Визуальные методы исследования

Метод полос

Визуальные методы аэродинамических исследований в дозвуковом и сверхзвуковом потоке предполагают получение спектров обтекания, исследуемых моделей, снятых на фотоаппарат или видеозаписи.

Спектры и картины обтекания тел сверхзвуковым потоком в виде систем скачков уплотнений и линий слабых возмущений при М > 1, кроме качественного анализа протекающего процесса, дают возможность получить количественные зависимости некоторых параметров потока [1, 2J. Например, используя фотографию возможно определить угол конуса слабых возмущений ц, который получается благодаря установке в потоке тонкой иглы. При обтекании сверхзвуковым потоком тела вращения с острой головной частью, на его носке образуется присоединенный косой скачок уплотнения, рисунок 2.11.

При обтекании скругленной части тела вращения при такой же сверхзвуковой скорости потока головная ударная волна становится отсоединенной, т.е. находится на некотором расстоянии от предмета и движется вместе с ним, с той же скоростью, что и тело. Между ударной волной и телом образуется область дозвуковых скоростей с повышенной плотностью. С увеличением числа М расстояние между скачком и телом сокращается, что приводит к уменьшению дозвуковой области, что приводит к снижению коэффициента волнового сопротивления. Предельное отсоединение скачка уплотнения, от носка тела соответствует максимальному значению волнового сопротивления, рисунок 1.12.

В тех случаях, когда головная ударная волна отходит от носка обтекаемого тела дальше придельного значения, интенсивность ее падает, что приводит к уменьшению коэффициента волнового сопротивления. Отсоединенная ударная волна образуется, лишь при условии, когда угол клина носовой части тела, больше предельного угла для данного числа М. Поэтому для каждого конкретного случая предельный угол определяется по ударной поляре.

Рисунок 2.11 — Присоединенный косой скачок уплотнения

Рисунок 2.12 — Отсоединение скачка уплотнения

Если постепенно снижать скорость сверхзвукового потока, то существующая отсоединенная головная волна перед телом будет двигаться от носка против потока. Угол наклона скачка будет увеличиваться и когда число М ~1 скачек станет прямым по всей длине. Рассмотрим рабочий процесс в сверхзвуковой трубе кратковременного действия с закрытой рабочей частью,

• 1 - электродвигатель; 2 - компрессор; 3 - очиститель; 4 - баллонная станция;
• 5 - кран подачи воздуха; 6 - игла; 8 - пускорегулировочный кран; 9 - ресивер;
• 10 - форкамера; 11 - сопло Лаваля; 12 - модель; 13 - диффузор; 14 - источник света; 15 - диафрагма; 16 - объектив коллиматора; 17 - объектив трубы;
• 18 - оптический нож; 19 - линза; 20 - матовый экран; 21 - диагональные зеркала; 22 - защитные стекла.

Рисунок 2.13 — Сверхзвуковая труба кратковременного действия

Заполнение баллонной станции сжатым воздухом производится при помощи компрессора, приводимого в движении электродвигателем. В очистителе отделяется вода и масло, которые в виде паров присоединяются к воздуху во время его сжатия. Существует большое количество оптических приборов, в представленной трубе используется следующая схема, рисунок 2.14.

• 1 - коллиматор; 2, 10 - сферические зеркала; 3 - источник монохромного света;
• 4 - диафрагма; 5, 11 - диагональное зеркало; 6, 9 - мениски; 7 - рабочая часть;
• 8 - наблюдательная труба; 12 - нож; 13 - фокус; 14 - экран.

Рисунок 2.14 — Оптическая схема

Схема состоит из двух оптических систем:

• 1) коллиматорной, с помощью которой происходит просвечивание параллельным пучком света исследуемой рабочей части аэродинамической трубы;
• 2) наблюдательной, с помощью которой фотографируют спектр обтекания модели, расположенной в рабочей части аэродинамической трубы.

Принцип работы оптической установки состоит в следующем. Осветитель и нож помещены в фокусах зеркально-менисковых объектив. Если в рабочей части трубы по всему сечению и по длине плотность воздуха постоянна, то изображение на экране, будет освещено равномерно. При обдувании сверхзвуковым потоком модели, помещенной в рабочей части трубы, будут образовываться скачки уплотнения, появится градиент плотности воздуха. При прохождении через уплотнения вследствие иного коэффициента преломления лучи света отклоняются от своего первоначального направления. Если нож будет задерживать отклоненные лучи, то зоны, соответсвующие уплотненному воздуху будут изображаться на экране в виде темных полос, и наоборот когда нож будет пропускать отклоненные лучи, то зоны уплотнения на экране изображаются светлыми полосами. На место матового экрана можно поместить фотоаппарат или видео камеру и записать текущий спектр обтекания. На рисунке 2.15 изображена схема прохождения отклоненных световых лучей через поле неравномерной плотности.

Рисунок 2.15 — Схема прохождения отклоненных световых лучей

При прохождении области оптической неоднородности лучи задерживаются в фокальной плоскости оптическим ножом. В результате на экране, условно повернутом на некоторый угол, вокруг оси у, кроме силуэта иглы как точечного источника, будет видно изображение конуса слабых возмущений, вершиной которого является кончик иглы [8].

В современных оптических установках для использования метода полос применяют более сложные с точки зрения конструкции схемы. Они позволяют полностью устранить сферические и хроматические аберрации, что способствует повышению четкости изображения. Использование современной фото и видео фиксирующей техники позволяет, автоматизировать процесс, сбора, хранения и обработки картин обтекания.