CC BY
1
УДК 533.6.071.082.5
В. И. Богомазов, А. С. Кузнецов, М. С. Краснобаев
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)
Визуализация обтекания моделей методом дымящей проволочки в аэродинамической трубе АТ-3 ИАЛТ МФТИ
Представлены результаты визуализации обтекания моделей методом дымящей проволочки в аэродинамической трубе АТ-3 ИАЛТ МФТИ.
Демонстрируются возможности получения не только качественных картин течения, но также условий оценок количественных данных в структурах течения.
С целью получения условий оценок количественных данных предложены методы обработки видеозаписей картин дымовой визуализации, полученных с помощью скоростной видеокамеры. Показано, что наложение на видеозаписи с помощью видеоредактора нормированных масштабных шаблонов позволяет исследовать динамические процессы в следе за обтекаемыми моделями, оценивать масштабы и частоту периодических структур.
Ключевые слова: дозвуковая аэродинамическая труба, визуализация течений, метод дымящей проволочки, обтекание моделей
V.I. Bogomazov, A.S. Kuznecov, M.S. Krasnobaev Moscow Institute of Physics and Technology
Visualization of a flow of models by a method of a smoke wire in subsonic tunnel AT-3 IAFE Moscow Institute of Physics and Technology
Results of visualization of a flow of models by a method of a smoke wire in subsonic tunnel AT-3 IAFE Moscow Institute of Physics and Technology are presented.
The possibility of obtaining not only qualitative flow patterns, but also conditions of quantitative data estimations in flow structures is demonstrated.
To obtain the conditions of quantitative data estimations, high-speed camera smoke-wire visualization processing methods are proposed. It is shown that composition of a video and a normalized scale grid with the help of a video editor allows to investigate dynamic processes in a wake behind a body, and estimate scales and frequencies of flow periodic structures.
Key words: the subsonic altitude tunnel, visualization of currents, a method of a smoke wire, a flow of models
1. Введение
Визуализация течений в процессе развития аэрогидродинамики приводила к открытию особенностей течения, помогала в разработке математических моделей для описания сложных течений, подтверждала теоретически предсказанные модели течений и играла важную роль в разработке сложных инженерных решений.
Дымовые методы визуализации поля течений широко используются и в настоящее время. Одним из таких методов является метод дымящей проволочки [1-5], эффективный для малых скоростей.
@ Богомазов В. И., Кузнецов А. С., Краснобаев М. С., 2023
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2023
Идея метода заключается в следующем. Поперек потока располагается тонкая металлическая проволочка диаметром 0,1 мм. Как отмечается в работе [1], такая проволочка не повышает уровень турбулентности потока. Возмущения среднего течения минимальны но сравнению с другими методами внесения дыма в ноток для визуализации течения.
Область применимости метода дымящей проволочки определяется пределом скорости потока, при которой происходит разрушение струек дыма. Для проволочки диаметром 0,1 мм струйки дыма вполне различимы при скоростях до 15 м/с.
Достоинствами этого метода являются: наглядность, высокое пространственное разрешение и локальность (возможность визуализации в заданных сечениях по потоку).
Цель настоящей работы состоит в подготовке и апробации методики визуализации обтекания моделей с помощью дымящей проволочки в аэродинамической трубе (АДТ) АТ-3 ПЛ. ГГ МФТИ.
2. Аэродинамическая труба АТ-3 ИАЛТ МФТИ
АДТ АТ-3 является аэродинамической трубой малых скоростей незамкнутого типа с закрытой рабочей частью (рис. 1).
Рис. 1. АДТ АТ-3 ИАЛТ МФТИ
АДТ АТ-3 не имеет форкамеры. Входное устройство выполнено в виде коллектора, с установленным на входе коллектора хонейкомбом. Поток создается с помощью четырехло-паетного вентилятора. Максимальная скорость набегающего потока составляет 15 м/с, а степень турбулентности в центре рабочей части 1,2%.
Рабочая часть выполнена в виде восьмигранника с размерами 1200x800 мм. Все стенки рабочей части могут заменяться сменными прозрачными и непрозрачными панелями, что позволяет проводить физические исследования по визуализации течений с помощью оптических методов.
3. Методика проведения визуализации течения методом дымящей проволочки
На рис. 2 представлена схема рабочей части АДТ АТ-3 при проведении эксперимента. На ней обозначены элементы, используемые при визуализации течений методом дымящей проволочки: проволочка, блок питания, выключатель цепи питания, пружина, прожекторы, видеокамера.
