表面染料フロー可視化:超音速流のストリークラインパターンを観察する定性的方法

体の周りや体の流れの可視化は、空気力学の研究で重要なツールです。流れ構造を定性的・定量的に研究する方法を提供し、流体流動の理論的な検証にも役立ちます。フロービジュアライゼーションは、サーフェス外のビジュアライゼーションとサーフェス フロービジュアライゼーションの 2 つのカテゴリに分けることができます。表面外の流れの可視化技術には、対象の体の周囲の流れ特性を決定する技術が含まれます。それらは、粒子画像ベロシメトリー(PIV)、シュリーレンイメージング、および煙流可視化に限定されないが、含まれる。これらの技術は、体の周りの流れに関する定性的および定量的なデータを提供することができます。ただし、これらの手法は一般的に高価でセットアップが困難です。一方、表面の流れ可視化技術は、対象の体を染料でコーティングし、表面上の流れを調べている。実際にはより侵襲的であるこれらの技術は、色素の流れの視覚化を含み、最近では、体の表面上の流れの詳細な画像を与える感圧塗料を使用しています。これにより、研究者は、層状気泡、境界層遷移、流れの分離など、さまざまな流れフィーチャを視覚化できます。染料フロー可視化は、現在の実験で関心のある技術であり、表面流れの質的な画像を提供し、特に気体流を可視化するための最も簡単で費用対効果の高い表面流れの可視化方法の1つである体。

この実験では、6体の表面流れの挙動を超音速流で研究する。筋線パターンは、染料流動可視化技術を用いて得られ、流路、流れの取り付けと分離の程度、衝撃の位置とタイプをフロー画像から特定して研究します。

色素流の可視化では、流体粒子は、流れが導入されるにつれて粒子によってトレースされる経路を得るために染料でマークされます。色素は、蛍光色素粒子と油の半粘性混合物である。蛍光色素は、流体粒子を着色し、UV光源によって励起されたときにそれらを照らし、油は、体が流れに露出しなくなった後でも、表面上の流れパターンを維持するのに役立ちます。色素フロー可視化技術は、あらゆる表面上の流れパターンを分析する非常にシンプルで安価で迅速な方法を提供します。

イメージングの方法に応じて、色素フロー可視化を使用して、流体フローの結果としてストリークラインを見つけることができます。画像が長時間露出して撮影された場合、色素を使用して、単一の流体粒子が流れの中を移動する経路を追跡できます。現在の実験で使用される技術では、ポイントまたは領域を通過するすべての流体粒子に色素がマークされ、ボディがアクティブフローに配置された後に染色されたすべてのパーティクルを結合するラインがストリークラインになります。ここでは、フロー可視化実験の最後にキャプチャされた単一フレームは、体の一般的な表面の流れを調べるのに十分な情報を提供する。ストリークラインによる染料可視化は、サーフェスに沿った流れの動きに関する詳細を提供するだけでなく、サーフェス フロー フィーチャの識別にも役立ちます。超音速流量で色素の可視化を使用すると、体の表面を横切る流れの分離、衝撃形成、および移動を識別することができ、これらはすべて空力的に身体を最適化するのに役立ちます。

1. 超音速流のストリークラインの観測
   1. 蛍光色素粉末とミネラルオイルをプラスチックボウルに混ぜます。少量の鉱物油を染料に加え、半粘性の混合物が得られるまで連続的に混合する。混合物は、水切りであってはならない。
   2. 超音速風洞試験室の上に刺し傷を取り付け、所定の位置にロックします。このデモでは、テストセクションに 6 in x 4 のブローダウン超音速風洞があり、動作マッハ数の範囲は 1.5 ~ 4 でした(図 1に示す)。マッハ数は、ブロック設定を調整することで変化します(テストセクションの面積比を変更します)。
   3. 2D ウェッジ モデルをスティング マウントにねじ込み、ウェッジ サーフェスが風洞試験セクションの透明な側壁に向かるようにウェッジの方向を固定します。すべてのモデルを図 2 に示します。
   4. ペイントブラシを使用して、十分な量の色素混合物をモデルに適用します。染料がモデルから滴落しないことを確認します。参考文献3を参照してください。
   5. 目的のフリーストリームマッハ番号のブロック設定を調整します。
   6. 風洞パネルを閉じて固定します。
   7. 風洞を6秒間走ります。
   8. 実行が完了したら、UV ライトをモデルに照らし、色素を照らします。カメラでストリークライン画像をキャプチャします。
   9. モデルの表 1 に示すテスト マトリックスに従って攻撃角度またはマッハ数を調整し、手順 1.4 ~ 1.9 を繰り返します。
   10. 表 1 に示すすべてのモデルについて、手順 1.3 ~ 1.9 を繰り返します。
   11. すべてのモデルがテストされると、風洞をシャットダウンし、セットアップを解体します。

