Medición de la densidad del campo de flujo con instrumentos de prueba en túnel de viento

Los instrumentos ópticos se utilizan comúnmente en túneles de viento para mostrar y medir campos de flujo, como medidores de sombra, medidores Schlieren e interferómetros Mach-Zehnder (denominados interferómetros M-Z). Instrumento óptico que utiliza el principio de sombreado para observar la tasa de cambio de falta de homogeneidad en medios transparentes. En túneles de viento u objetivos balísticos, a menudo se utiliza para observar la posición y la forma de los cambios del gradiente de densidad del campo de flujo cuando el modelo y el gas se mueven entre sí. Como se muestra en la Figura 2, el colimador L convierte la luz divergente de la fuente de luz puntual S en luz paralela y la emite. La luz paralela pasa a través de la parte experimental D y llega a la pantalla Q. Si el gradiente de densidad del campo de flujo en D es. cero o uniforme, entonces la luz paralela no se desvía o se desvía en la misma dirección (dεy es la misma), y la iluminación en la pantalla Q es uniforme si la densidad del gas en D cambia de manera desigual en el campo de flujo, la desviación de; la luz a través del campo de flujo también es diferente, parte de la luz converge y otra parte La luz diverge y aparecerán en la pantalla imágenes de sombras de luz y oscuridad variables, que reflejan cambios en el gradiente de densidad del gas en el campo de flujo. La segunda derivada de la densidad perpendicular a la dirección de la luz incidente en el mismo campo de flujo es proporcional al valor integral del producto de la distancia a la pantalla. Si la desviación de la luz dentro del rango de perturbación del campo de flujo es insignificante, la relación anterior se puede utilizar para el análisis cuantitativo. Pero, en general, sólo puede utilizarse para análisis cualitativos. Hay dos tipos de medidores de sombra fabricados utilizando el principio del método de sombra: el tipo de columna de luz paralela y el tipo de cono de luz divergente. Las fuentes de luz puntuales suelen utilizar chispas eléctricas o fuentes de luz de pulso láser. La película fotosensible se coloca en el área Q de la pantalla y el sistema óptico la graba o genera imágenes. El método de la sombra tiene equipos simples e imágenes intuitivas, y puede obtener imágenes claras de las ondas de choque y los vórtices circundantes cuando el modelo se mueve a alta velocidad en relación con el aire. También se puede observar la ubicación de la zona de transición de la capa límite y el flujo en la zona turbulenta.

Figura 2 Diagrama esquemático del método de sombra y fotografías experimentales utilizados para determinar gradientes de densidad en medios transparentes observando cambios en el índice de refracción en medios transparentes no homogéneos y convirtiéndolos en cambios en la iluminación en un plano de grabación. . En los experimentos en túneles de viento se utiliza un Schlieren para representar los cambios de densidad del campo de flujo alrededor del modelo y observar el área y la posición de las ondas de choque, las ondas de expansión, las capas límite y las estelas. La palabra schlieren proviene del alemán y significa los surcos que aparecen en materiales transparentes debido a ingredientes impuros. En 1859, J.-B.-L. Foucault propuso utilizar el filo de la navaja como abertura para inspeccionar la calidad de las piezas ópticas. 1886 A.J.I. Topler utilizó por primera vez sistemas ópticos para observar schlieren y estudiar fenómenos de flujo como chispas y explosiones. A Schlieren a veces se le llama método de Topler. Como se muestra en la Figura 3, la fuente de luz S (generalmente una rendija) se visualiza en el plano K del filo de la cuchilla, y el objeto en la parte experimental se visualiza en la pantalla Q a través del reflector M2 y la lente del objetivo fotográfico L. Cuando el El medio en la sección experimental es uniforme, en Se forma una imagen de una sola fuente de luz en el plano del borde del cuchillo y la iluminación en la pantalla es uniforme. Cuando la densidad del medio en el área local de la sección experimental es desigual, la luz que pasa por esta área se desviará y el ángulo de desviación es proporcional al gradiente del índice de refracción. Se forma una imagen de fuente de luz desviada en el plano de la pala y cambia la iluminación del área correspondiente en la pantalla. El cambio en la iluminación es proporcional al valor integral de la primera derivada del cambio del índice de refracción perpendicular a la dirección del filo a lo largo de la trayectoria óptica en el medio. Según la relación entre el índice de refracción y la densidad del medio gaseoso, se puede obtener el gradiente de densidad del medio. En los experimentos en túneles de viento, se suele utilizar un schlieren para mostrar campos de flujo cualitativos. Se pueden obtener interferencias de color utilizando cintas, rejillas y prismas polarizadores, lo que mejora la sensibilidad y es adecuado para la investigación cuantitativa. Los schlierenógrafos se combinan con fotografía de alta velocidad y microscopía para tomar fotografías schlieren microscópicas de alta velocidad. La fuente de luz láser utilizada en schlieren no solo puede acortar el tiempo de exposición y obtener schlieren transitorios de alta velocidad, sino también formar un sistema holográfico para "congelar" el espacio y el tiempo experimentales y reproducirlos para investigaciones cuantitativas en el espacio tridimensional.

Figura 3 Diagrama esquemático de la trayectoria óptica de Schlieren

Interferómetro M-z

Un instrumento óptico que utiliza el principio de coherencia de la luz para determinar el valor del índice de refracción en un medio transparente . Puede utilizarse para medir cambios de densidad locales en el campo de flujo en experimentos en túneles de viento. En 1878, E. Mach utilizó el interferómetro de doble haz y doble espejo Yaman para estudiar los fenómenos de la dinámica de los gases. En 1891 y 1892, Zander produjo interferómetros de dos haces y cuatro espejos, que son los interferómetros M-Z comúnmente utilizados en túneles de viento. Como se muestra en la Figura 4, la luz emitida por la fuente de luz puntual monocromática 1 es colimada por el divisor de haz 3 y se divide en un haz de referencia (que pasa por 3, 4 y 7) y un haz experimental (que pasa por 3, 5 y 7). Cuando el haz experimental pasa a través de la parte experimental 6 con diferentes densidades desde el exterior, la velocidad cambia y se produce un cambio de fase. Cuando encuentra el haz de referencia en el espacio, se produce interferencia. Cuando la densidad de la sección transversal experimental es uniforme, se forman franjas de interferencia rectas; cuando la densidad es desigual, las franjas serán curvas. El desplazamiento relativo de las franjas es proporcional al cambio en el índice de refracción.

Según la forma de la franja de interferencia y el espaciado de las franjas, se puede obtener con precisión el índice de refracción del punto correspondiente en la sección transversal experimental y se puede calcular la distribución de densidad en consecuencia. En el caso de flujo isentrópico, la distribución de presión y velocidad del campo de flujo se puede obtener midiendo los parámetros del flujo de aire en estado estático. En el caso de los plasmas, la densidad electrónica y sus cambios se pueden medir cuantitativamente. El interferómetro M-Z requiere componentes ópticos de alta calidad y mecanismos de ajuste precisos, lo cual es técnicamente difícil. Desde 1967, el uso de interferómetros M-Z en túneles de viento ha cobrado nueva vitalidad utilizando láseres como fuente de luz.

Figura 4 Interferómetro M-Z