С помощью токопроводящих державок в рабочей части АДТ устанавливается тонкая вольфрамовая проволочка, натяжение которой при нагреве и охлаждении поддерживается с помощью пружины. Проволочка смазывается жидким минеральным маслом. Под действием сил поверхностного натяжения масло на проволочке образует близко расположенные капельки. При подаче на проволочку электрического напряжения от блока питания проволочка нагревается, капельки закипают и образуют плоскую пелену струек дыма, берущих начало в месте расположения капелек.
Регистрация картин визуализации производится с помощью скоростной видеокамеры.
Для обеспечения достаточной освещенности струек дыма и устранения теней в визуализируемом потоке используются несколько разнесенных относительно друг друга прожекторов, устанавливаемых напротив видеокамеры за пределами видимости ее объектива.
В процессе визуализации течения сначала включается скоростная видеокамера, а затем с помощью выключателя подается напряжение на проволочку от блока питания. Общая длительность процесса регистрации картины течения не превышает 1 с.
4. Оборудование, используемое в АДТ АТ-3 при применении метода дымящей проволочки
Были использованы вольфрамовые проволочки диаметром 0,1 мм и длиной до 500 мм. Для смазывания проволочки использовались различные минеральные масла (например, автомобильные). Размеры капелек на проволочке, как правило, не превышали трех диаметров проволочки. Нагрев проволочки осуществлялся источником постоянного тока АКПП-Б5-71/2М.
Предварительно для каждой заданной скорости набегающего потока проводился подбор оптимального тока для нагрева проволочки но следующему алгоритму:
Прожек
Вид
Рис. 2. Схема рабочей части АДТ АТ-3 при проведении эксперимента
1) Включается освещение области визуализации.
2) При отключенной системе электропитания проволочки «холодную» проволочку смазывают маслом.
3) Выключателем включается электрическая цепь проволочки, и с помощью блока питания проволочка медленно нагревается до появления видимых струек дыма.
4) Фиксируется величина тока.
5) Отключается электропитание проволочки.
6) Снова смазывается «холодная» проволочка.
7) Величина выходного тока на блоке питания последовательно увеличивается на 1-2 А выше последнего значения тока.
8) Включается выключатель в цепи питания проволочки.
9) Визуально отмечается изменение яркости струек дыма.
Пункты 5-9 выполняют либо до момента достижения удовлетворительной яркости струек, либо до заметного уменьшения длительности дымообразования из-за излишнего перегрева проволочки. Оптимальные параметры блока питания в конкретном опыте фиксируются.
В связи с малыми размерами капелек длительность процесса дымообразования на проволочке при скоростях потока до 15 м/с не превышает 0,2 с.
Для визуализации динамических картин течения применялась высокоскоростная видеокамера FASTCAM SA1.1 с разрешением 1024x1024 пикселя и максимальной частотой видеосъемки до 5400 кадров в секунду.
Скоростная камера записывает кадры в кольцевой буфер, и это сильно упрощает всю методику измерений, так как устраняется проблема синхронизации камеры и момента подачи тока.
Освещение струек дыма обеспечивалось четырьмя малогабаритными галогеновыми прожекторами типа IEK И0500 мощностью 500 Вт каждый.
5. Примеры визуализации течений
В АДТ АТ-3 ИАЛТ МФТИ была выполнена серия экспериментов по визуализации обтекания различных моделей методом дымящей проволочки. Визуализированные картины течения потока, сформировавшиеся при обтекании исследованных моделей, представлены на рис. 3-10.
На рис. 3 и 4 представлены картины обтекания цилиндра диаметром d = 40 мм при Re^ = 7000. Установка проволочки до и после модели позволяет наблюдать общую картину отрывного течения на цилиндре.
Рис. 3. Обтекание цилиндра (Re^ = 7000), проволочка перед цилиндром
Рис. 4. Обтекание цилиндра (Re^ = 7000), проволочка за цилиндром
Как видно из рис. 4, течение в отрывной зоне за цилиндром имеет сложный характер, обусловленный, в первую очередь, наличием в этой зоне трехмерного течения. Визуализация течения в отрывной зоне позволяет более наглядно регистрировать место отрыва потенциального течения, набегающего на цилиндр.
На рис. 5 7 представлены результаты визуализации обтекания вращающихся винтов на различных режимах.
Рис. 5. Винт в набегающем потоке (Ие^ = 19000). Диаметр винта 110 мм. тяга отсутствует свободно вращающийся винт
Режим течения, представленный на рис. 5, характерен для ветрогенераторов и автожиров.
