new approch surf oil flow vis

7/30/2019 New Approch Surf Oil Flow Vis

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New A p p r o a c h t o S u r f a c e O i l - F l o w V i s u a l i z a t i o nV l a d i m i r M o s h a r o v , A n a t o l y O r l o v , V l a d i m i r R a d c h e n k oC e n t r a l A e r o - H y d r o d y n a m i c I n s t i t u t e ( T s A G I ) ,Z h u ko v s k y , 1 4 0 1 8 0 R u s s i a

A b s t r a c t - N e w a p p r o a c h t o s u r f a c e o i l - f l o w v i s u a l i z a t i o n i ss u g g e s t e d . T h i s m e t h o d c a n b e c a l l e d a s P a r t i c l e I m a g e S u r f a c eF l o w V i s u a l i z a t i o n . T he i de a o f new m e t h o d i s t o mark a n o i l f i l ma p p l i e d o n t h e m o d e l s u r f a c e w i t h c o n t r a s t h a r d p a r t i c l e s a n d t om e a s u r e p a r t i c l e s d i s p l a c e m e n t s . A t l e a s t t w o i m a g e s o f p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o n o n t h e m o d e l s u r f a c e w i t h some t i m e i n t e r v a l a r ea c q u i r e d f o r e a c h i n v e s t i g a t e d r e g i m e . The p a i r s o f i m a g e s a r ep r o c e s s e d w i t h c r o s s - c o r r e l a t i o n a n a l y s i s s i m i l a r l y t o a n a l y s i su s e d i n P a r t i c l e I m a g e V e l o c i m e t r y m e t h o d t o o b t a i n t h ep a r a m e t e r s o f p a r t i c l e m o v e m e n t . D i re c t i o n o f p a r t i c l e s s h i f t i sc o i n c i d e n t w i t h t h e d i r e c t i o n o f s u r f a c e s t r e a m l i n e a n d a l l o w s t or e s t o r e s u r f ac e s t r e am l i n e s p a t t e r n . M a g n i t u d e o f p a r t i c l e s s h i f t i sp r o p o r t i o n a l s h e a r s t r e s s v a l u e a n d c a n v i s u a l i z e s e p a r a t i o nz o n e s , s h o c k w a v e s a n d b o u n d a r y l a y e r t r a n s i t i o n s o n i n v e s t i g a t e ds u r f a c e . S i n c e o n l y s m a l l s h i f t o f o i l f i l m i s a n a l y z e d t h e m u l t i p l et e s t s w i t h d i f f e r e n t a i r f l o w p a r a m e t e r s c a n b e made u s i n g o n em o d e l p r e p a r a t i o n . The r e s u l t s o f m e t h o d a p p l i c a t i o n f o r a i r f o i lt e s t s a t l o w R e y n o l d s n u m b e r s a r e p r e s e n t e d .

I . INTRODUCTIONS u r f a c e f l o w v i s u a l i z a t i o n p l a y s i m p o r t a n t p a r t i nu n d e r s t a n d i n g o f f l o w p h y s i c s a n d i n t e r p r e t a t i o n o f l o a d s

