Područje primjenjivosti ovih metoda se podudara sa podjelom na nestišljive
i stišljive fluide, tako da se prve metode uglavnom koriste za vizuelizaciju
podzvučnih strujanja; druga grupa metoda se koristi za strujanja s
okozvučnim i nadzvučnim brzinama; a treća pretežno za podzvučna strujanja
i strujanja sa hiperzvučnim brzinama, gdje su gasovi razređeni ili
imaju malu gustinu.
METODE VIZUELIZACIJE DODAVANJEM INDIKATORA
Prva grupa metoda obuhvata sve metode kod kojih se vrši ubacivanje
vidljivih stranih materijala u strujno polje. Njihove čestice po dimenzijama
i po gustini moraju biti veoma slične česticama osnovnog fluida, tako
da bude zadovoljena osnovna pretpostavka, da se ti indikatori kreću
pod istim uslovima i na isti način kao i fluid. Oni moraju imati vektor
brzine po amplitudi i po orijentaciji kao i čestice osnovnog fluida.
Ovaj metod je posredan jer se prati kretanje fluida na osnovu kretanja
indikatora. Razlika može biti minimizirana, ali ne i potpuno eliminisana.
Ovaj metod daje odlične rezultate za stacionarna strujanja, dok za
nestacionarna strujanja i za fluide sa promjenljivim termodinamičkim
parametrima nije preporučljiv, jer dolazi do znatnih odstupanja između
strujanja fluida i indikatora.
Dimna vizuelizacija
Dimna vizuelizacija je metoda koja može da se koristi u širokom
dijapazonu brzina strujanja gasnih fluida (najčešće vazduha), pod
uslovom da su strujanja laminarnog tipa. Najpogodnija je za vizuelizaciju
podzvučnih strujanja. Može da se realizuje pomoću dimnih tunela, dimnih
generatora i različitih reagenasa koji razvijaju dim. Dim se uvodi
u testirano podrućje kao homogena strujnica, jasno izdiferencirana
u odnosu na osnovni fluid i prati se njeno povijanje, koje je identično
povijanju fluida oko modela. Ako je strujanje turbulentno, dolazi
do brzog širenja i difuzije dimne strujnice, što značajno smanjuje
njenu vidljivost.
Postrojenja u koja se uvode dimne strujnice u kompletnom presjeku
radnog djela su poznata kao dimni tuneli. Prisustvo modela remeti
njihov raspored. Generisanje dimnih strujnica može biti izvedeno sagorjevanjem
mineralnih ulja bogatih parafinom, isparavanjem tečnosti bogatih bromidom
ili hloridom i njihova interakcija sa vlagom u vazduhu, kao i sagorjevanjem
čvrstih materijala kakvi su: drvo, papir, duvan itd. [4].
Na slici 1. je dat snimak strujnog polja u dimnom tunelu, formiranog
oko aeroprofila na kojem se nalaze turbulizatori.
Brzina strujanja je 2 m/s.
U velikim aerotunelima opšte namjene dimna vizuelizacija može da se
ostvari pomoću dimnog generatora čija se sonda postavlja ispred područja
vizuelizacije.
Ako se želi lokalna vizuelizacija strujanja u neposrednoj blizini
ili na površini modela, onda se koriste druge metode. Veoma efikasnom
se pokazala primjena titanijum-tetrahlorida (TiCl4). To je tečnost,
koja u kontaktu sa vlagom iz vazduha stvara bijeli, gust dim (skup
čestica TiO2 prečnika od oko 1mikro m). Na slikama 2. su prikazani
efekti vizuelizadje oko modela, odnosno oko krila (donjaka i gornjaka,
a i b) i na prednjem djelu aviona.
Na fotografijama je jasno prikazan turbulentni trag iza krila i povijanje
struje u prednjem djelu trupa ispred zatvorenog djela uvodnika, kao
i njeno cjepanje. Brzina strujanja je 7 m/s.
Treba napomenuti, da se ova metoda može primjeniti uz obavezne zaštitne
mjere, jer se tokom eksperimenta kao nusproizvod javlja hlorovodonična
kiselina (HCl), koja je otrovna i veoma agresivna, pa štetno djeluje
i na eksperimentatore i na opremu.
Usavršavanje metode za generisanja dima, uvođenje lasera za osvjetljavanje
i za snimanje, kao i uvođenje kompjuterske tehnike za automatsku analizu
strujne slike, povećali su njen značaj kao jedne od najstarijih i
najčešće primjenljivanih metoda.
Vizuelizacija bojama
Vizuelizacija strujanja u vodenim tunelima, koja je analogna dimnoj
vizuelizaciji u aerolunelima jeste metoda primjene boja. Kao indikatori
strujanja u vodene tunele mogu da se ubacuju različiti prahovi (puder,
aluminijum, likopodijum, hipermangan); tečne suspenzije ili rastvori
obojeni pigmentima; mljeko; mastilo; mjehuriči vazduha ili hidrogenski
mjehurići i drugo. Ubacivanje se izvodi pomoću specijalnih sondi ili
kroz rupice na površini modela.