図 1.ブローダウン超音速風洞。

図 2.風洞モデル(左から右)2Dウェッジ、3Dウェッジ、円根、鈍い鼻体、球体、ミサイル。

表 1.テスト マトリックス。

図 3.2Dウェッジに描かれた蛍光色素の代表的な画像。

表 1 に示す 6 つのモデルと条件のストリークライン フロー パターンを次に示します。2D ウェッジの場合、図 4に示すように、サーフェスの変形がある領域を除き、フローが分離する領域を除き、ボディ上で均一なフロー パターンが観察されます。12°で角度を付けると、表面に沿った流れが上方に偏向する。この効果は、モデルが -12 ° で角度付けされている場合にミラーリングされます。一般に、すべてのケースは、サーフェス変形の領域と後ろを除き、サーフェス全体にアタッチされたフローを示します。

図 4.2D ウェッジ (左から右) 上のストリークライン フロー パターンで 、0°、12°、-12°のパターンを使用します。

図 5の観測結果は、3D ウェッジの中心にある流れパターンは、3 つの角度設定すべてで 2D ウェッジで観測された流れパターンと似ていますが、上下エッジ付近の流れパターンは流れの偏向を示しています。これは、ウェッジのエッジの先端渦に起因する可能性があります。2D ウェッジにはチップ効果が存在しますが、ウェッジの中心とエッジの間の距離が大きいほど、中央のウェッジ フローに対する先端の効果が無効になります。さらに、ストリークラインは流れの分離を示さない。

図 5.3D ウェッジ (左から右) 上のストリークライン フロー パターン ( 0°、 12°、および -12°)

図 6に示すコーンのストリークライン フロー パターンは、偏向方向に湾曲した流れと攻撃のすべての角度に対して、合理化された接続されたフローを示しています。また、染料が凝集する領域で示されているように、コーンの端部で流れの分離が起こることも観察します。

図 6.円音の上のストリークラインの流れパターン (左から右) の 0°、13°、および -13°。

図 7は、3 つの角度の攻撃で鈍いエッジ上の流れパターンを比較します。0°の場合、全身に付着した流れが見えます。= = = 11と-11°では、フローは体の周りをカーブし(表面の輪郭に従って)、染料が合体する線に沿って分離します。

図 7.鈍い鼻体(左から右)上のストリークラインの流れパターンは、0°、11°、-11°の場合に及びます。

ミサイル前面の流れパターンは鈍い鼻体で観測されたものと似ていますが、ミサイルフィンのストリークライン(図8)は興味深い流れの特徴を示しています。0°=0°では、上下のフィンの縞線は、フィンの先端と根に由来するクロスパターンで徐々に分離が発生したフィンの前面に付着した流れを示します。また、先端と比較して、フィンの根元で流れがずっと早く切り離されることも観察します。もう一つの興味深い観察は、中央のフィンの端部で合結合染料を研究することによって行われます。ストリークラインパターンは、染料によってマークされた衝撃の形状を持つ弓ショックを示しています。ミサイルが11°で角度を付けると、底のひれに完全に取り付けられた流れを観察しますが、上部フィンの根元に近い分離された流れを観察します。0°ケースと同様に、中央フィンの存在はフィンの最先端で弓ショックを引き起こす。

図 8.ミサイル上のストリークラインの流れパターン(左から右)で、0°と11°の間で流れます。

球の場合、マッハ数が変化するにつれて、偏向角度に関係なく、球の周りの流れパターンは同じままでした。図9からの観察は、マッハ数が増加するにつれて、分離領域(色素が乱されない領域によって示される)が減少することを示している。これは、速度が高い流れの勢いが増し、その流れが球上の不利な圧力勾配を克服できるためです。これにより、マッハ数が増加するにつれて、フローアタッチメントの度合いが高くなります。

図 9.球上のストリークラインフローパターン(左から右)M = 2、2.5、および3。

超音速流の6体に対するストリークライン流れパターンを、表面染料流の可視化を用いて検討した。2D および 3D ウェッジ上の流れパターンは、先端効果がサーフェス フロー構造を決定する際に支配的な役割を果たしていることを示しました。コーン上の流れは±13°の偏向範囲に対して完全に取り付けられていることが示された。鈍い鼻モデルは、ミサイルの最初の部分でも観察されたパターンである11°の角度で偏向したときに明確な分離線を示す最初のボディでした。ミサイルフィンの流れパターンは、流れの分離や衝撃形成などの興味深い特徴を示しています。また、フィンの端に形成された衝撃(弓ショック)の種類も推測しました。最後に、球上の流れのマッハ数を変えて、流れ分離の点が流速を上げるにつれて球に後方に移動することを示した。全体として、この実験は、より合理化された効率的な航空車両を得るために、迅速な設計プロセスで航空宇宙エンジニアによって使用される技術である、ストリークリン色素フロー可視化のシンプルさと有効性を実証しました。