m e a s u r e m e n t s . O n e o f t h e w i d e l y u s e d s u r f a c e f l o wv i s u a l i z a t i o n m e t h o d i s o i l f i l m m e t h o d . O i l f i l m m e t h o dc o n s i s t s o f t h e c o a t i n g o f i n v e s t i g a t e d s u r f a c e w i t h a l a y e r o fo i l i n w h i c h p o w d e r e d p i g m e n t i s s e e d e d . K e r o s e n e , d i e s e l o i lo r t h e i r m i x t u r e s a r e t h e common b a s i s . S o o t o r f l u o r e s c e n tp o w d e r s a r e u s e d a s a p i g m e n t . U n d e r a n a c t i o n o f a i r f l o w t h eo i l f l o w s o n t h e s u r f a c e f o r m i n g t h e t r a c e s a l o n g s u r f a c es t r e a m l i n e s a n d a c c u m u l a t i n g i n t h e r e g i o n s o f f l o w s e p a r a t i o n .I d e a l l y t h e o i l s h o u l d t o f l o w o n l y a f t e r t h e f l o w s p e e d h a sr e a c h e d i t s r e q u i r e d v a l u e , b u t r e a l l y i t b e g i n s t o f l o wi m m e d i a t e l y a f t e r w i n d t u n n e l s t a r t . I n p r a c t i c e i t m e a n s t h a to i l v i s c o s i t y m u s t b e l a r g e e n o u g h t o e x c l u d e e s s e n t i a l o i lm o v e m e n t d u r i n g s t a r t p h a s e a n d t e s t d u r a t i o n m u s t b e muchl o n g e r t h a n s t a r t p h a s e . A l l o i l m u s t b e c a r r i e d a w a y b y a i r f l o wf r o m i n v e s t i g a t e d s u r f a c e d u r i n g t h e t e s t t o e x c l u d e a n e f f e c t o fs t o p p i n g p h a s e o n o i l p a t t e r n .O i l f i l m m e t h o d i s v e r y s i m p l e a n d e f f i c i e n t , b u t i s q u i t et i m e a n d e n e r g y c o n s u m i n g s i n c e i t n e e d s s e p a r a t e m o d e lp r e p a r a t i o n a n d s e p a r a t e r a t h e r l o n g w i n d t u n n e l t e s t f o r e a c hi n v e s t i g a t e d r e g i m e .New a p p r o a c h t o s u r f a c e o i l - f l o w v i s u a l i z a t i o n i s s u g g e s t e d .T h i s m e t h o d c a n b e c a l l e d a s P a r t i c l e I m a g e S u r f a c e F l o wV i s u a l i z a t i o n ( P I S F V ) . T h e i d e a o f new m e t h o d i s t o m a r k a no i l f i l m a p p l i e d o n t h e m o d e l s u r f a c e b y c o n t r a s t h a r d p a r t i c l e sa n d t o m e a s u r e p a r t i c l e s d i s p l a c e m e n t s . A t l e a s t t w o i m a g e s o fp a r t i c l e s d i s t r i b u t i o n o n t h e m o d e l s u r f a c e w i t h s o m e t i m ei n t e r v a l a r e a c q u i r e d b y C C D c a m e r a f o r e a c h i n v e s t i g a t e d

r e g i m e . T h e p a i r s o f i m a g e s a r e p r o c e s s e d w i t h c r o s s -c o r r e l a t i o n a n a l y s i s s i m i l a r l y t o a n a l y s i s u s e d i n P a r t i c l e I m a g eV e l o c i m e t r y m e t h o d t o o b t a i n t h e p a r a m e t e r s o f p a r t i c l e sm o v e m e n t . D i r e c t i o n o f p a r t i c l e s s h i f t i s c o i n c i d e n t w i t hd i r e c t i o n o f s u r f a c e s t r e a m l i n e a n d a l l o w s t o r e s t o r e s u r f a c es t r e a m l i n e p a t t e r n . M a g n i t u d e o f p a r t i c l e s h i f t i s p r o p o r t i o n a lt o s h e a r s t r e s s v a l u e a n d c a n v i s u a l i z e s e p a r a t i o n z o n e s , s h o c kw a v e s a n d b o u n d a r y l a y e r t r a n s i t i o n s o n i n v e s t i g a t e d s u r f a c e .S i n c e o n l y s m a l l s h i f t o f o i l f i l m i s a n a l y z e d t h e m u l t i p l e t e s t sw i t h d i f f e r e n t a i r f l o w p a r a m e t e r s c a n b e m a d e d u r i n g o n e w i n dt u n n e l r u n .

I I . P H Y S I C A L BACKGROUN DO i l f i l m o f t h i c k n e s s h a n d o i l v i s c o s i t y [ t u n d e r a n a c t i o n o fs h e a r s t r e s s X c a u s e d b y e x t e r n a l a i r f l o w i s m o v i n g w i t h a b o u tl i n e a r v e l o c i t y p r o f i l e ( F i g . 1 ) h a v i n g v e l o c i t y V o f f r e eb o u n d a r y o f t h e f i l m d e t e r m i n e d b y e q u a t i o n :

dV VT[=[d y h ( 1 )I f t h e o i l c o n t a i n s s o m e o p t i c a l l y c o n t r a s t p a r t i c l e s ( o n t h es u r f a c e o r i n s i d e t h e o i l f i l m ) a n d t h e y a r e m o v i n g w i t h t h e o i lt h e s h i f t o f t h e o i l c a n b e d e t e c t e d . T wo i m a g e s o f p a r t i c l e s

d i s t r i b u t i o n o n a m o d e l s u r f a c e a r e a c q u i r e d a t s o m e t i m ei n t e r v a l A t . P a r t i c l e s d i s p l a c e i n t h i s i n t e r v a l o n a d i s t a n c e Id e p e n d a n t o n s h a r e s t r e s s , o i l v i s c o s i t y a n d d e p t h o f t h ep a r t i c l e s i n t h e o i l f i l m y ( 0 < y < h ) :l = T Y A t . ( 2 )