Na slikama 3a i 3b je dat snimak modela aviona, koji ima male rupice
po površini na prednjem djelu krila i na presjeku gdje treba da se
nalazi kabina.
Kroz ove rupice ulazi vazduh podsisavanjem zbog potpritiska u radnom
djelu i formira optimalan oblik kabine i strujnice koje vizueliziraju
strujanje ispred kabine i oko kabine (a). Kroz iste rupice se istim
principom ubacuju i rastvori anilinskih boja, koji još efektnije prikazuju
strujanje.
Pigmenti se mogu rastvarati u vodi, mljeku ili alkoholu, tako da se
dobiju strujnice sa malom difuzijom, dobro vidljive i kompaktnije
(rastvor sa mljekom) ili s istom gustinom i specifičnom težinom kada
se koristi alkohol za posebna ispitivanja, kakva su rotaciona i turbulentna
polja [5].
Metoda ima i svoje nedostatke, jer nije pogodna za primjenu u zatvorenim
tunelima sa kružnim tokom. Voda se brzo zaprlja, te poslje svakog
eksperimenta tunel ili vodeni bazen treba da se prazne, čiste i ponovno
pune.
Vizuelizacija metodom končića
Strujanje u neposrednoj blizini modela za podzvučne brzine se često
vrši pomoću končića. Metoda sa fluorescentnim končićima je najsavremenija
varijanta, koja ima niz prednosti u odnosu na obične končiće.
Pri izboru karakteristike končića, njihovog rasporeda po površini
modela i načina ljepljenja mora se voditi računa o tome, da se u struju
unese što manji poremečaj kako bi se dobila što autentičnija slika
strujanja.
U svjetu, pa i kod nas, već dugo se koriste obični končići za vizuelizaciju
strujanja. Uvođenje fluorescentnih končića datira od kraja sedamdesetih
godina [2,4-5].
Vizuelizacija lokalnog strujnog polja oko modela se realizuje na taj
način, što se tanki končići, dužine između 5 i 30 mm [4], ljepe na
površinu modela. Njihovo povijanje tokom strujanja prati trenutni
pravac lokalne brzine. Končići moraju biti kratki i tanki, dobro savitljivi
i bez inercije. Međutim, pri izboru končića mora biti napravljen kompromis
između dva oprečna zahtjeva: da oni budu što tanji i lakši - sa jedne
strane, a da reflektuju dovoljno svjetlosti - sa druge strane. Za
podzvučna strujanja se obično koriste svileni ili pamučni končići
sa fi < 0,3 mm.
Pomoću fluorescentnih boja se dobija virtuelno povećanje dijametra
končića i veća luminiscencija, što omogućuje kvalitetnija snimanja.
Zbog toga mogu da se koriste još tanji končići, reda veličine 0,01...0,lmm.
Oni mogu da se ljepe na površinu modela veoma malim količinama ljepka,
tako da debljina kapljice ne prelazi vrjdnost od 0,04 mm. Na taj način
može da se izbjegne unošenje poremečaja u graničnom sloju. Uvođenje
fluorescentnih končića je neposredno vezano za ispitivanje strujanja
oko rotirajućih površina [4]. Kao primjer može da se navede ispitivanje
strujanja oko krakova elise. Na končiće, zaljepljene na površini modela,
djeluju jake centrifugalne sile, koje interferiraju sa djelovanjem
strujnog polja i njihova rezultanta određuje orijentaciju končića.
Ispitivanja su pokazala [4], da su aerodinamičke sile proporcionalne
sa prečnikom končića, a centrifugalne sile sa površinom poprečnog
presjeka, odnosno sa kvadratom prečnika.
Za osvjetljavanje modela može da se koristi izvor svjetlosti sa bogatim
ultraljubičastim djelom spektra ili specijali filtri, koji propuštaju
taj dio spektra. Luminiscencija končića se povećava i oni izgledaju
mnogo deblji i sjajniji. Za ispitivanje stacionarnih strujanja se
koriste lampe Hg ili Xe sa ultraljubičastim filtrima, koji imaju prozore
za lamdaX < 350 nm. Za nestacionarna strujanja se najčešće koriste
stroboskopski izvori svjetlosti. Registrovanje efekata vizuelizacije
može da se vrši pomoću foto-aparata ili kamere. Vrijeme eksponiranja
zavisi od uslova osvetljavanja i može da se kreće od stotih djelova
sekunde do nekoliko sekundi.
Fluorescentni končići se koriste i za vizuelizaciju strujanja u vodenim
tunelima. Takođe se koriste i za ispitivanje strujanja u slobodnom
letu [4]. Fluorescentne boje imaju širu primjenu u aerodinamičkim
eksperimentima. One mogu da se dodaju kao fluorescentni pigmenti u
uljane premaze za vizuelizaciju nadzvučnih strujanja, ili kao fluorescentni
gasovi za vizuelizaciju u vodenim tunelima. Fluorescentni efekti mogu
da se indiciraju pomoću laserske svjetlosti izazivanjem fotohemijske
reakcije u aerotunelima i u vodenim tunelima.
