makalh fix mekflu
DESCRIPTION
TEKNIK VISUALISASI ALIRAN DI SALURAN ANGIN DENGAN METODE OPTIKTRANSCRIPT
TEKNIK VISUALISASI ALIRAN DI SALURAN
ANGIN DENGAN METODE OPTIK
Mekanika Fluida
DISUSUN OLEH :
Nama : Mohamad Harist Sampurna
NIM : 1101119
Kelas : TP REG B 2011
JURUSAN S1 TEKNIK PERMINYAKAN
SEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MINYAK & GAS BALIKPAPAN
BALIKPAPAN
2013
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, dengan segala kerendahan hati dan penuh suka cita, dan
sebagai perwujudan rasa syukur kehadirat Allah SWT atas segala petunjuk,
rahmat dan karunia yang diberikan oleh Allah SWT kepada penulis sehingga
dapat menyelesaikan makalah mekanika Flow Visualization , sebagai persyaratan
untuk memenuhi kurikulum Tahun Akademik 2013 / 2014 dalam menyelesaikan
mata kuliah Mekanika Fluida di Jurusan S1 Teknik Perminyakan, STT Migas
Balikpapan.
Selanjutnya penulis mengharapkan saran dan kritik yang kontruktif dan
inovatif dari para pembaca demi kesempurnaan di dalam berbagai aspek dari
makalah ini. Apabila terdapat kesalahan baik dari segi penulisan maupun tata
bahasa dalam makalah ini, penulis memohon maaf yang besar-besarnya.
Balikpapan, Juni 2013
Penyusun
BAB I
PENDAHULUAN
Untuk berabad-abad, aliran fluida telah dipelajari dalam berbagai cara dan
hari ini, aliran fluida masih merupakan bidang penting dari penelitian. Daerah di
mana aliran fluida berperan banyak. Arus gas dipelajari untuk pengembangan
mobil, pesawat terbang dan pesawat ruang angkasa, dan juga untuk desain mesin
seperti turbin dan mesin pembakaran. Penelitian aliran cairan diperlukan untuk
aplikasi angkatan laut, seperti desain kapal dan secara luas digunakan dalam
proyek-proyek teknik sipil, kimia, kedokteran dan sebagainya.
Dalam semua jenis penelitian aliran fluida, visualisasi adalah alat penting
dalam mekanika fluida eksperimental, yang dapat memberikan gambaran
keseluruhan dari medan aliran. Visualisasi aliran mungkin telah ada selama
penelitian aliran fluida itu sendiri [1-6]. Teknik visualisasi aliran eksperimental
diterapkan karena beberapa alasan:
Untuk mendapatkan gambaran aliran cairan di sekitar model skala dari
objek nyata, tanpa perhitungan apapun;
Untuk mengembangkan atau memverifikasi teori-teori baru dan lebih baik
dari aliran fluida atau model.
Jika aliran dapat dibuat terlihat oleh beberapa jenis teknik visualisasi aliran,
akan ada kemungkinan untuk mengamati fenomena aliran yang pada
dasarnya inviscid (misalnya, arus pusaran, mengalir jauh dari permukaan)
serta fenomena yang didominasi oleh efek viskositas (misalnya, aliran
lapisan batas, pemisahan) [1-38]. Selain pengamatan kualitatif, dalam
kondisi tertentu akan mungkin untuk membuat pengukuran kuantitatif dari
data visualisasi aliran serta [1-6, 8-10].
Visualisasi aliran dapat dibagi menjadi aliran permukaan dan visualisasi
visualisasi off-the-permukaan. Visualisasi aliran permukaan melibatkan jumbai,
pewarna fluorescent, minyak atau campuran tanah liat khusus, yang diterapkan
pada permukaan model. Inspeksi visual seperti jumbai dan coating sebagai fungsi
waktu atau setelah beberapa waktu, akan memberikan informasi berharga tentang
hal-hal seperti keadaan lapisan batas (laminar atau turbulen), transisi, daerah
aliran terpisah dan sejenisnya. Harus diingat dalam visualisasi sehingga apa yang
diamati di permukaan tidak selalu menunjukkan apa yang terjadi di dalam dirimu
aliran bebas.
Tipe kedua visualisasi melibatkan penggunaan pelacak seperti partikel
asap, tetesan minyak atau gelembung sabun helium. Masing-masing metode ini
membutuhkan pencahayaan yang tepat dan beberapa perangkat untuk merekam
gambar seperti kamera diam atau video. Jika medan aliran diterangi dalam
pesawat dengan masking yang tepat dari sumber cahaya adalah mungkin untuk
memeriksa bagian diskrit atau irisan aliran.
Metode optik dapat digunakan untuk memvisualisasikan aliran
kompresibel. Tiga metode optik utama untuk visualisasi aliran adalah: bayangan,
schlieren dan interferometri. Metode ini akan menjadi subjek dari bagian kedua
dari artikel.
Munculnya teknik komputer dan pengolahan citra digital memungkinkan
untuk secara otomatis menganalisis efek visualisasi aliran dan mengekstrak
informasi kualitatif dan kuantitatif, yang mungkin tidak tersedia dari pengukuran
konvensional aliran [1, 5, 12, 21, 23, 30, 32, 36, 38]. Baru-baru ini, jenis baru
visualisasi telah muncul: visualisasi dibantu komputer. Visualisasi aliran
eksperimental adalah titik awal untuk aliran visualisasi dari simulasi numerik
menggunakan komputer grafis. Di bidang dinamika fluida, komputer yang banyak
digunakan untuk menghitung bidang kecepatan dan jumlah aliran lainnya,
menggunakan teknik numerik untuk memecahkan persamaan Navier-Stokes.
Untuk menganalisis hasil perhitungan yang rumit, teknik visualisasi komputer
yang diperlukan dan sangat sering digunakan. Salah satu klasifikasi yang mungkin
dari teknik visualisasi aliran adalah sebagai berikut.
