Schlieren Imaging: una tecnica per visualizzare le caratteristiche del flusso supersonico

Fonte: Jose Roberto Moreto, Jaime Dorado e Xiaofeng Liu, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, San Diego State University, San Diego, CA

I caccia e i proiettili militari possono volare a velocità incredibili che superano la velocità del suono, il che significa che viaggiano a una velocità supersonica. La velocità del suono è la velocità alla quale un'onda sonora si propaga attraverso un mezzo, che è di 343 m/s. I numeri di Mach vengono utilizzati per misurare la velocità di volo di un oggetto rispetto alla velocità del suono.

Un oggetto che viaggia alla velocità del suono avrebbe un numero di Mach di 1,0, mentre un oggetto che viaggia più velocemente della velocità del suono ha un numero di Mach maggiore di 1,0. Gli effetti di comprimibilità dell'aria devono essere contabilmente spiegati quando si viaggia a tali velocità. Un flusso è considerato comprimibile quando il numero di Mach è maggiore di 0,3. In questa dimostrazione, il flusso supersonico di Mach 2.0 su un cono verrà analizzato visualizzando la formazione di onde d'urto e onde di compressione in flusso comprimibile utilizzando un sistema Schlieren.

Il flusso comprimibile, o flusso ad alta velocità, si verifica quando i fluidi subiscono cambiamenti significativi nella loro densità. Quando il flusso supersonico passa da un corpo, si formano onde d'urto e onde di espansione intorno al corpo. Un'onda d'urto è una regione estremamente sottile, dell'ordine di 10^-5 m, in cui le proprietà del flusso cambiano in modo significativo. Un'onda di espansione si verifica quando la pressione diminuisce continuamente attraverso un'onda e la velocità del flusso aumenta.

Il metodo di imaging schlieren è una tecnica di visualizzazione del flusso basata sulla densità che rileva i cambiamenti nell'indice di rifrazione di un fluido, che è proporzionale ai cambiamenti nella densità del fluido attraverso le onde d'urto o di espansione. Ciò consente la visualizzazione di modelli di onde d'urto e di espansione in campi di flusso supersonico.

Come mostrato nella Figura 1, un sistema di imaging schlieren converte le differenze nella luce angolare, causata dal gradiente di densità nel flusso, in differenze di intensità della luce sullo schermo. Il fenomeno del flusso è visibile dai cambiamenti di densità intrinseci. Come mostrato nella Figura 1, la luce parallela proviene da una sorgente luminosa attraverso il punto focale di una lente convessa, L1, e illumina un campo di flusso comprimibile nella sezione di prova di una galleria del vento supersonica. Dopo aver viaggiato attraverso la sezione di prova, il raggio di luce incidente converge attraverso l'obiettivo L2 nel suo punto focale e viaggia ulteriormente fino a quando non viene proiettato su uno schermo. Il bordo del coltello, K, situato sul piano focale dell'obiettivo L2 è fondamentale per garantire la qualità dell'immagine sullo schermo. Il blocco di parte della luce deviata migliora significativamente il contrasto dell'immagine proiettata sullo schermo. Senza un adeguato blocco dal bordo del coltello, la visibilità della luce incidente deviata attraverso il fluido variabile di densità sarà compromessa.

Figura 1: Schema di un sistema di imaging schlieren che mostra la luce deflessa bloccata dal bordo del coltello, K, situato sul piano focale della lente L2.

Il sistema di imaging schlieren utilizzato in questo esperimento è mostrato nella Figura 2 ed è una configurazione alternativa a quella mostrata nella Figura 1. La principale differenza tra le due configurazioni è che la coppia di lenti convesse nella Figura 1, mentre una coppia di lenti concave sono utilizzate nella Figura 2. Tutti gli altri componenti sono uguali.

Figura 2: Schema del sistema di imaging schlieren utilizzato nella dimostrazione.

1. Visualizzazione delle onde d'urto utilizzando un sistema di imaging schlieren

1. Attivare le torri essiccatorie per disidratare l'aria. Ciò garantirà che il flusso d'aria non contenga umidità e impedirà la formazione di ghiaccio quando la temperatura locale nella sezione di prova scende a causa del flusso supersonico.
2. Aprire la sezione di prova e fissare il modello a cono semiangolare di 15° alla struttura di supporto.
3. Controlla se la sezione di test è libera da detriti o altri oggetti, quindi chiudi la sezione di test.
4. Assicurarsi che la valvola principale per il controllo del flusso d'aria sia chiusa, quindi accendere il compressore per pressurizzare il serbatoio di accumulo dell'aria. Lasciare che il compressore raggiunga i 210 psi prima di spegnerlo.
5. Accendere il controller per la valvola ad alta velocità e impostare i seguenti parametri elencati nella Tabella 1.