Vizuelizacija strujanja opisanom metodom je realizovana na tipičnom
modelu lakog borbenog aviona. Površina modela je obojena mat crnom
bojom, a končići (njih 840) su zaljepljeni, kao na slici br. 4.
Končići su svileni sa prečnikom fi ~ 0,05 mm i dužinom 1-20 mm. Zaljepljeni
su ekstra-ljepkom na bazi cijanofiksa, na rastojanju od 22 mm. Za
bojenje končića se koristila fluorescentna boja rastvorena u petroleumu.
Eksperiment je izvršen u podzvučnom aerotunelu, pri brzinama od 20
i 40 m/s. Tokom ispitivanja osim brzine se mjenjao i ugao kanara,
kako bi se dobila što složenija strujna slika oko kanara i oko krila
modela. Fotografije na slici 4a i 4b prikazuju vizuelizaciju strujanja
za pomenuti model pri brzini u neporemečenoj struji V=40 m/s, pri
napadnom uglu modela alfa,m=0° i, uglu kanara alfa,k=0° (4a) i pri
V = 40 m/s, alfa,m=10° i, alfa,k=20° (4b).
Vizuelizacija premazima
Vizuelizacija strujanja u oblasti graničnog sloja je veoma važna
u aerodinamičkim eksperimentima i realizuje se pomoću metoda koje
koriste različite premaze.
Najrasprostranjenija i najduže korišćena metoda je metoda sa uljanim
emulzijama, a primjenjuje se i za podzvučna i za nadzvučna strujanja.
Radni fluid može da bude vazduh ili voda. U osnovi uljanih emulzija
su petroleum, kerozin ili lako transformatorsko ulje, kojem se dodaju
aditivi i pigmenti. Ako je površina modela svjetla, onda se dodaje
grafitni prah ili odgovarajući pigment, a ako je površina tamna, onda
se najviše koristi prah titanijum-oksid (TiO2). Gustina emulzije se
podešava prema brzini i tipu strujanja. Tehnika nanošenja zavisi od
oblika površine i od brzine, a može biti kontinuirana ili tačkasta
[4].
Na slikama 5a i 5b je prikazan efekat vizuelizacije strujanja oko
tri cilindra (visine 100 mm i prečnika 50 mm), postavljene na ravnu
ploču (500 x 500 mm).
Ploča je premazana emulzijom od TiO2 i postavljena je u struji čija
je brzina V - 50 m/s. Ugao ploče je alfa=-4° (a) i alfa=20° (b). Snimci
su napravljeni neposredno po prestanku duvanja. Tragovi emulzije jasno
pokazuju; i raspored strujnih linija, tačke gdje dolazi do cjepanja
struje ispred cilindra i turbulentni trag iza njih. Za veliki napadni
ugao vide se i povratne struje.
Emulzija se mora nanositi u tankom homogenom sloju prije svakog eksperimenta
da se ne bi narušio granični sloj i da se ne zaprlja unutrašnjost
aerotunela.
Pored uljanih emulzija, koriste se i premazi od termoosjetljivih,
sublimacionih, piezorezistentnih i fluorescentnih materija. Pomoću
termoosetljivih boja se detektuje razlika u temperaturi između laminarnog
i turbulentnog sloja. Sublimacione materije, koje se na površinu modela
nanose u večoj mjeri sublimiraju u podrućju gdje je turbulentno strujanje.
Na taj način se identifikuju karakter strujanja i tačke prelaza. Piezorezistentni
premazi su osetljivi na parcijalne i lokalne promjene pritisaka kiseonika
i ako se osvjetle laserom (lamda = 337 nm), one reemituju apsorbovanu
svjetlost sa promenjenom talasnom dužinom, koja je direktno funkcija
pritiska. [5]
Pored termoosetljivih premaza postoje još finiji i osetljiviji premazi
koji reaguju na promjenu temperature od 0,5° C. To su tečni, odnosno
holesterični kristali. Na slici 6. je prikazana površina aeroprofila
(isti profil kao na slici 1.), koja je premazana tečnim kristalima
i postavljena u struju hladnog vazduha.
Prije početka duvanja površina je imala homogenu plavu boju, a u
toku duvanja vazdušne strujnice hlade neposrednu okolinu i mjenjaju
boju do crvene.
Tečni kristali selektivno apsorbuju upadnu svjetlost, i to u zavisnosti
od temperature podloge, sloja i okoline. Oni su aktivni u strogo definisanom
temperaturnom intervalu i mjenjaju boju od crvene, preko žute, zelene
do plave - za područja sa najvišom temperaturom. Izvan tog intervala
oni su bezbojni. Proces promjene boja je reverzibilan i trenutno prati
promjene temperature. Isti premaz može da se koristi u dužem vremenskom
periodu, a da ne izgubi svojstva. Tečni kristali su pogodni za vizuelizaciju
u aerotunelima i u vodenim tunelima.