I Optical metode:
1. Metode bayangan
2. Metode Schlieren (paralel atau terfokus, abu-abu atau warna)
3. Interferometri (klasik, hologram)
4. Elektronik bintik interferometri dan shearography
5. Holografik dan Laser Doppler anemometry
Visualisasi FLOW adalah penting untuk menjelajahi, dan memahami
perilaku cairan dan dapat bersifat kualitatif dan kuantitatif [1-52].
Aliran dijelaskan dalam bagian pertama dari artikel ini [52] dianggap
sebagai aliran mampat dengan konstan, kepadatan yang seragam. Kelompok lain
dari aliran, yaitu aliran kompresibel memiliki kepadatan variabel yang tergantung
pada kecepatan aliran. Optik indeks bias n (x, y, z) gas merupakan fungsi dari
kerapatan gas. Untuk tujuan praktis, perbedaan kepadatan 2% dapat dianggap
sebagai batas yang tepat antara mampat dan arus kompresibel. Hal ini terjadi jika
M ∞> 0,2 [1].
Kemajuan pesat selama dekade terakhir mengenai isu yang terkait dengan
penerbangan kecepatan tinggi telah membawa ke fokus kebutuhan untuk
perawatan yang kompeten dari aspek fundamental dari aerodinamis dan
kebutuhan untuk aplikasi ilmu-ilmu dasar dalam memecahkan masalah-masalah
praktis. Metode fisik yang berbeda dan teknik yang digunakan untuk mengukur
kepadatan, tekanan, kecepatan dan suhu dalam dinamika gas.
Metode utama untuk visualisasi aliran ini adalah metode optik. Tiga
metode optik utama adalah: bayangan, schlieren dan interferometri.
Optik visualisasi aliran telah diperluas karena inovasi dari laser optik.
Sinar laser sangat monokromatik dan koheren dengan konsentrasi energi tinggi.
Sumber sinar laser telah berhasil telah digunakan dalam sistem visualisasi optik
konvensional, tetapi mereka telah menyebabkan pengembangan metode baru
sepenuhnya. Laser yang menarik sebagai sumber cahaya terutama untuk
interferometri [1, 9,12,18-49].
BAB II
FLOW VISUALIZATION
Lapangan udara kompresibel sebagai obyek optik
Aliran udara di sekitar model aerodynamical adalah fenomena yang sangat
kompleks. Dalam arti optik, aliran bidang ini adalah lingkungan yang transparan
dengan indeks bias cahaya yang kompleks. Lampu indeks bias di setiap titik
medan aliran adalah fungsi kerapatan udara di titik itu, yang, di sisi lain, adalah
fungsi dari kecepatan, tekanan dan suhu udara [1,6,7-12]. Hubungan antara
kepadatan udara ρ (x, y, z) dan pembiasan indeks n (x, y, z) disebut persamaan
Gladstone-Dale: n = 1 + KρThe Gladstone-Dale K konstan memiliki nilai ρ-1 dan
berbeda untuk setiap gas. Indeks bias untuk gas, yang merupakan campuran dari
beberapa komponen misalnya udara, eq. (1) menjadi: n = 1 + ΣKi ρi. The
Gladstone-Dale konstan untuk udara pada suhu 288 K bervariasi antara 2,239 10-
4 menjadi 2,33 10-4 m3/kg.
Menurut hukum Snell, sinar cahaya, melewati nonhomogeneous lapangan
dibiaskan, dibelokkan dari arah aslinya dan jalan cahaya berbeda dari sinar
terganggu. Jika sebuah pesawat rekaman ditempatkan di depan sinar cahaya,
setelah media yang mengganggu, tiga kuantitas dapat diukur: perpindahan vertikal
sinar terganggu, defleksi sudut sinar terganggu sehubungan dengan satu terganggu
dan keterbelakangan yang dibelokkan ray, yaitu pergeseran fasa antara kedua
sinar, memiliki panjang jalan yang berbeda untuk optik mereka.
Metode visualisasi optik didasarkan pada rekaman salah satu dari tiga
jumlah (atau kombinasi dari mereka). Shadowgraph digunakan untuk fenomena
pertama, metode Schlieren digunakan untuk yang kedua, dan interferometri untuk
yang terakhir.
Ada perbedaan yang signifikan antara metode ini, karena wayang kulit
sensitif terhadap perubahan dari turunan kedua kerapatan (atau indeks bias) kedua
derivatif 2n ∂ / ∂ y2, metode Schlieren sensitif terhadap perubahan kepadatan
derivatif pertama ∂ n / ∂ y, dan interferometri mampu untuk mengukur kepadatan
mutlak n perubahan. Jika, menggunakan metode optik, indeks bias cahaya n (x, y,
z) dalam bidang aliran ditentukan, parameter fisik lain dari lingkungan diuji,
signifikan untuk pengujian aerodinamis, dapat langsung ditentukan juga.
Metode Shadowgraph
Tertua dan paling sederhana dari semua metode optik untuk visualisasi
aliran shadowgraph tombol [1-15]. Gambar 1 menunjukkan setup khas untuk
metode bayangan. Sebuah sinar cahaya melewati bagian uji terowongan angin
sejajar. Sebuah cermin bulat atau lensa membuat paralel cahaya. Sumber cahaya
harus kecil untuk memastikan ketajaman yang baik dari gambar yang diperoleh.
Pengamatan dan merekam bagian-bagian balok dibelokkan dalam layar bidang
yang tegak lurus pada jarak l dari bagian tes.
Gambar 1. Pengaturan Skema sistem wayang kulit, defleksi sinar cahaya dalam bidang variabel ∂
n / y ∂
Jika bagian tes besar, rekaman adalah mustahil tanpa memfokuskan
gambar ke film. Untuk tujuan ini adalah lebih baik untuk menggunakan cermin
bulat kedua (atau lensa). Lensa kamera dalam kasus yang ditempatkan pada
bidang fokus dari cermin kedua. Mencatat shadowgraph linear berkurang, tetapi
identik dengan yang diperoleh oleh susunan disajikan dalam Gambar 1.
