Publicação: Experimental analysis of the laminar to turbulent transition process of the boundary layer on swept wings
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA::FENOMENOS DE TRANSPORTE::MECANICA DOS FLUIDOS
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Almeida, Odenir de
Resumo
The utilization of infrared thermography for the detection of the boundary layer
transition front with a 25º swept wing model of a laminar airfoil cross-section has been
studied and tested in a blow-down and closed-circuit wind tunnel. The model,
manufactured in fiberglass, has been painted in black matte paint and was submitted to
the heat of halogenic lights to increase its thermal emissivity and thus increase the
thermal contrast of the body to the mean allowing a better visualization of the turbulent
and the laminar stages of the boundary layer. Later, a Python image processing code
was used to detect the transition front and result in its position. Combinations of
Reynolds numbers and angles of attack have been tested, varying from 4,50 ∙ 105 ≤
𝑅𝑒 ≤ 9,15 ∙ 105 and 0 ° ≤ 𝛼 ≤ 14 °, to better verify the behavior of the transition front
position to various scenarios. This permitted the analyses of the transition phenomena
contrasting the results with the literature allowing the inference of the mechanisms that
are acting on the system. Besides some special cases, most of the tested points
followed the expectations, with higher Reynolds numbers and higher angles of attack
providing an early transition position. After, the infrared images have been contrasted
with the infrared images of a straight wing model of same chord and airfoil as the
present swept wing. The later comparison was to evaluate the significance level of the
crossflow instabilities in the development of the boundary layer, and thus how it would
modify the transition front position. An interesting phenomenon was then observed
were for small angles of attack the swept wing showed a closer to the leading-edge
transition front position as expected, while for higher alphas the boundary layer of the
straight wing was firstly transitioning, implying that it is in truth transitioning by other
mechanisms then the T-S waves. Besides the infrared images acquisition, to better
qualify the flow over the swept wing, the pressure distribution over the wing and the
aerodynamics efforts of lift and drag have also been characterized respectively by a
pressure transducer and an aerodynamics balance.
Abstract
O uso de termografia infravermelha para deteção da fronte de transição de um
modelo de asa com 25º de ângulo de enflechamento e seção transversal dada por um
aerofólio simétrico foi estudado em um túnel de vento soprador de circuito fechado. O
modelo foi manufaturado em fibra de vidro, pintado em tinta preta fosca, e foi
submetido ao calor de lâmpadas halogênicas para aumentar a emissividade térmica, e
assim o contraste entre a asa e o meio, permitindo uma melhor visualização dos
estágios turbulento e laminar da camada limite. Em seguida, um código de
processamento de imagens em Python foi utilizado para detectar a fronte de transição
e indicar sua posição. Várias combinações de núeros de Reynolds e âgulos de
ataque foram testados, variando entre 4,50 ∙ 105 ≤ 𝑅𝑒 ≤ 9,15 ∙ 105 e 0 ° ≤ 𝛼 ≤ 14 °
visando uma melhor avaliação do comportamento da fronte de transiçõ em vários
cenários. Isso permitiu a análise do fenômeno da transição contrastando os resultados
com a literatura, permitindo assim se inferir sobre os mecanismos que estão agindo no
sistema. Apesar de algumas exceções, a maioria dos pontos testados seguiram as
expectativas, com maiores números de Reynolds e ângulos de ataque mais altos
resultando em uma transiçãoo mais avançada. Em seguida, as imagens infravermelhas
foram contrastadas com as de um trabalho anterior que ensaiou a detecção da
posição da transição em um modelo de asa reta de mesma corda e aerofólio da
presente asa enflechada. Esta última comparação teve por objetivo avaliar a
significância das instabilidades de vento cruzado no desenvolvimento da camada
limite, e assim como elas modificam a posiçãoo da fronte de transiçãoo. Um fenômeno
interessante foi então observado onde para pequenos ângulos de ataque a asa
enflechada apresentou uma transição mais próxima ao bordo de ataque enquanto que
para ângulos de ataque mais altos a camada limite da asa reta foi a primeira a
transicionar, provavelmente implicando que ela está transicionando por outro
fenômeno que as ondas T-S. além das aquisiçãoo das imagens infravermelhas, para
melhor qualificar o escoamento sobre a asa enflechada, a distribuiçãoo de pressão e os
esforços aerodinâmicos de sustentaçãoo e arrasto foram obtidos respetivamente por
um transdutor de pressão e uma balança aerodinâmica.
Palavras-chave
Boundary Layer Transition Front, Swept Wing, Crossflow Instability, Infrared Thermography, Fronte de Transição de Camada, Asa Enflechada, Termografia Infravermelha, Instabilidade Limite de Vento Cruzado
Citação
BOTTER, Caio Roberto. Experimental analysis of the laminar to turbulent transition process of the boundary layer on swept wings. 2023. 150 f. Master’s Degree Dissertation (in Mechanical Engineering), Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2023. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2023.388 .
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