슐리렌 이미징: 초음속 흐름 특징을 시각화하는 기술

압축 흐름 또는 고속 흐름은 유체가 밀도에 상당한 변화를 경험할 때 발생합니다. 초음속 흐름이 몸에 의해 전달되면 충격파와 팽창 파가 몸 주위에 형성됩니다. 충격파는^10~5m의 순서로 매우 얇은 영역으로, 유동 특성이 크게 변화합니다. 팽창 파는 파도에 걸쳐 압력이 지속적으로 감소하고 유동 속도가 증가할 때 발생합니다.

schlieren 이미징 방법은 충격 또는 팽창 파를 통해 유체 밀도의 변화에 비례하는 유체의 굴절률의 변화를 감지하는 밀도 기반 유동 시각화 기술입니다. 이를 통해 초음속 흐름 필드에서 충격 및 팽창 파 패턴을 시각화할 수 있습니다.

도 1에 도시된 바와 같이, 슐리렌 이미징 시스템은 흐름의 밀도 그라데이션에 의해 발생하는 각도 광의 차이를 화면의 광 강도의 차이로 변환합니다. 유동 현상은 고유밀도 변화에 의해 볼 수 있습니다. 도 1에 도시된 바와 같이, 평행광은 광원에서 볼록 렌즈, L1의 초점을 통해 발생하며, 초음속 풍동의 시험 섹션에서 압축가능한 유동장을 조명한다. 시험 섹션을 통과한 후, 사고 광선은 초점에서 렌즈 L2를 통해 수렴하고 화면에 투사될 때까지 더 멀리 이동합니다. 렌즈 L2의 초점 평면에 위치한 칼 날 K는화면의 이미지 품질을 보장하는 데 중요합니다. 일부 편향된 라이트를 차단하면 화면에 투사된 이미지의 대비가 크게 향상됩니다. 칼 날에 의해 적절한 막힘없이, 밀도 변화 유체를 통해 편향 된 사건 빛의 가시성이 손상됩니다.

그림 1: 렌즈 L2의 초점 평면에 위치한 칼 날, K에의해 차단된 편향된 빛을 보여주는 셸리렌 이미징 시스템의 회로도.

이 실험에 사용되는 슐리렌 이미징 시스템은 도 2에 나타내며 도 1에 표시된 대체 설정입니다. 두 구성의 주요 차이점은 그림 1의 볼록 렌즈 쌍이 그림 2에 사용되는 반면, 한 쌍의 오목한 렌즈가 사용된다는 것입니다. 다른 모든 구성 요소는 동일합니다.

그림 2: 데모에 사용되는 슐리렌 이미징 시스템의 회로도.

이 데모에서는 반 각도15도의 원뿔이 마하 2.0에서 초음속 흐름을 거쳤습니다. 도 3에서는 콘을 둘러싼 충격 절전 모드 및 팽창 팬이 관찰됩니다. 이론적으로 경사 충격은 33.9°의 각도로 원뿔 표면에서 형성되어야 합니다. 실험 각은 도 3B의 레드 라인에 의해 도시된 바와 같이 33.6°로 측정되었다. 이론적 데이터와 비교하여 퍼센트 오차는 1% 미만인 것으로 나타났습니다. 또한, 이러한 흐름 시각화 방법은 모델의 후행 모서리위에 확장 팬을 표시할 수 있었습니다.

그림 3: 마하 2의 슐리렌 이미지는 15 ° 반 각도 원뿔을 통해 흐를. A) 원본 이미지. B) 앞가장자리에서 충격파를 표시하는 강조 표시 기능및 후행 가장자리에 확장 팬.

Schlieren 이미징 기술은 유체의 밀도 변화에 기초한 고전적인 광학 유량 시각화 기술입니다. 오목한 거울, 칼날, 광원으로 제작된 심플한 시스템입니다. 이 시스템을 통해 충격파 및 팽창 파와 같은 초음속 흐름 기능을 시각화할 수 있습니다. 그러나 이 기술은 저속 흐름에 대한 감도 제한이 있습니다.

schlieren 화상 진찰 방법은 다양한 응용 분야에 사용될 수 있습니다, 특히 유체 역학및 비시화 난류의 연구에서. Schlieren 이미징은 압축성, 난류 흐름 및 시험 비행에서 복잡한 유동 구조의 공간 분포에 대한 귀중한 정보를 제공합니다.

이 기술은 또한 충격파를 시각화하기 위해 투사 표면으로 태양 및 / 또는 달을 광원으로 사용하고 사막 바닥을 사용하는 초음속 항공기의 공대공 사진에 사용되었습니다. 일반적으로 슈퍼컴퓨터와 풍동 테스트는 항공기의 충격파의 형성, 전파 및 병합을 예측하는 데 사용됩니다. 이러한 예측의 품질을 향상시키기 위해 소닉 붐 측정 데이터베이스는 다양한 속도와 고도에서 수집됩니다. 이 기술은 축소된 모델이 아닌 본격적인 항공기의 초음속 유동 시각화를 허용합니다.

이 기술은 또한 scramjets에 적응될 수 있습니다. Scramjets는 연소 전에 엔진에 공기를 압축하기 위해 항공기의 순수한 속도에 의존하는 공기 호흡 엔진입니다. 초점 셸리렌 시각화는 연료 제트, 혼합의 난류 구조 및 스크램젯 엔진 내부에 충격파를 표시 할 수 있습니다.