Untuk memahami bayangan gambar, hal ini berguna untuk menganalisis
jalur tiga sinar di bagian mana ada 2 2 adalah bagian dengan jumlah yang berbeda
∂ n / y ∂ (Gambar 1). Jika sinar 2 melewati bagian dengan nilai yang lebih tinggi ∂
2n / y ∂ 2 kemudian bersama dua sinar lainnya, 2 akan dibelokkan ke sebagian
besar, sehingga sinar 5 pada pelat fotografi atau layar akan jatuh antara ray 4 dan
2. Dengan demikian, seorang wilayah gelap muncul di layar antara sinar 1 dan 3 -
itu merupakan bayangan dari gangguan melalui mana ray 2 telah berlalu. The
pencahayaan seragam layar ini hancur. Penyelidikan ini perubahan intensitas
memberikan banyak informasi yang berguna tentang medan aliran. Sebuah
gelombang kejut dan gerak turbulen aliran kompresibel dapat dideteksi dan
direkam dengan wayang kulit [1-15].
Fig.2a menunjukkan busur gelombang kejut depan bola di terowongan
angin T-36 di M ∞ = 1.86 [7]. Jejak gelombang kejut dalam foto adalah sebuah
band dari kegelapan mutlak dibatasi di sisi hilir oleh tepi kecerahan intens. Posisi
geometris yang tepat dari shock depan adalah tepi lain dari zona gelap. Efek
difraksi terlihat di tepi terang bayangan karena gelombang kejut merupakan
lompatan indeks bias dan karena kepadatan gas rendah dalam aliran bebas.
Kepadatan udara meningkat setelah shock dan sinar insiden menyimpang ke tepi
bagian dalam. Ini adalah hasil yang analog dengan yang diperoleh dengan lensa
cembung.
Karena kepadatan gangguan lebih rendah dari di bidang sekitarnya,
(Prandtl-Meyer fan ekspansi pada akhir tajam dari nozzle) band terang muncul
pada awal bayangan [7,12]. Hasil yang sama diperoleh saat lapisan batas
kompresibel divisualisasikan. Efeknya pada sinar cahaya dapat dibandingkan
dengan efek dari lensa cekung. Fig.2b adalah wayang kulit yang khas
menunjukkan aliran di sekitar silinder berujung bulat dipasang pada pelat datar
[13].
Metode wayang kulit dengan pulsa cahaya durasi pendek dapat digunakan
untuk visualisasi baik arus kompresibel bergolak.
(a) (b)
Gambar 2. Visualisasi shadowgraph sekitar bola (a), dan gambar wayang kulit khas menunjukkan
silinder berujung bulat dipasang di plat datar (b)
Gambar 3. Numerik dan eksperimental shadowgraph visualisasi aliran superkritis kaskade M ∞ =
0,87 [14]
Kinerja bayangan dapat diilustrasikan dengan Gbr.3. Kinerja pisau yang
eksperimental dikonfirmasi di Virginia Tech High Speed Cascade Wind Tunnel
[14].
Metode numerik dan eksperimental dilakukan untuk mengungkapkan
fisika aliran terkait, khususnya mekanisme rugi. Teknik diagnostik aliran seperti
pisau permukaan pengukuran tekanan, pisau permukaan visualisasi aliran minyak,
dan wayang kulit yang digunakan dalam percobaan untuk mempelajari tekanan /
kecepatan distribusi, pola shock dan perilaku lapisan batas.
Metode Schlieren
Seperti disebutkan sebelumnya, metode Schlieren sensitif terhadap
perubahan turunan pertama densitas (atau indeks bias) dan dapat merekam
defleksi sudut sinar terganggu sehubungan dengan tidak terganggu dalam media
transparan dengan homogeneities non lokal [1 - 19,27].
Hari ini metode Schlieren adalah yang paling sering digunakan di
laboratorium aerodinamis, karena relatif sederhana dan sangat berguna.
Jika sinar paralel cahaya melewati melalui udara di mana ada gradien
densitas normal ke arah sinar, cahaya bergerak lebih lambat di mana kepadatan
lebih besar dan balok dibiaskan menuju wilayah kepadatan yang lebih besar.
Gambar 4. Toepler schlieren sistem
Yang paling sederhana adalah sistem Schlieren dengan cahaya paralel
melalui bagian uji terowongan angin. Dalam prakteknya ada sistem yang berbeda
dengan lensa atau cermin. Sistem Toepler sebagai dasar dari semua sistem
dimodifikasi lainnya diilustrasikan pada Gbr.3. Penjelasan rinci tentang sistem
diberikan dalam [7,9,10,12].
Saat ini banyak sistem yang berbeda digunakan, misalnya: sistem schlieren
dengan celah terbatas, dengan lensa untuk proyeksi, sistem ganda lensa, cermin
sistem tunggal, sistem dengan dua cermin, pesawat sistem cermin cekung dan
cermin Twin, (asimetris sistem cermin kembar), dll
Dimensi baru telah diperkenalkan ke dalam sistem schlieren mengganti
pisau-tepi dengan filter yang terdiri dari beberapa paralel, transparan, strip
berwarna (paling sering tiga lembar berwarna, merah - biru - kuning atau biru -
hijau - red). Filter warna dapat terdiri dari empat strip berbeda warna diatur dalam
filter persegi untuk memvisualisasikan grad n dalam dua arah. Jika aliran ini
axisymmetric, warna komplementer muncul untuk acara yang sama (kompresi
atau perluasan) di atas dan di bawah sumbu aliran. Warna-warna murni direkam
dan kombinasi warna adalah ukuran untuk arah lokal gradien kepadatan di bagian
tes. Sebuah modifikasi kontemporer dari sistem schlieren menyangkut
penggantian pisau-tepi oleh elemen optik yang mempengaruhi entah bagaimana
fase sinar schlieren. Gbr.4 menunjukkan perancangan sistem schlieren Toepler.
Gambar 5 menunjukkan bagian-bagian dari sistem schlieren di terowongan angin
hipersonik T-34 di MTI [9,18].
Angka 6 dan 7 menggambarkan efek schlieren direkam dengan sistem
dengan ujung pisau schlieren (hitam dan putih schlieren).
