Visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua: osservazione del vortice di estremità su un'ala delta

Fonte: Jose Roberto Moreto, Gustaaf Jacobs e Xiaofeng Liu, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale, San Diego State University, San Diego, California

L'ala delta, mostrata nella Figura 1D, è un design popolare negli aerei ad alta velocità grazie alle sue superbe prestazioni nei regimi di volo transonico e supersonico. Questo tipo di ala ha un piccolo rapporto di aspetto e un elevato angolo di sweep, che riduce la resistenza ad alti regimi di volo subsonico, transonico e supersonico. Il rapporto di aspetto è definito come l'apertura alare divisa per l'accordo medio .

Un importante vantaggio dell'ala a delta è il suo alto angolo di stallo. Lo stallo di un'ala a delta è ritardato rispetto allo stallo di un'ala ad alto rapporto di aspetto. Questo perché la portanza di un'ala a delta è potenziata dal vortice d'avanguardia sopra l'ala.

Un modo efficace per osservare questo fenomeno del flusso del vortice e studiare la rottura del vortice in un'ala delta è visualizzare il flusso in un tunnel d'acqua. Iniettando colorante nel flusso che circonda un modello dalle porte del colorante sul bordo anteriore, è possibile osservare lo sviluppo e la rottura del vortice e misurare la sua posizione. I dati possono anche essere utilizzati per stimare l'angolo di stallo.

Figura 1. Tipiche forme planimetriche dell'ala: A) Rettangolare, con accordo costante lungo la campata, B) ellittica, C) affusolata, con accordo variabile lungo la campata, e D) ala delta, un'ala spazzata a poppa con rapporto zero cono.

Quando un'ala delta è soggetta ad angoli di attacco leggermente più alti, di solito angoli superiori a 7°, si verifica una separazione del flusso sul bordo d'attacco. Invece della separazione del flusso che si verifica a valle vicino al bordo d'uscita, come accadrebbe in un'ala rettangolare, il roll up dei vortici del bordo d'avanguardia, come mostrato nella Figura 2, induce una bassa pressione sulla superficie superiore dell'ala e migliora la portanza. Questo fenomeno è chiamato vortex lift e contribuisce ad un elevato angolo di stallo ritardato rispetto all'angolo di stallo di un'ala rettangolare.

Figura 2. Formazione di vortici su un'ala delta con un angolo di attacco moderato. A) Vista dall'alto con una linea striata blu che mostra il nucleo e il vortice che si formano all'apice dell'ala, e la linea striata verde che mostra il rollup del vortice dal bordo d'inizio a metà corda. B) Vista laterale con il rollup del vortice. Il vortice originato dall'apice (colorante blu) interagisce con il vortice generato a mezza corda (colorante verde).

Questi vortici iniziano all'apice dell'ala e progrediscono a valle dove ad un certo punto scoppiano (rottura del vortice) a causa di un elevato gradiente di pressione avverso. Una volta che si verifica la rottura del vortice, il vortice non può più indurre una bassa pressione. Per angoli di attacco relativamente bassi, la rottura del vortice si verifica a valle del bordo d'uscita. Tuttavia, quando l'angolo di attacco aumenta, la posizione della rottura del vortice si sposta a monte, fino al punto in cui la rottura si verifica sulla maggior parte della superficie alare. Ciò riduce la portanza e provoca lo stallo dell'ala.

Questi modelli di vortice possono essere osservati utilizzando la visualizzazione del flusso con colorante in un tunnel d'acqua. Un flusso costante di colorante viene rilasciato attraverso le porte nelle posizioni appropriate sul modello vicino al bordo d'ingresso. Il colorante si mescola con l'acqua e segue il flusso permettendo la visualizzazione delle linee striature. Il flusso tinto viene tracciato e si osserva la formazione, lo sviluppo e l'interazione del vortice con altri vortici e strutture di flusso fino alla rottura del vortice.

Il colorante e l'acqua nel tunnel dovrebbero avere proprietà fisiche simili e la pressione di rilascio all'apertura della porta dovrebbe essere la stessa della pressione del flusso locale per ridurre al minimo i disturbi al flusso. Le linee striate, formate dal colorante, evidenziano varie strutture di flusso, come vortici, regioni laminari, regioni turbolente e regioni di transizione. Queste strutture possono essere osservate e utilizzate per confrontare gli effetti di diverse geometrie o modellare gli atteggiamenti sul flusso.

Figura 3. Configurazione sperimentale dell'ala delta. A) Ala a delta montata nel montante a C all'interno di una sezione di prova del tunnel d'acqua. B) Collegamento C-Strut alle pareti del tunnel dell'acqua. C) Contenitori di coloranti, alimentazione d'aria pressurizzata e tre valvole per controllare la portata del colorante.

1. Preparazione del tunnel dell'acqua

1. Ottenere tre contenitori da 500 ml e riempire ogni contenitore almeno mezzo pieno di colorante. Ci dovrebbe essere un contenitore con colorante blu, uno con colorante verde e uno con colorante rosso. La concentrazione non è importante perché la portata del colorante verrà regolata di conseguenza.
2. Installare l'ala delta sul suo supporto nel tunnel dell'acqua. Fissare il supporto del montante a C al tunnel dell'acqua con viti, mantenendo l'angolo di imbardata a zero. Vedere la Figura 3.
3. Riempi il tunnel dell'acqua con acqua.
4. Posiziona una fotocamera per catturare una vista dall'alto dell'ala e una seconda fotocamera per catturare la vista laterale.