F i g u r e 1 . O i l m o t i o n o n a m o d e l s u r f a c e .

0 - 7 8 0 3 - 9 0 9 6 - 2 / 0 5 / $ 2 0 . O O C 2 0 0 5 I E E E . 1 7 6


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8 - 4P r o c e s s i n g o f t h i s p a i r o f i m a g e s w i t h c r o s s - c o r r e l a t i o na n a l y s i s r e s u l t s i n t h e v e c t o r s o f p a r t i c l e s s h i f t s . C o r r e l a t i o nd a t a p r o c e s s i n g d e a l s w i t h s m a l l i n t e r r o g a t i o n w i n d o w o f

i m a g e s c o n t a i n i n g s o m e n u m b e r o f p a r t i c l e s ; i n d i v i d u a lp a r t i c l e s a r e n o t a n a l y z e d . N u m b e r o f p a r t i c l e s m u s t b e r a t h e rs m a l l t o f o r m m od u l a t e d i m a g e . P a r t i c l e s h a v e s o m ed i s t r i b u t i o n o n o i l f i l m d e p t h a n d c o r r e l a t i o n d a t e p r o c e s s i n gg i v e s a v e r a g e s h i f t . T h i s a v e r a g e s h i f t i s a l s o p r o p o r t i o n a l t ot h e s h e a r s t r e s s x . C o r r e l a t i o n d a t e p r o c e s s i n g a l l o w s t od e t e r m i n e p a r t i c l e s h i f t w i t h s u b p i x e l a c c u r a c y . I t m e a n s t h a tt h e s h i f t o f t h e p a r t i c l e s o n s e v e r a l p i x e l s o n l y i s s u f f i c i e n t f o rf l o w p a t t e r n r e c o n s t r u c t i o n .

E x p r e s s i o n ( 2 ) s h o w s t h a t t h r e e p a r a m e t e r s c a n b e a d j u s t e df o r r e q u i r e d s h a r e s t r e s s v a l u e . T h u s m i n i m a l t i m e i n t e r v a l i sd e t e r m i n e d b y w i n d t u n n e l c o n s t r u c t i o n . I n c r e a s i n g o f t h e t i m ei n t e r v a l i s d i s a d v a n t a g e o u s . O i l f i l m t h i c k n e s s c a n ' t b e t o ol a r g e t o e x c l u d e i t s i n f l u e n c e o n t h e f l o w . R e a s o n a b l e t h i c k n e s si s a b o u t 2 0 : 4 0 p t m . O i l v i s c o s i t y v a r i e s i n l a r g e r a n g e a n d c a nb e a d j u s t e d t o e x p e c t e d s h a r e s t r e s s .

T h u s d i f f e r e n t a i r f l o w s f r o m l o w s p e e d t o h y pe r s o n ic f l o w sc a n b e i n v e s t i g a t e d . T h e m o s t d i f f i c u l t t a s k i s t o i n v e s t i g a t el o w s p e e d f l o w s w h e r e s h a r e s t r e s s v a l u e i s c o m p a r a b l e w i t hg r a v i t y .I n c l a s s i c a l o i l - s o o t v i s u a l i z a t i o n m e t h o d t h e p i g m e n tp a r t i c l e s g e n e r a l l y d o n ' t move w i t h t h e o i l . O n l y o i l m o v e sa l o n g s u r f a c e r e m a i n i n g r i v e r b e d s i n t h e p i g m e n t ( s e e F i g . 2 ) .T h e p a r t i c l e s m u s t b e r a t h e r s m a l l a n d i n e r t t o t h e s u r f a c em a t e r i a l t o move w i t h t h e o i l . O u r e x p e r i e n c e s h o w s t h a t l a r g ep a r t i c l e s g o d o w n f a s t a n d a d h e r e t o t h e s u r f a c e . I t i s d e s i r a b l et o u s e p a r t i c l e s o f t h e e q u a l w i t h t h e o i l d e n s i t y .