Gambar 5. Foto-foto dari komponen sistem schlieren, model yang di bagian uji terowongan angin
hipersonik T-34 dan kamera TV bersama monitor
Gambar 6. Hitam dan putih foto schlieren diperoleh di terowongan angin T-36 untuk M ∞ = 1,56
(a) dan citra sesaat Bullet dan Moncong ledakan dari Rifle 22-Kaliber (b) [13]
Dalam rangka untuk menyelidiki interaksi antara lapisan batas pada pelat injektor
dan jet, jet sonic melintang disuntikkan ke dalam aliran silang supersonik (Mach
1,7) [16]. Fig.7a. menunjukkan hasil yang khas aliran visualisasi schlieren.
Perluasan jet menyebabkan shock barel dan disk Mach ditunjukkan dalam Fig.7a.
Di sisi lain, jet injectant menyebabkan fenomena interaksi antara lintas aliran dan
jet itu sendiri. Dengan kata lain, jet bertindak pada aliran salib sebagai halangan.
Skema dari medan aliran diperoleh dari foto schlieren ditunjukkan pada Fig.7b.
Gambar 7. Schlieren foto dari medan aliran. (Mach 1,7) a) dan Skema medan aliran diperoleh
schlieren visualisasi aliran b).
Upaya untuk meningkatkan jumlah informasi diekstrak dari fotografi
schlieren telah menyebabkan penggunaan berbagai geometri filter yang buram
selain pisau-tepi serta fase transparan dan filter warna [1-27,29,30,38,43,49].
Gambar 8. Warna efek schileren seluruh tubuh tumpul dan penyelidikan menonjol tipis dipasang
di depan tubuh tumpul untuk M ∞ = 1.86 (a) dan aliran supersonik dalam model dua dimensi dari
roket nosel supersonik, (b) [9,12,17,29, 32,49]
Warna efek schileren di sekitar tubuh tumpul dan probe menonjol tipis
dipasang di depan tubuh tumpul, digunakan untuk mengurangi drag dan laju
perpindahan panas, disajikan dalam Fig.8a [9,12,40,41,43] untuk M ∞ = 1.86.
Visualisasi aliran dalam model dua dimensi roket nosel supersonik diuji dengan
metode schlieren dan efek disajikan dalam Fig.8b. Dua-dimensi Model nosel
supersonik ditempatkan di terowongan test section wind, di mana jendela sudah
terpasang. Nozzle ini dirancang untuk sejumlah Mach dalam output pesawat M ∞
= 2.6. Fig.8b menunjukkan aliran ke nozel dengan dan tanpa penghalang, Prandtl
Meyer ekspansi melewati wedge nozzle, daerah pemisahan dan mengalir ke
tenggorokan nozzle.
Klasik foto schlieren diperoleh oleh sistem schlieren warna disajikan pada
Gambar 9 - 11. Aliran sekitar kerucut dengan sudut puncak 15 ° diuji dalam T-36
terowongan angin supersonik untuk nomor Mach berbeda dan posisi filter warna
[9,11,25].
Sebuah hologram interferometer dan schlieren perangkat gabungan
[9,36,44,46-48], telah dirancang, dibuat dan diuji untuk terowongan angin trisonic
T-38. Ini adalah dasar untuk berbagai aliran optik eksperimen visualisasi.
Perangkat dapat dimasukkan dalam tes baik sebagai sistem schlieren atau sebagai
interferometer. Dimensi sistem tersebut berada di luar standar (diameter bidang
optik adalah Φ = 900 mm, seragam, tanpa penyimpangan). Hal ini memungkinkan
untuk memvisualisasikan aliran di terowongan angin transonik dan supersonik
bagian tes. Jangkauan deteksi gradien kepadatan 0,1 - 6,52 kg/m4, indeks bias 10-
7 untuk 10-4 dan resolusi dalam skala penuh adalah 10-7.
Perbaikan sistem schlieren dasar meliputi Rainbow Schlieren (Gbr.12)
[30] di mana sapi berwarna penyaring mata digunakan daripada ujung pisau untuk
mengukur kekuatan refraksi tersebut. Berbagai metode lain schlieren diperoleh
termasuk laser sebagai sumber cahaya. Fig.13a mengilustrasikan sistem schlieren
di T-36 dengan menggunakan laser He-Ne sebagai sumber cahaya dan 13b
menunjukkan sffects schlieren sekitar kerucut (30 ° sudut atas) untuk kecepatan
transonik.
Beberapa variasi bidang sistem schlieren besar telah dikembangkan untuk
memeriksa medan aliran aerodinamis yang sebelumnya sulit untuk belajar dengan
sistem schlieren konvensional. Di Langley NASA telah mengembangkan sistem
schlieren memfokuskan diri untuk memberikan pengukuran pada pesawat tertentu
dalam aliran. Beberapa sumber dan celah cut-off digunakan untuk menghilangkan
efek turbulensi di luar bidang bunga [22]. Salah satu keuntungan dari teknik ini
adalah biaya rendah, optik lebih murah daripada optik schlieren konvensional, dan
jendela dapat kualitas yang jauh lebih rendah. Tinggi kecerahan transmisi-jenis
fokus sistem schlieren dikembangkan untuk pengujian aerodinamis di terowongan
angin ukuran kecil sampai sedang.
Gambar 9. Warna Foto schlieren
diperoleh di terowongan angin T-36 untuk M ∞ = 1.02 (a), 1.1 (b) dan 1,56 (c) sekitar kerucut
dengan sudut atas 15 derajat.
Gambar 10. Bagian dari interferometer schlieren-hologram gabungan dalam T-38, (a), warna
schlieren aliran di sekitar visualisasi bola untuk M ∞ = 1.02 (b) dan M ∞ = 1.1 (c).