2. Visualizzazione delle linee striere su un'ala a delta

1. Impostate l'angolo di attacco a zero regolando l'angolo sul montante a C.
2. Impostare la velocità del flusso del tunnel dell'acqua su 4 in/s e consentire al flusso di stabilizzarsi.
3. Fornire pressione ai serbatoi di colorante utilizzando la pompa.
4. Osservare le striature di colorante, quindi regolare la portata del colorante secondo necessità per avere una striscia continua. Non esiste una portata impostata per il colorante. Applica tutti i colori contemporaneamente. Ogni colore viene applicato a una diversa regione dell'ala per visualizzare le interazioni del vortice. Vedere la Figura 2.
5. Premi Registra su ogni videocamera per iniziare a catturare filmati. Osservare le interazioni del vortice e identificare il roll-up del vortice e il nucleo del vortice primario.
6. Registrare almeno 10 s del vortice.
7. Aumentare l'angolo di attacco a 5°, attendere che il flusso e le linee striature si stabilizzino e registrare i vortici per 10 s.
8. Ripeti l'esperimento aumentando l'angolo di attacco di 5° incrementi da 0 a 55°.
9. Se l'acqua diventa troppo torbida, facendo apparire le linee striato opache, chiudere la fornitura di colorante, interrompere il tunnel e sostituirlo con acqua dolce prima di procedere.
10. Quando tutte le prove sono state eseguite, spegnere le telecamere e chiudere la fornitura di colorante.
11. Spegnere il tunnel, scaricare l'acqua dal serbatoio e lavare via eventuali resti di colorante dalle pareti del tunnel.

Dall'esperimento, possiamo identificare la rottura del vortice, come illustrato nella Figura 4. La distanza dall'apice dell'ala alla rottura del vortice può essere misurata utilizzando la scala disegnata nell'ala (Figura 4B). Durante l'esperimento, l'angolo di attacco dell'ala è stato aumentato in modo incrementale e la posizione di rottura del vortice, l_b, rispetto all'apice dell'ala, è stata misurata. La posizione di rottura, x/c, rispetto al bordo d'uscita dell'ala è stata rappresentata graficamente contro l'angolo di attacco, come mostrato nella Figura 5. Quando α ≈ 10°, la posizione media nel tempo della rottura del vortice all'avanguardia si trova sul bordo d'uscita dell'ala delta. Insieme ad un aumento dell'angolo di attacco, la posizione della rottura del vortice si è gradualmente spostata a monte. Quando α ≈ 40°, la rottura del vortice si è verificata al 96% dal bordo d'uscita, quasi all'apice dell'ala delta. A questo atteggiamento, l'ala a delta sperimenta uno stallo completo, una perdita totale di portanza.

Figura 4. Identificazione della rottura del vortice. A) Vista laterale della rottura del vortice e della distanza di rottura del vortice dall'apice dell'ala l_b. B) Vista dall'alto della rottura del vortice e della distanza dall'apice dell'ala l_b.

Figura 5. Posizione di rottura del vortice. Per angoli di attacco < 10°, la rottura del vortice si è verificata a valle dell'ala. Per angoli di attacco >40°, il flusso si separa sulla punta dell'ala.

Utilizzando la visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua, sono state identificate le posizioni di rottura del vortice per vari angoli di attacco in un'ala a delta. La visualizzazione del flusso in un tunnel d'acqua viene eseguita iniettando colorante in posizioni specifiche del campo di flusso. Il colorante segue il flusso, che ci consente di osservare le linee stri di flusso. Questo metodo è simile alla tecnica di visualizzazione del fumo utilizzata in una galleria del vento. Tuttavia, la possibilità di utilizzare più colori di tintura diversi ha permesso una facile visualizzazione delle strutture e delle interazioni del flusso. Un altro vantaggio di questo metodo è che si tratta di una tecnica a basso costo che fornisce informazioni 3D del campo di flusso.

L'iniezione di coloranti per la visualizzazione del flusso è un metodo classico con numerose applicazioni. Ad esempio, il famoso esperimento di Reynolds sulla turbolenza nel flusso del tubo è stato eseguito utilizzando il colorante per la visualizzazione e ha identificato le regioni di flusso laminare e turbolento nei tubi circolari. Questa tecnica può essere utilizzata non solo per identificare le regioni turbolente, ma può anche essere utilizzata per studiare la miscelazione che viene promossa dalla turbolenza per studiare altre strutture di flusso.

Le strutture di flusso, come i vortici e le bolle di separazione, forniscono importanti informazioni sulla fisica che governa i fenomeni, incluso il sollevamentodel vortice . Pertanto, questo metodo può essere utilizzato per la visualizzazione del flusso per aiutare nella progettazione e nell'ottimizzazione dei dispositivi interessati dai campi di flusso, come automobili, navi, edifici alti e ponti lunghi.