O r d i n a r y t h e s i z e o f p a r t i c l e s i s l e s s t h a n t h e s i z e c o v e r e d b yi n d i v i d u a l p i x e l o f C C D a r r a y o n t h e i n v e s t i g a t e d s u r f a c e . T h el u m i n e s c e n t p a r t i c l e s c a n b e u s e d t o i n c r e a s e t h e i r c o n t r a s t o nt h e i m a g e , f o r e x a m p l e , c r y s t a l p h o s p h o r s p o w d e r s . E x c i t a t i o nl i g h t s o u r c e a n d C C D c a m e r a s h o u l d b e e q u i p p e d w i t ha p p r o p r i a t e c r o s s e d o p t i c a l f i l t e r s .

I I I . S U R F A C E FLOW V I S U A L I Z A T I O N O N A I R F O I L AT LO WREYNOLDS NUMBERSF i r s t a p p r o v a l o f new m e t h o d o f P a r t i c l e I m a g e S u r f a c eF l o w V i s u a l i z a t i o n w a s m a d e o n t h e s i m p l e s t l a b o r a t o r y s e t u p :i n t e r a c t i o n o f a j e t f r o m f l a t n o z z l e w i t h f l a t s u r f a c e [ 1 ] . A f t e rt h e s e p o s i t i v e r e s u l t s t h e m e t h o d w a s t e s t e d i n s m a l l w i n dt u n n e l o n a i r f o i l m o d e l .

F i g u r e 2 . C l a s s i c a l O i l f l o w v i s u a l i z a t i o n .

F i g u r e 3 . E x p e r i m e n t a l s e t u p o f a l o w s p e e d a i r f o i l t e s t s .A . E x p e r i m e n t a l s e t u p a n d m o d e l p r e p a r a t i o nT e s t s w e r e c a r r i e d o u t i n s m a l l l o w s p e e d w i n d t u n n e l w i t hc l o s e d t e s t s e c t i o n o f 2 0 0 x 2 0 0 mm c r o s s - s e c t i o n . T wo w a l l s o ft h e t e s t s e c t i o n w e r e m a d e f r o m p l e x i g l a s ( s e e F i g . 3 ) . M a x i m a lf l o w s p e e d i n t h i s w i n d t u n n e l i s 6 0 m / s e c t h a t c o r r e s p o n d s t oR e y n o l d s n u m b e r 4 2 0 0 0 c m - ' . T h e m o s t o f t h e t e s t s w e r e m a d ea t f l o w s p e e d 2 5 m / s e c t h a t c o r r e s p o n d s t o R e y n o l d s n u m b e r8 8 0 0 0 c a l c u l a t e d w i t h a i r f o i l c h o r d . One o f t h e r e a s o n s o f s u c hf l o w s p e e d c h o i c e w a s t o u n d e r s t a n d l o w s p e e d l i m i t f o rPISFV m e t h o d .A i r f o i l m o d e l o f 5 0 mm c h o r d a n d 1 9 0 mm s p a n w a s t e s t e d .A i r f o i l c r o s s - s e c t i o n i s s h o w n i n F i g . 4 . A i r f o i l h a d s i d e s u p p o r ta n d w a s i n s t a l l e d v e r t i c a l l y o n b o t t o m w a l l . T h u s a 1 0 mms p a c e w a s b e t w e e n a i r f o i l t i p a n d t e s t s e c t i o n w a l l . O n l y a b o u t6 0 mm o f t h e a i r f o i l t i p w a s i n v e s t i g a t e d t o o b t a i n g o o d s p a t i a lr e s o l u t i o n . I n v e s t i g a t e d r e g i o n i s s h o w n i n F i g . 3 . A n g l e o fa t t a c k w a s c h a n g e d m a n u a l l y .