Gambar 11. Efek Schlieren sekitar kerucut dan slot
miring di dinding bawah untuk M ∞ = 0,81 di T-36 terowongan angin supersonik [9,12,26,33,35]
Gambar 12. Rainbow Schlieren [22]
Gambar 13. Sistem Schieren dengan laser sebagai sumber cahaya di T-36 dan efek schlieren
sekitar kerucut untuk M ∞ = 1.1
Versi retroreflective juga dikembangkan untuk aliran angin terowongan
dan untuk studi aliran konveksi, baik skala besar. Versi berbeda dari sistem
schlieren gerak-kamera dikembangkan untuk memeriksa medan aliran kereta
luncur roket dan untuk mendapatkan medan aliran di sekitar pesawat dalam
penerbangan. Kebanyakan gambar gelombang kejut harus dihasilkan di bawah
yang sangat terkendali, situasi buatan. Namun, perkembangan terakhir di NASA
dapat mengizinkan "lapangan" pengamatan gelombang kejut yang dihasilkan oleh
pesawat terbang (Gbr.14). Teknik ini diciptakan di NASA Langley Research
Center [23]. Sebuah diskusi tentang teknik ini dapat ditemukan di Ground NASA
untuk Schlieren situs web Fotografi Air.
Gambar 14. Full-Skala Schlieren Gambar dari Pesawat T-38 dengan kecepatan Mach 1,1 [23, 26]
Interferometri
Dalam kebanyakan aplikasi dinamika gas, hal ini berguna untuk
mengetahui perubahan kepadatan arus di terowongan angin, tabung shock atau jet
supersonik. Tahap balok perubahan melewati bagian terganggu dari uji lapangan
dapat dibandingkan dengan balok terganggu. Efek dari gangguan membuat dasar
interferometri. Penerapan prinsip ini dalam memvisualisasikan medan aliran
kompresibel adalah setua metode schlieren [1-7,20-49].
Interferometri Klasik
Jenis yang paling digunakan interferometer dalam tes terowongan angin
adalah interferometer Mach-Zehnder (MZI) [1,7]. Dua balok cahaya (uji dan yang
referensi) di MZI dipisahkan oleh empat piring. Alat ini cocok untuk pengukuran
kepadatan kuantitatif dalam terowongan angin yang besar. Hal ini membutuhkan
suatu tingkat yang sangat tinggi presisi mekanik dan kompleksitas konstruksi.
Mekanik dan optik toleransi dalam urutan panjang gelombang atau bawah. Hal ini
membuat instrumen mahal dan biaya tumbuh pesat dengan meningkatkan
diameter ukuran yang diinginkan dari bidang pandang.
Susunan dasar dari MZI ditunjukkan pada Gbr.15. Sumber cahaya dibuat
sejajar dengan lensa S. Amplitudo balok dibagi menjadi dua bagian semi-
mencerminkan cermin. Keempat piring yang terletak di sudut-sudut persegi
panjang dan semuanya paralel dalam awal. Bagian uji dengan jendela dua kaca
yang dibawa ke jalur balok uji. Dalam rangka untuk mengkompensasi perbedaan
fase dalam dua balok, dua pelat kaca identik dimasukkan ke jalur referensi balok.
Setelah bergabung, sinar yang sesuai dari dua berkas cahaya dapat mengganggu
dan pola tertentu pinggiran gangguan muncul pada layar atau pelat fotografi.
Sebuah homogenitas non di bagian tes menghasilkan sejumlah gangguan sistem
pinggiran tidak ada aliran. Hal ini dapat kuantitatif berkaitan dengan distribusi
kepadatan arus lapangan [1,2,7,21].
Gambar 15. Mach Zehnder interferometer
Persyaratan kualitas yang paling penting untuk sebuah "ideal" MZI adalah:
homogenitas dalam indeks bias kaca piring splitter, bagian tes, jendela, dan pelat
kompensasi Ketebalan konstan dan sama masing-masing sepasang pelat splitter
dan jendela, tepat pesawat paralelisme dan kualitas permukaan semua cermin,
piring dan jendela, lapisan yang tepat dari permukaan splitter balok dengan
pencegahan penyerapan apapun, tingkat tinggi refleksi cermin penuh, pemasangan
yang tepat yang mencegah semua piring dari membungkuk, kendur dan deformasi
mekanik lainnya, dan perlindungan instrumen dari getaran mekanik dan gangguan
lainnya. Penyesuaian dasar sangat sulit. Hal ini diperlukan untuk menyelaraskan
balok uji paralel ke permukaan benda uji dua dimensi untuk menghindari pantulan
cahaya. Langkah terakhir dalam menyesuaikan selalu membawa pinggiran
achromatic (orde nol) ke bidang pandang. Banyak kesabaran diperlukan saat
menyesuaikan MZI.
MZI telah diterapkan di hampir semua kasus penyelidikan aliran gas, di
mana perbedaan kepadatan menjadi terlihat, seperti: data termodinamika,
konduktivitas termal gas, disosiasi, aplikasi, turbulensi, gelombang atau sonic
boom aerodinamis.
Holographic Interferometri
Holographic interferometri adalah metode optik yang memungkinkan
aliran lengkap pengujian lapangan. Metode ini non-kontak (tidak mengganggu
medan aliran) dan digunakan untuk menguji objek yang berbeda dan fenomena
[1-7,20-49].
Kepadatan arus dapat diukur secara langsung menggunakan interferometri.
Keuntungan terbesar dari interferometri hologram, dalam kaitannya dengan
metode schlieren, adalah kenyataan bahwa ia menyediakan informasi lengkap
disimpan dalam piring tunggal, memungkinkan pilihan penundaan jenis tertentu
visualisasi aliran.
Metode ini didasarkan pada holografi, yang dikembangkan dalam empat
puluh lima tahun terakhir [21]. Holografi ini merupakan metode dua tahap yang,
selain untuk amplitudo cahaya, catatan fase ringan juga. Rekaman gambar tiga
dimensi dilakukan pada tahap pertama, sementara rekonstruksi dilakukan pada
tahap kedua (Gbr.16). Laser digunakan sebagai sumber cahaya. Cahaya dari
gambar direkonstruksi dari hologram mencapai mata pengamat adalah sama
dengan yang akan datang dari objek asli. Sebuah gambar hologram memiliki
kedalaman yang sama, paralaks dan perspektif yang berbeda seperti yang tersedia
dalam adegan objek yang sebenarnya.
