Неоптические методы визуализации газовых потоков, страница 3

Расшифровка структуры течения, полученной сажемасляной визуализацией, заключается в анализе картины вязкого взаимодействия потока с пленкой или каплями. В зоне возвратных течений направление и характер следов взаимодействия различаются. На линии отрыва потока –образуется скопление масла (линия стекания, рис. 4.2, точка А), а в местах присоединения – линия растекания (рис. 4.2, точка В).

Рис. 4.2

Благодаря наличию пристенных микровихрей картина, визуализируемая методом масляной пленки, имеет полосатую структуру. Полоски располагаются вдоль линий тока.

Зачастую визуализацию структуры течения совмещают с измерением аэродинамических сил и давлений, так как наличие масляной пленки на поверхности модели в закритической области чисел Рейнольдса не оказывает на них заметного влияния.

Порядок проведения опыта

В работе проводится сравнительный эксперимент по визуализации, выполняемый по описанным выше методикам на симметричной модели крыла.

1. Установить препарированную шелковинками модель крыла на альфа-механизм (шелковинки должны быть на верхней поверхности модели).

2. Нанести кистью на свободную от шелковинок поверхность модели ровный слой сажемасляного компаунда.

3. Зафиксировать модель под заданным углом атаки.

4. Привести трубу в действие, установив заданный режим работы.

5. Сфотографировать или .зарисовать пристенные спектры обтекания крыла, визуализируемые шелковинками и сажемасляными каплями.

6. Сделать вывод о характере течения и о сходимости результатов визуализации, полученных двумя различными методами. Показать положение линий стекания и растекания. Объяснить причину и указать место появления отрывных зон при околокритических углах атаки

МЕТОД КАОЛИНА

Метод каолина относится к обширной группе методов испаряемых покрытий и применяется при визуализации зон отрыва потока и перехода ламинарного режима обтекания в турбулентный.

Физическая основа метода заключается в том, что при турбулентном режиме обтекания интенсивность тепломассообмена значительно выше, чем при ламинарном. Поэтому поверхность модели, покрытая сравнительно легко испаряющимся составом (проявителем), в первую очередь высыхает там, где поток обладает высокой турбулентностью.

Модели перед экспериментом необходимо соответствующим образом подготовить: на окрашенную в черный цвет поверхность (рис. 4.3, а) наносят водно-клеевую суспензию каолина (белой глины). После высыхания поверхность модели, покрытая ярким белым налетом (рис. 4.3, б), тщательно обрабатывают тонкой наждачной бумагой. Перед началом эксперимента на обработанную каолином белую поверхность модели наносят проявитель. Каолин намокает, становится прозрачным, и модель вновь приобретает исходную черную окраску (рис. 4.3, в).

В качестве проявителя может быть использована любая легко испаряющаяся жидкость. Например: смесь керосина и скипидара, трансформаторное или веретенное масло, керосин и т.п.

Участки поверхности модели, обтекаемые турбулентным потоком, быстро высыхают, приобретая белую окраску, в то время как поверхности модели, обтекаемые ламинарным потоком, долгое время остаются темными (рис. 4.3, г). При отрыве потока проявитель скапливается около линии отрыва, которая черным цветом выделяется на белом фоне. При сложной структуре отрывного течения возможно образование нескольких линий отрыва.

Рис. 4.3

Порядок проведения опыта

1. Установить предварительно подготовленную для визуализации модель крыла на альфа-механизм.

2. Зафиксировать заданный угол атаки.

3. Кистью или пульверизатором нанести на поверхность модели проявитель.

4. Привести трубу в действие, установив заданный режим работы.

5. Сфотографировать или зарисовать визуализируемую картину.

6. Сделать вывод о влиянии углов атаки модели на положение линий отрыва потока. Показать участки поверхности модели, обтекаемые ламинарным и турбулентным пограничными слоями.

МЕТОД «ЛАЗЕРНОГО (СВЕТОВОГО) НОЖА»

Визуализация по методу «лазерного (светового) ножа» хорошо себя зарекомендовала при исследовании пространственных дозвуковых и сверхзвуковых вихревых потоков. Метод основан на анализе характера рассеяния света в предварительно запыленном потоке, обтекающем модель. Частицы пыли, участвующие в вихревом движении потока, под действием центробежных сил выносятся на периферию вихрей. В результате сепарации концентрация частиц, а следовательно, и рассеяние света в ядрах вихрей будут минимальны и на визуализируемой картине возникнут темные пятна.

В качестве взвешенных частиц, запыляющих поток, может быть использован порошок мела, тальк и другие мелкодисперсные порошки белого цвета. Иногда в качестве взвешенных частиц используют мелкораспыленную воду, керосин, трансформаторное масло, а также дым. В воздушный поток частицы вводятся на расстоянии от трех до десяти характерных размеров модели вверх по потоку.

Источником света в нашей работе является газовый лазер марки ЛГ-106М. Цилиндрический луч лазера, пройдя систему зеркал и цилиндрическую линзу, смонтированные на оптической скамье, разворачивается в плоский луч, которым зондируется интересующая исследователя область течения.

Порядок проведения опыта

1. Установить модель крыла на альфа-механизм.

2. Подготовить к работе систему «Лазерный нож».

3. Подготовить к работе систему ввода в поток водяной пыли.

4. Направить плоский луч лазера в исследуемую область потока.

5. Привести трубу в действие, установить заданный режим работы.

6. Включить систему ввода в поток водяной пыли.

7. Сфотографировать или зарисовать места схода с крыла «свободных вихрей» при различных углах атаки.

8. Сделать вывод о влиянии изменения углов атаки модели крыла на интенсивность и положение мест схода «свободных вихрей».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Зачем нужно визуализировать потоки?

2. В чем отличие оптических методов визуализации от неоптических?

3. Перечислите наиболее широко распространенные неоптические методы визуализации.

4. Почему не всегда удается достоверно установить структуру потока, применяя один метод визуализации?

5. Сформулируйте основные понятия кинематики жидкости и газа.

6. Опишите устройство и принцип действия дымовой аэродинамической трубы.

7. На каких физических принципах основаны те методы, которые были описаны в данной работе?

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

По всем четырем разделам лабораторной работы в отчете должны быть отражены:

а) физические основы метода;

б) наиболее эффективная область применения;

в) схема установки;

г) схемы и структуры потоков для каждого метода.

Первые три пункта отчета выполняются дома при подготовке к лабораторной работе. Четвертый – в аудитории во время выполнения
работы.

Литература

1. Горшенин Д.С., Мартынов А.К. Методы и задачи практической аэродинамики. – М.: Машиностроение, 1977.

2. Чжен П. Управление отрывом потока. – М.: Мир, 1979.

3. Харитонов А.М. Техника и методы аэрофизического эксперимента. –
Ч. 2. Методы и средства аэрофизических измерений.– Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007.