M o d e l p r e p a r a t i o n b e g a n f r o m t h e c o v e r i n g o f t h e m o d e ls u r f a c e b y o r d i n a r y w h i t e p a i n t t o i n c r e a s e l i g h t r e f l e c t i o n .A f t e r t h a t a s e t o f l u m i n e s c e n t m a r k e r s ( s m a l l l u m i n e s c e n ts p o t s f i r m l y f i x e d o n m o d e l s u r f a c e ) w a s a p p l i e d o n a i r f o i ls u r f a c e . T h e s e m a r k e r s w e r e u s e d t o c o m p e n s a t e m o d e ld i s p l a c e m e n t c a u s e d b y v i b r a t i o n o f a m o d e l o r w i n d t u n n e l .A l s o m a r k e r s c a n b e u s e d f o r t r a n s f o r m a t i o n o f o b t a i n e d 2Df l o w v i s u a l i z a t i o n p a t t e r n o n 3D g e o m e t r y o f t h e m o d e l . F o rt h i s t r a n s f o r m a t i o n r e a l 3D c o o r d i n a t e s o f t h e m a r k e r s a r en e e d e d .S i l i c o n e o i l s w e r e u s e d i n a l l o u r t e s t s . S i l i c o n o i l s h a v e a tl i s t t h r e e a t t r a c t i v e f e a t u r e s :* V i s c o s i t y o f s i l i c o n e o i l s i s l o w s e n s i t i v e t o t e m p e r a t u r e .* O i l s w i t h d i f f e r e n t v i s c o s i t y c a n b e m i x e d t o c h a n g ev i s c o s i t y .* S i l i c o n e o i l s a r e n o t g l o w i n g u n d e r UV i l l u m i n a t i o n .D u r i n g p r e l i m i n a r y t e s t s o i l v i s c o s i t y w a s s e l e c t e d . F o r f l o ws p e e d o f 2 5 m / s e c o i l v i s c o s i t y o f 5 0 0 0 c S t i s o p t i m a l .

F i g u r e 4 . C r o s s - s e c t i o n o f t h e t e s t e d a i r f o i l .

1 7 7


3/5

8 - 4

F i g u r e 5 . I m a g e o f t h e m o d e l u n d e r UV l i g h t e x c i t a t i o n .S i l i c o n o i l was s e e d e d b y g r a i n s o f c r y s t a l p h o s p h o r b e f o r ea p p l i c a t i o n o n t h e m o d e l s u r f a c e . S i z e o f c r y s t a l p h o s p h o r

g r a i n s was 3 - 5 r t m . C r y s t a l p h o s p h o r was u s e d t o i n c r e a s e t h ec o n t r a s t o f p a r t i c l e s i m a g e s d u e t o i t s b r i g h t l u m i n e s c e n c eu n d e r UV e x c i t a t i o n .S i l i c o n o i l w i t h c r y s t a l p h o s p h o r g r a i n s was d i l u t e d w i t ht o l u e n e f o r a p p l i c a t i o n b y a i r gun. M i x t u r e was s h a k e n upd u r i n g a p p l i c a t i o n t o p r e v e n t p r e c i p i t a t i o n o f t h e p a r t i c l e s .M o d e l s u r f a c e was c o v e r e d w i t h o i l f i l m o f 2 0 - 4 0 p t mt h i c k n e s s .

M o d e l was i l l u m i n a t e d b y UV f l a s h l a m p . E l e c t r i c a l powero f t h e l a m p was a b o u t 1 5 0 J a n d f l a s h d u r a t i o n was l e s s t h a n2 msec. D i s t a n c e f r o m t h e l a m p t o t h e m o d e l was a b o u t 0 . 6 m.M o d e l i m a g e s were a c q u i r e d b y d i g i t a l C C D - c a m e r a o f1 3 6 0 x 1 0 2 4 p i x e l s r e s o l u t i o n . C a m e r a h a d e l e c t r o n i c s h a t t e ra n d was s y n c h r o n i z e d w i t h f l a s h l a m p t h a t p e r m i t t e d t o a c q u i r ei m a g e s a t a m b i e n t l i g h t . L e n s o f t h e c a m er a was e q u i p p e d w i t hb l u e g l a s s f i l t e r c r o s s e d w i t h UV f i l t e r o f t h e f l a s h l a m p .

I m a g e o f t h e m o d e l u n d e r UV l i g h t e x c i t a t i o n i s p r e s e n t e d i nF i g . 5 . L a r g e w h i t e p o i n t s ar e t h e m ar ke r s u s e d t o c o m p e n s a t ea i r f o i l s h i f t as a w h o l e . S m a l l p o i n t s ar e t h e g r a i n s o f c r y s t a lp h o s p h o r .B . D a t a p r o c e s s i n g a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s .