Jika citra satu objek tercatat dua kali dalam momen yang berbeda, dalam
proses rekonstruksi kedua gambar (angka) akan muncul secara bersamaan dan di
tempat yang sama di ruang angkasa. Karena gelombang objek yang saling
koheren (mereka berasal dari sinar yang sama yang menerangi hologram) mereka
mengganggu dan efek interferensi
dapat diamati pada gambar objek
direkonstruksi. Jika tidak ada
perubahan terjadi pada objek
antara pertama dan kedua eksposisi,
maka tidak ada perbedaan dalam
gambar dan tidak ada gangguan
pinggiran. Jika perbedaan tertentu
muncul, maka gambar
direkonstruksi berisi sistem
pinggiran interferensi N yang menunjukkan perubahan itu.
Gambar 16. Pengaturan untuk hologram merekam) dan rekonstruksi b)
Uji aliran kuantitatif dengan menggunakan interferograms holografik
dilakukan dengan menentukan jumlah pinggiran N (x, y) pada gambar lapangan
sehubungan dengan titik acuan kepadatan dikenal. Setelah itu, indeks cahaya bias
n (x, y) dan kepadatan ρ udara (x, y) dapat dihitung. Untuk aliran isentropik, ada
hubungan antara N, n,,, ρ, tekanan P, temperatur T, kecepatan V, dan Mach nomor
M [9,20,21,36,44]. Dasar-dasar fisik dan interpretasi matematis dari interferometri
hologram explaned dalam referensi [1,6,7,20,21]. Salah satu kasus sederhana
adalah aliran 2D [9,21,31-35]
Untuk pengolahan interferograms benda fase axisymmetrical, metode
inversi, berdasarkan transformasi Abel, digunakan. Geometri Percobaan biasanya
dipilih untuk menyederhanakan maksimal representasi matematis aliran dan
perubahan yang terjadi di jalan sinar laser melalui test section [9,21,36-50].
Dalam aerodinamis eksperimental, medan aliran sekitar model
axisymetrical adalah contoh khas untuk menguji metode yang disajikan.
Komputer tomografi adalah teknik penting untuk merekonstruksi bidang
3-D dari interferograms holografik [1,6,21]. Ini sudah dalam pengembangan sejak
tahun 1960-an. Asal-usulnya dalam analisis matematis dari Radon. Untuk 3-D
bidang diagnostique tiga hologram harus dicatat di atas rentang 180 ° dari arah
melihat.
Oleh karena itu, beberapa teknik komputasi telah dikembangkan untuk
tomografi komputer seperti: metode implisit (seri ekspansi, representasi elemen
diskrit), metode eksplisit (metode konvolusi), dan metode Fourier transform.
Pemilihan algoritma terbaik tergantung pada struktur kepadatan lapangan, jumlah
dan format data yang tersedia, jumlah suara dalam data, dan sifat informasi yang
diinginkan.
Dalam rangka untuk menunjukkan keuntungan dari interferometri
hologram dalam pengujian medan aliran yang kompleks, dan perbandingan
dengan metode klasik lain, serangkaian percobaan telah dilakukan di terowongan
angin MTI pada kecepatan mengalir dari M1 = 0,7-3,24.
Angka 16 dan 17 menunjukkan skema dan beberapa foto dari
interferometer holografik dalam dua terowongan angin. T-36 bagian tes
terowongan angin memiliki jendela Φ = 300 mm (kualitas schlieren)
memungkinkan penggunaan metode optik. Interferometer holografik dengan
balok paralel, digunakan untuk metode eksposisi ganda [7, 21] dijelaskan di sini.
Sumber cahaya untuk merekam interferograms holografik laser ruby (2,
energi output 3 J, panjang koherensi lebih besar dari 1 m, tingkat pengulangan
adalah 4 pulsa per menit, panjang pulsa dalam modus generasi bebas adalah 250 s
dan 30 ns dalam modus Q-switched), sedangkan 6 mW laser He-Ne (3) digunakan
untuk menetapkan interferometer dalam semua terowongan angin dan untuk
rekonstruksi hologram. Laser dan semua komponen mekanik dan optik lainnya
adalah tetap di meja antivibration penyesuaian dari ketinggian sama dengan
ketinggian angin sumbu terowongan. Gbr.17 menunjukkan gambar skematik
interferometer holografik gabungan dan perangkat schlieren (tampak samping) di
T-38 dengan foto-foto dari berbagai komponen. Dimensi interferometer dapat
diilustrasikan dengan panjang balok objek, yaitu sekitar 43m dan optik lapangan
Φ = 900 mm.
Lampu laser, dengan cara lensa dan cermin, dibagi dalam dua bagian,
diperbesar dan collimated. Salah satu bagian Up melewati terowongan test section
wind (11) dan, jatuh sebagai obyek balok di piring holografik (9). Bagian lain dari
sinar dilakukan di terowongan angin dan dikirim ke pate holografik. Ini adalah
rujukan yang disebut atau sinar tambahan (Ur). Lempeng holografik terkena dua
kali: ketika terowongan angin tidak beroperasi (bila ada bidang distribusi aliran
homogen) dan ketika terowongan angin sedang berjalan (bila ada medan aliran
yang kompleks, yang merupakan subjek pengujian). Piring standar dengan emulsi
butir halus (8E75, Agfa Gevaert) digunakan untuk merekam hologram. Dengan
tujuan untuk menggambarkan aplikasi interferometri hologram, foto-foto sama
gambar holografik yang diperoleh selama uji coba yang dilakukan di terowongan
angin MTI akan disajikan.
Gambar 17. Skema dari
interferometer hologram di terowongan angin T-36
Gambar 18. Skema dan foto dari interferometer hologram di terowongan angin T-38 (tampak
samping)
Review Interferograms Hologram
Penggunaan metode klasik nosel tepi pengujian medan aliran terdiri
pengenalan penyelidikan di wilayah ekspansi dan lubang perforasi pada
permukaan nozzle. Metode ini secara signifikan mengubah medan aliran dan
memberikan citra yang salah dari proses. Selanjutnya, itu akan diperlukan untuk
memiliki kisi yang sangat padat dari titik pengukuran, sehingga rendering metode
ini sangat tidak efisien. Dalam realisasi percobaan ini interferometer hologram
diwakili dalam Fig.36 digunakan.
