et dans les vols d'essai.

Cette technique a également été utilisée dans la photographie air-air d'avions supersoniques, ce qui implique l'utilisation du soleil et/ou de la lune comme source de lumière et le sol du désert comme surface de projection pour visualiser les ondes de choc. En règle générale, les superordinateurs et les essais en soufflerie sont utilisés pour prédire la formation, la propagation et la fusion des ondes de choc sur un aéronef. Pour améliorer la qualité de ces prédictions, une base de données de mesures de boom sonore sont recueillies à différentes vitesses et altitudes. Cette technique permet la visualisation du flux supersonique d'un avion grandeur nature, plutôt qu'un modèle réduit.

Cette technique peut également être adaptée aux scramjets. Les Scramjets sont des moteurs à respiration aérienne qui dépendent de la vitesse pure d'un aéronef pour comprimer l'air dans le moteur avant la combustion. La visualisation focusing-schlieren est capable de montrer des jets de carburant, des structures turbulentes de mélange, et des ondes de choc à l'intérieur du moteur de scramjet.