A f t e r w i n d t u n n e l s t a r t a n d f l o w s pe e d s t a b i l i z a t i o n t h e s e t so f f o u r i m a g e s were a c q u i r e d w i t h t i m e i n t e r v a l o f 3 0 secb e t w e e n t h e m a t e a c h o f e i g h t i n v e s t i g a t e d a n g l e s o f a t t a c k ( - 5 ,0 , 5 , 1 0 , 1 5 , 2 0 , 2 5 , 3 0 ) . M e a s u r e m e n t s were m a d e w i t h o u ti n t e r r u p t i o n o f a i r f l o w . O v e r a l l d u r a t i o n o f t h e t e s t was a b o u t2 0 m i n . I n s p e c t i o n o f a i r f o i l m o d e l a f t e r t h e t e s t s h o w s t h a to n l y l e a d i n g e d g e o f a i r f o i l ( a b o u t 5 mm) b e c a m e d r y( p r a c t i c a l l y f r e e o f o i l ) w h i l e t h e o t h e r s u r f a c e c o n t a i n e ds u f f i c i e n t amount o f o i l t o make more m e a s u r e m e n t s . I t i s q u i t ee v i d e n t r e s u l t s i n c e t h e o i l i s b l o w n o u t most e f f e c t i v e l y f r o mt h e r e g i o n s o f h i g h s h a r e s t r e s s v a l u e s , f i r s t o f a l l f r o m t h el e a d i n g e d g e . I t means t h a t s u g g e s t e d m e t h o d l o s e s i t s

I

F i g u r e 6 . O i l s h i f t v e c t o r s , f l o w f r o m r i g h t t o l e f t , o c = 3 0 s e n s i t i v i t y f i r s t o f a l l o n t h e l e a d i n g e d g e s w hi l e a l l t h e o t h e rs u r f a c e i s s t i l l w o r k i n g .

P a i r s o f a c q u i r e d i m a g e s were p r o c e s s e d w i t h cross-c o r r e l a t i o n a n a l y s i s s i m i l a r t o a n a l y s i s u s e d i n PIV m e t h o d t oo b t a i n t h e p a r a m e t e r s o f p a r t i c l e s movement. I n t h i s a n a l y s i st h e m a x i m a o f c r o s s - c o r r e l a t i o n f u n c t i o n f o r i n t e r r o g a t i o nw i n d o w s ( 3 2 x 3 2 p i x e l s ) o f i m a g e s were c a l c u l a t e d w i t h s u b -p i x e l r e s o l u t i o n . S t e p o f i m a g e a n a l y s i s was 1 6 x 1 6 p i x e l s .T h e s e m a x i m a r e p r e s e n t t h e most p r o b a b l e s h i f t v e c t o r s o fs m a l l s p o t s o f i m a g e ( s u m o f o i l f i l m s h i f t a n d m o d e ld i s p l a c e m e n t ) . A r e a s o f m a r k e r s were e x c l u d e d f r o mc a l c u l a t i o n . T h e d i s p l a c e m e n t v e c t o r o f t h e m o d e l as a w h o l ewas c a l c u l a t e d s e p a r a t e l y u s i n g m o d e l m a r k e r c o o r d i n a t e s .A r r a y o f o i l s h i f t v e c t o r s was c a l c u l a t e d as a v e c t o r d i f f e r e n c eo f p a r t i c l e s s h i f t s a n d m o d e l d i s p l a c e m e n t .

O i l s h i f t s v e c t o r f i e l d i s s h o w n i n F i g . 6 as a n e x a m p l e . T h i sf i e l d c o r r e s p o n d s t o f u l l y s e p a r a t e d f l o w a t A n g l e o f A t t a c k(AOA) o c = 3 0 0 .