Gambar 19. Interferometer Holographic aliran supersonik dalam model dua dimensi dari tepi
nozzle (Prandelt-Mayer ekspansi) M ∞ = 1,56
Para interferograms holografik yang digunakan untuk perhitungan
numerik parameter medan aliran di sekitar tepi nosel dimana fen ekspansi
terbentuk (Gbr.19). Pinggiran N jumlah dibacakan dari hologram ini. Poin-poin di
depan fen ekspansi memiliki N = 0, karena pinggiran terakhir memiliki N = 17.
Nilai-nilai teoritis dan eksperimental dari nomor Mach di daerah ekspansi berada
dalam perjanjian baik Mexp = 2.15, mthe = 2.13 [25].
Foto-foto dalam Angka 20a dan 20b menyajikan interferograms hologram
aliran di sekitar bola untuk M ∞ = 0.8 (tanpa gelombang kejut) dan 1,06 (busur
gelombang kejut adalah di depan model). Fig.20b adalah kombinasi dari
interferograms hologram (bagian atas) dan foto schlieren dari aliran yang sama.
The interferometric foto jelas menunjukkan: titik stagnasi, gelombang busur
terpisah, lembar pusaran dihasilkan lingkup masa lalu, dll
Gambar 20. Interferogram holografik aliran sekitar bola untuk M ∞ = 0,82 (a) dan dicampur,
hologram dan schlieren untuk M ∞ = 1,06 (b)
Visualisasi aliran di sekitar perforasi dinding terowongan [9,26,34,35]
adalah contoh yang sangat menarik. Banyak terowongan transonik beroperasi
dengan dinding berlubang di bagian tes. Sejumlah penelitian telah dilakukan
untuk menentukan bagaimana aliran di bagian pengujian dipengaruhi oleh adanya
perforasi. Foto-foto berikut (Gbr.21). Laporan tes yang dilakukan di T-36, dengan
slot miring tunggal dalam pelat bawah bagian tes.
Gangguan yang berasal dari slot diekspresikan oleh distorsi dari sistem
pinggiran paralel. Sebuah konsentrasi pinggiran menunjukkan pembentukan
gelombang tekanan. The miring Slot ini digunakan karena telah dilaporkan bahwa
geometri tersebut jauh akan mengurangi gangguan aliran bebas.
Gambar 21.
Interferogram holografik aliran di bagian pengujian terowongan angin kosong dengan perforasi
dinding (Slot miring) (a) dan dengan kerucut untuk M ∞ = 0,83 (b) [9, 26,34,35]
Interferogram, bagaimanapun, menunjukkan bahwa gangguan dari slot
sama sekali tidak diabaikan dan mencapai bahkan melampaui sumbu bagian tes
(sekitar 60% dari tinggi test section). Perturbasi memiliki efek pada model
sengatan dipasang di garis tengah bagian uji (Fig.21b). Aliran sekitar model,
kerucut dengan Φ = 100mm dan sudut atas 90 °, untuk M ∞ = 3.24 sangat berbeda
(Gbr.22), terkait dengan aliran disajikan pada Gbr.21.
Gambar 22. Interferogram aliran dengan M ∞ = 3.24 sekitar kerucut (atas sudut 90 °)
Foto-foto gabungan (Angka 20b dan 23) yang berguna untuk analisis
komparatif metode visualizatiom aliran optik yang berbeda.
Gambar 23. Gabungan foto: yang interferogram hologram dan efek schlieren aliran di sekitar
kerucut kecil untuk M ∞ = 1,56
Para interferograms beberapa konfigurasi yang berbeda dari hambatan
nozzle roket supersonik dicatat dalam rangka untuk memberikan wawasan yang
baik ke dalam proses fisik penampilan gaya lateral dan efisiensi sistem kontrol
raket dengan gaya lateral [7,9,29,32,49]] .
Aliran dalam model dua dimensi nosel supersonik dengan dan tanpa tiga
hambatan (spoiler, deflektor dan kerucut penghalang berbentuk) (Angka 24 dan
25) menjabat sebagai kepercayaan pengendalian vektor dicatat dengan metode
eksposisi ganda. Hasil numerik dibandingkan dengan hasil pengukuran distribusi
tekanan pada bagian atas dan dinding bawah nozzle. The interferometric distribusi
pinggiran pada gambar nosel tanpa penghalang (Fig.24a) adalah simetris terhadap
sumbu nosel dan mewakili titik dengan kepadatan yang sama.
Gambar 24. Interferogram holografik aliran dalam model dua dimensi dari raket nozzle: garis
isomach eksperimental dan teoritis dalam nosel supersonik tanpa penghalang) dan dengan
penghalang, deflektor, b)
Sebuah medan aliran kompleks dalam nosel disimulasikan pada komputer
melalui solusi numerik dari persamaan diferensial parsial dan kondisi batas [32].
Identitas eksperimental dan teoritis garis isomach (metode karakteristik) jelas.
Nilai teoritis nomor Mach dalam output bidang nosel diperkirakan M = 2.6.
Tekanan Data pengukuran, menghasilkan M = 2,46 dan perhitungan hologram
memberikan nomor Mach M = 2,56. Penempatan hambatan dalam aliran
supersonik mengarah pada penciptaan zona stagnasi dan shock dan gelombang
ekspansi (Angka 25a dan 25b).
Gambar 25. Interferogram holografik aliran dalam model dua dimensi dari nozzle roket dengan:
berbentuk kerucut penghalang) dan
spoiler b)
Gambar 26. Citra komposit eksperimental dan teoritis aliran sekitar modelof kerucut silinder
dengan М ∞ = 1,474
Bagian atas dari Fig.26 adalah interferogram aliran sekitar model kerucut
silinder (θc = 15 ˚, l = 300 mm basis Φ = 160mm, 160mm = lc) untuk M ∞ =
1,474, dicatat dalam T-38 terowongan angin. Yang dihitung aliran iso garis
kepadatan untuk kondisi eksperimental dan model yang sama disajikan dalam
bagian bawah Fig.26.