Tabella 1: Parametri di controllo per Mach 2 run.

6. Accendere la ventola luminosa e di raffreddamento del sistema di imaging schlieren.
7. Posizionare un pezzo di carta sul lato opposto della sezione di testo rispetto alla sorgente luminosa.
8. Allineate il primo specchio concavo per consentire alla luce di passare attraverso la sezione di prova. Controllare che la luce colpisca la carta.
9. Regolate il secondo specchio concavo in modo che la luce che passa attraverso la sezione di prova venga riflessa su uno schermo sporgente.
10. Regolare il bordo del coltello in modo che si trova nel punto focale del secondo specchio. E regola l'apertura del bordo del coltello per ottenere la qualità dell'immagine desiderata.
11. Posizionare una fotocamera su un treppiede direttamente davanti all'apertura del bordo del coltello per registrare l'immagine proiettata.
12. Indossare la protezione dell'udito appropriata e verificare che nessuno sia vicino allo scarico dell'aria situato all'esterno dell'edificio.
13. Aprire l'alimentazione dell'aria al controller della valvola veloce, quindi aprire la valvola principale che consente all'aria di entrare nel sistema.
14. Spegni la luce nella stanza in modo che l'immagine proiettata sia più facile da vedere.
15. Attiva la galleria del vento.
16. Osservate l'immagine schlieren del flusso di Mach 2 sul modello a cono.
17. Spegnere la galleria del vento chiudendo le valvole in ordine inverso. Quindi spegnere il controller.
18. Attendere che tutta l'aria sia stata rilasciata dall'apparecchio prima di rimuovere la protezione dell'udito.

In questa dimostrazione, un cono con un mezzo angolo di 15 gradi è stato sottoposto a un flusso supersonico a Mach 2.0. Nella Figura 3 si osservano una scia d'urto e una ventola di espansione sopra il cono. Teoricamente, una scossa obliqua dovrebbe formarsi sulla superficie del cono con un angolo di 33,9°. L'angolo sperimentale è stato misurato in 33,6°, come mostrato dalla linea rossa nella Figura 3B. Rispetto ai dati teorici, l'errore percentuale è risultato inferiore all'1%. Inoltre, questo metodo di visualizzazione del flusso è stato in grado di mostrare la ventola di espansione sul bordo finale del modello.

Figura 3: L'immagine di Schlieren del flusso di Mach 2 su un cono semiangolare di 15°. A) Immagine originale. B) Caratteristiche evidenziate che mostrano un'onda d'urto sul bordo anteriore e una ventola di espansione sul bordo finale.

La tecnica di imaging schlieren è una classica tecnica di visualizzazione del flusso ottico basata sui cambiamenti di densità nel fluido. È un sistema semplice costruito con specchi concavi, un filo di coltello e una fonte di luce. Con questo sistema, è possibile visualizzare le caratteristiche di flusso supersonico, come le onde d'urto e le onde di espansione. Questa tecnica, tuttavia, ha limiti di sensibilità ai flussi a bassa velocità.

Il metodo di imaging schlieren può essere utilizzato per una varietà di applicazioni, in particolare nello studio della meccanica dei fluidi e nella visualizzazione della turbolenza. L'imaging di Schlieren fornisce preziose informazioni sulla distribuzione spaziale di strutture di flusso complicate in flussi comprimibili e turbolenti e nei voli di prova.

Questa tecnica è stata utilizzata anche nella fotografia aria-aria di aerei supersonici, che prevede l'uso del sole e / o della luna come fonte di luce e del pavimento del deserto come superficie sporgente per visualizzare le onde d'urto. In genere, i supercomputer e i test in galleria del vento vengono utilizzati per prevedere la formazione, la propagazione e la fusione delle onde d'urto su un aereo. Per migliorare la qualità di queste previsioni, viene raccolto un database di misurazioni del boom sonico a varie velocità e altitudini. Questa tecnica consente la visualizzazione del flusso supersonico di un velivolo in scala reale, piuttosto che un modello in scala ridotta.

Questa tecnica può anche essere adattata agli scramjet. Gli Scramjet sono motori che esprimono l'aria e si basano sulla velocità pura di un aereo per comprimere l'aria nel motore prima della combustione. La visualizzazione Focusing-schlieren è in grado di mostrare getti di carburante, strutture turbolente di miscelazione e onde d'urto all'interno del motore scramjet.