F i g u r e 7 . S u r f a c e s t r e a m l i n e s a n d s h a r e s t r e s s f i e l d , o c = 3 0 0

178

~\ \ NVN %y\\\ gP /

I t S"---,IL

II


4/5

8 - 4

A t = 3 0 s e c

=f f i = : ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ A t = 9 0e cF i g u r e 8 . S u r f a c e s t r e a m l i n e s a n d s h a r e s t r e s s f i e l d s o n a i r f o i l a t o c = 0 0c a l c u l a t e d f r o m p a i r s o f i m a g e s w i t h d i f f e r e n t t i m e i n t e r v a l .Some a r t i f a c t s c a n b e f o u n d o n p r e s e n t e d i m a g e , n a m e l y t h ee x t r e m e l y l a r g e v e c t o r s a n d v e c t o r s o f n o n - p h y s i c a l d i r e c t i o n si n s o m e p o i n t s . M o s t o f t h e s e a r t i f a c t s a r e a p r o c e s s i n ga l g o r i t h m i m p e r f e c t i o n . N o t h i n g m e a n s w e r e m a d e i n u s e di m a g e - p r o c e s s i n g a l g o r i t h m t o a n a l y z e a n d t o e x c l u d e a r t i f a c t s .Few a r t i f a c t s w e r e c a u s e d b y d u s t t h r e a d s a t t a c h e d t o t h em o d e l s u r f a c e a n d p u l l e d o i l d o w n t h e f l o w . I m p r o v e d

p r e s e n t a t i o n o f s u r f a c e f l o w p a t t e r n c a n b e m a d e a s r e s t o r e ds u r f a c e s t r e a m l i n e s i n c om b i n a t i o n w i th f a l s e - c o l o r f i e l d o fs h i f t v e c t o r m a g n i t u d e s t h a t p r e s e n t s s h a r e s t r e s s d i s t r i b u t i o no n i n v e s t i g a t e d s u r f a c e ( F i g . 7 ) . A l t h o u g h o b t a i n e d s h a r e s t r e s sd i s t r i b u t i o n i s q u i t e r e l a t i v e s i n c e n e i t h e r o i l f i l m t h i c k n e s s n o rd e p t h o f p h o s p h o r g r a i n s i n t h e o i l f i l m a r e t a k e n i n t o a c c o u n ti n p r e s e n t e d d a t a p r o c e s s i n g , i t s h o u l d t o v i s u a l i z e a b r u p tc h a n g e s o f s h a r e s t r e s s v a l u e t h a t t a k e s p l a c e i n b o u n d a r y l a y e rt r a n s i t i o n a n d , i n a c a s e o f t r a n s o n i c a n d s u p e r s o n i c f l o w s , i n

s h o c k w a v e s . O n t h e o t h e r h a n d t h e f l o w s e p a r a t i o n a n dr e a t t a c h m e n t l i n e s s h o u l d b e v i s u a l i z e d m o r e c l e a r l y b y s u r f a c es t r e a m l i n e s .

V a r i o u s p a i r s o f i m a g e s f r o m e a c h i m a g e s e t w e r e p r o c e s s e d .P a i r s w i t h s m a l l t i m e i n t e r v a l ( 3 0 s e c ) g a v e p r i n c i p a l l y t h es a m e s u r f a c e f l o w p a t t e r n a s t h e p a i r s w i t h l a r g e t i m e i n t e r v a l( 9 0 s e c ) e x c e p t t h e s h i f t m a g n i t u d e v a l u e s w e r e p r o p o r t i o n a l t ot i m e i n t e r v a l b e t w e e n i m a g e s ( F i g . 8 ) . L a m i n a r s e p a r a t i o nb u b b l e i s c l e a r l y v i s i b l e a t t h e - 5 0 AOA, t h e n i t t r a n s f o r m s i n t ot h e t r a i l i n g e d g e s e p a r a t i o n a t t h e b i g g e r AOA ( F i g . 9 ) .S e p a r a t i o n l i n e i s c l e a r l y v i s i b l e n e a r t h e m i d d l e o f a i r f o i l a tt h e - 5 0 , 0 0 , 5 0 AOA. A t 1 5 0 AOA t h e r e a t t a c h m e n t l i n e a p p e a r sn e a r t h e l e a d i n g e d g e t h a t i n d i c a t e s t h e p r e s e n c e o f l e a d i n ge d g e b a b b l e . T h i s r e a tt a ch m e n t l i n e c o i n c i d e s w e l l w i t h a s t e po f s h a r e s t r e s s v a l u e i n d i c a t e d b y f a l s e - c o l o r map o f s h i f tm a g n i t u d e . S i m i l a r s t e p o f s h i f t m a g n i t u d e a l s o p r e s e n t s a ts m a l l AOA b u t i t i s c a u s e d b y b l o w i n g o u t o f t h e o i l f r o m t h el e a d i n g e d g e . M o s t p r o b l e m a t i c i s i n t e r p r e t a t i o n o f s h i f tm a g n i t u d e s t e p n e a r t h e l e a d i n g e d g e a t 1 0 0 AO A. O n t h e o n eh a n d i t l o o k s t o o l a r g e f o r t h e r e g i o n o f o i l b l o w i n g o u t i nr e s p e c t w i t h o t h e r i m a g e s , b u t s u r f a c e s t r e a m l i n e s d o n o ti n d i c a t e r e a t t a c h m e n t l i n e c l e a r l y . L a t e r i n v e s t i g a t i o n o f t h i sr e g i m e w i t h t r a d i t i o n a l o i l f i l m m e t h o d i n d i c a t e d l e a d i n g e d g eb a b b l e a t t h e 1 0 0 AOA. P r o b a b l y t h e r e a t t a c h m e n t l i n e o c c u r sq u i t e c l o s e t o o i l b l o w i n g o u t b o u n d a r y s o d i s c u s s e d m e t h o dd i d n o t s u c c e e d t o i n d i c a t e i t . A t 2 0 0 a n d l a r g e r AOA t h e w h o l eu p p e r s u r f a c e o f a i r f o i l o c c u r s i n s e p a r a t i o n z o n e . A l s o t h ef l o w s t r u c t u r e o n a i r f o i l t i p i s c l e a r l y v i s i b l e a t a l l AOA.I n t e n s i t y o f t i p v o r t e x i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f AOA.