Рис. 6. Винт в набегающем потоке (Re^ = 5500). Диаметр винта 30 мм. тяга по набегающему потоку
Рис. 7. Винт в набегающем потоке (Ие^ = 5500). Диаметр винта 30 мм. тяга навстречу набегающему потоку
Рис. 7 демонстрирует работу нееущмх) винта вертолета в режиме «вихревох'о кольца», реализуемого на несущем винте при вертикальном спуске вертолета.
6. Дополнительные возможности применения метода дымящей проволочки
Получение только качественных картин обтекания недостаточно для оценки особенностей течения около исследуемого тела.
Одним из способов получения количественных оценок в структуре течения может быть наложение на картину течения масштабной сетки.
В АДТ АТ-3 перед началом визуализации методом дымящей проволочки в месте, где будет установлена исследуемая модель, в следе за проволочкой производится видеосъемка нарисованной на планшете масштабной сетки (рис. 8). С выбранной позиции видеокамеры производится фотографирование планшета. После фотографирования планшет убирается.
Рис. 8. Изображение масштабной сетки с размером клетки 1 х 1 см в рабочей части АДТ АТ-3
На рис. 9 представлено наложение с помощью видеоредактора планшета на картину течения над перфорированной пластиной. Масштабная сетка и течение регистрировались видеокамерой с одного и того же положения.
Рис. 9. Наложение на видеокадр масштабной сетки
На рис. 9 можно наблюдать формирование пограничного слоя над перфорированной пластиной, а также появление периодических структур.
В качестве примера на рис. 10 представлен один из кадров из видеосъемки визуализации обтекания цилиндра при числе Ие — 10 000. На рисунке отчетливо видны передние фронты вихрей, формирующихся в дорожке Кармана.
Рис. 10. Дорожка Кармана за цилиндром
При появлении периодических структур при обтекании различных тел совмещение видеоизображения с масштабными шаблонами позволяет оценить частоту этих структур.
При покадровом просмотре скоростной видеосъемки картины обтекания цилиндра (рис. 10) можно определить количество кадров п, соответствующих прохождению переднего фронта двумя последующими вихрями контрольной отметки на фоне неподвижного шаблона.
При известной частоте видеосъемки Р (1/с) можно оценить частоту вихрей в дорожке Кармана:
/ = ш.
7. Заключение
Показано, что применение метода дымящей проволочки в АДТ АТ-3 ИАЛТ МФТИ позволяет осуществлять визуализацию пространственного течения потока на различных моделях.
Данный метод визуализации применим в процессе обучения студентов, а также при проведении научных исследований.
Список литературы
1. Довгаль А.В., Козлов В.В., Рам,азанов М.П. Метод визуализации дозвуковых газовых потоков // Ученые записки ЦАГИ. 1985. Т. XVI, № 4.
2. Богомазов В.И., Иншаков С.И., Янков В.П. Использование визуализации методом дымящей проволочки при исследованиях моделей крыльев на больших углах атаки в дозвуковых аэродинамических трубах // Ученые записки ЦАГИ. 1989. Т. XX, № 5.
3. Mueller T.J. Flow visualization by direct injection - smoke wire method / / Fluid Mechanics Measurement. 1983. P. 331-341. "
4. Sharul Sham Dol, Mohd Arief Mohd Nor, Muhamad Khairun Kamaruzaman. An improved smoke-wire flow visualization technique // Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics. Elounda, Greece. August 21-23. 2006. P. 231-236.
5. Ван Дайк M. Альбом течений жидкости и газа. Москва : Мир, 1966. 180 с.
References
1. Dovgal A.V., Kozlov V.V., Ramazanov M.P. Subsonic gas streams visualisation method. TsAGI Science Journal. 1985. V. XVI, N 4. (in Russian).
2. Bogomazov V.I., Inshakov S.I., Jankov V.P. Use of smoke-wire visualisation method in studies of wing models at the high angles of attack in subsonic wind tunnels. TsAGI Science Journal. 1989. V. XX, N 5. (in Russian).
3. Mueller T.J. Flow visualization by direct injection - smoke wire method. Fluid Mechanics Measurement. 1983. P. 331-341.
4. Sharul Sham Dol, Mohd Arief Mohd Nor, Muhamad Khairun Kamaruzaman. An improved smoke-wire flow visualization technique. Proceedings of the 4th WSEAS International Conference on Fluid Mechanics and Aerodynamics. Elounda, Greece. August 21-23. 2006. P. 231-236.
5. Van Dajk M. An album of fluid motion. Moscow : Mir, 1966. 180 p.
Поступим в редакцию 24-09.2023