O b t a i n e d r e s u l t s s h o w h i g h p o t e n t i a l o f PISFV m e t h o d .I V . C O N C L U S I O N S

New m e t h o d o f s u r f a c e f l o w v i s u a l i z a t i o n i s s u g g e s t e d .M e t h o d c a n b e c a l l e d a s P a r t i c l e I m a g e S u r f a c e F l o wV i s u a l i z a t i o n ( P I S F V ) .M e t h o d w a s t e s t e d i n s m a l l w i n d t u n n e l o n a i r f o i l m o d e l a t

2 5 m / s f l o w s p e e d .PISFV m e t h o d h a s t h e n e x t a d v a n t a g e s i n r e s p e c t w i t ht r a d i t i o n a l s u r f a c e o i l - f l o w v i s u a l i z a t i o n :* S e v e r a l a i r f l o w r e g i m e s c a n b e i n v e s t i g a t e d d u r i n g o n ew i n d t u n n e l r u n ;* R e s u l t s o f v i s u a l i z a t i o n a r e i n s e n s i t i v e t o s t a r t a n d s t o pp h a s e s o f w i n d t u n n e l o p e r a t i o n ;* R e s u l t s l o o k m o r e i n f o r m a t i v e t h a n t r a d i t i o n a lv i s u a l i z a t i o n ;* N u m e r i c a l n a t u r e o f v i s u a l i z a t i o n r e s u l t s m a k e s f u r t h e rc a l c u l a t i o n s a n d c o m p a r i s o n w i t h C FD e a s y .No f u n d a m e n t a l r e s t r i c t i o n s a r e o b s e r v e d t o a p p l y t h i sm e t h o d i n l a r g e w i n d t u n n e l s a n d a t t r a n s - , s u p e r - a n d h y p e r -s o n i c s p e e d s .M e t h o d i s p a t e n t p e n d i n g .

REFERENCES[ 1 ] V . E . M o s h a r o v , A . A . O r l o v , V . N . R a d c h e n k o , " A p p l i c a t i o n o fC o r r e l a t i o n A n a l y s i s i n S u r f a c e F l o w V i s u a l i z a t i o n w i t h O i l F i l m " ,O M F I - 2 0 0 5 , 2 8 J u n e - l A u g u s t 2 0 0 5 M o s c o w , R u s s i a , P r o c e e d i n g s .

1 7 9


5/5

8 - 4

= 1 O '

U-u U

F i g u r e 9 . S u r f a c e s t r e a m l i n e s a n d s h a r e s t r e s s f i e l d s on a i r f o i l a t 2 5 m / s e c f l o w s p e e d a n d R e = 8 8 0 0 0

1 8 0

c = O

U t , - IJ

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