Para Angka 27 dan 28 dicatat dalam T-36 untuk menggambarkan aliran
atas piring dengan langkah bagian belakang (bentuk noaerodinamical) dan aliran
sekitar rudal untuk M ∞ = 1,56.
Gambar 27. Interferogram holografik aliran sekitar pelat
2D dengan belakang langkah untuk bagian М ∞ = 0,8
Gambar 28. Interferogram holografik aliran sekitar rudal untuk M ∞ = 1,56
Metode Interferometric Lain yang Digunakan untuk Visualisasi Aliran di Seluruh
Dunia.
The interferometri hologram, hali ini, adalah salah satu metode optik
terowongan angin sangat penting bagi transonik dan supersonik aliran visualisasi.
Di terowongan angin VTI, metode yang paling sering digunakan adalah metode
paparan ganda.
Pusat-pusat lainnya menerapkan metode real time, metode rata-rata atau
SENDVICH, yang interferpmetry specle, refraksi interferometri, interferometri
diferensial, dll Optical holografi yang paling sering digunakan oleh, dengan sinar
laser dalam spektrum terlihat. Dalam prosedur standar efek interferencial direkam
pada emulsi foto atau termosensitif. Holografi elektronik menggunakan kamera
CCD. Dalam beberapa kasus tertentu akustik dan holografi microwave, dengan
elektron balok X - ray, atau komputer holografi dapat digunakan. Selain
interferometri hologram, kemungkinan yang sama saat ini telah belu
interferometri, interferometri moiré dan shearography. Hanya dua metode mereka
akan disebutkan di sini sebagai metode yang digunakan untuk visualisasi aliran,
tanpa berpura-pura menjadi pilihan terbaik.
Laser bintik fotografi adalah metode optik yang dapat diterapkan untuk
pengukuran kuantitatif bidang kerapatan aliran fluida dalam dynamic range yang
lebar. Dalam metode konvensional, kepadatan gradien peta vektor bidang
kepadatan direkonstruksi oleh optik Fourier transform dari laser terkena ganda
pola spekel direkam pada film fotografi. Teknik digital, digital laser spekel
fotografi, Meningkatkan Laser bintik fotografi dalam resolusi spasial, dalam
jangkauan dinamis dan efisiensi rekonstruksi lapangan kepadatan. Setup Praktis
metode ini sangat sederhana. Karena hanya defleksi cahaya adalah penting untuk
pengukuran kepadatan laser yang spekel fotografi, panjang cahaya panjang
koheren tidak diperlukan untuk sumber laser dan kemudian memiliki keuntungan
dibandingkan dengan metode optik lainnya. Gambar digital laser belu pola yang
PC-diperoleh, dan algoritma yang sama dengan korelasi silang dapat diterapkan
untuk memperoleh gradien densitas vektor lokal [50].
Gbr.29 merupakan analisis lapangan kepadatan refleksi Mach dari
gelombang kejut sebagai masalah khas aliran fluida kompresibel.
Diferensial interferometri adalah teknik baru yang memungkinkan analisis
kuantitatif gradien kepadatan arus, berdasarkan analisis Fourier interferograms
dan interferometer dirancang khusus. Diferensial interferometri menghasilkan
turunan pertama dari indeks bias. Warna Real-time hologram interferometri telah
dikembangkan untuk mendapatkan indeks bias n sendiri. Dalam teknik ini,
sumber cahaya terbuat dari tiga panjang gelombang (satu merah, satu hijau dan
satu biru) dari campuran gas (argon dan kripton) laser.
Gbr.30 menunjukkan contoh visualisasi diffetential interferograms
hologram warna [51].
Gambar 29. Hasil kepadatan gradien
peta vektor dengan digital laser spekel fotografi.
Dalam rangka untuk menunjukkan dan membandingkan kemungkinan
melengkapi metode optik dalam aliran visualisasi kuantitatif, ekspansi Prandlt-
Mayer diuji oleh tiga metode optik disajikan.
Angka 31a, b dan c menunjukkan visualisasi aliran sekitar 90 ° sudut
ujung tepi nosel supersonik. Interferogram ini direkam oleh lewat ganda
collimated balok objek melalui bagian uji terowongan angin. Bayangan itu
recoded di piring holografik karena collimated balok. Warna schlieren dibuat
segera setelah holografi. Gbr.32 meliputi: diagram grad ρversus y untuk sejalan
dengan koordinat x = 40 mm, -30 <y <15 mm dan foto disuperposisikan: lapisan
pertama adalah interferogram holografic dan yang kedua adalah warna schlieren.
BAB III
KESIMPULAN
Di terowongan angin dari VTI visualisasi aliran kompleks dengan metode
optik telah digunakan selama lebih dari tiga puluh tahun, dimulai dengan hitam
dan sistem schlieren putih, warna mengembangkan sistem schlieren dalam tiga
fasilitas dan memperkenalkan interferometri hologram dalam dua terowongan
angin. Metode tidak langsung memvisualisasikan adalah Laser Doppler
anemometry digunakan utama untuk pengukuran kecepatan aliran [7].
Gambar 30. Ultra interferograms langsung kecepatan tinggi aliran sekitar silinder, Δt = 50
mikrodetik [51].
Gambar 31. Visualisasi aliran supersonik sekitar dua dimensi 90 ˚ tepi nosel: a) bayangan, b)
schlieren dan c) interferogram
Gambar 32. Visualisasi aliran supersonik sekitar 70 ˚ nozzle tepi (lapisan pertama adalah
interferogram holografic dan yang kedua adalah satu warna schlieren a). Diagram adalah
lulusan n vs y b).
Pengujian medan aliran kompleks sekitar model di terowongan angin
menggunakan metode interferometri hologram, menunjukkan keuntungan yang
signifikan dari metode ini, dibandingkan dengan metode bayangan dan schlieren.
Untuk aliran dua dimensi, satu interferogram cukup untuk menyelesaikan
visualisasi aliran dan perhitungan. Metode schlieren mengurangi aliran tiga
dimensi ke gambar dua dimensi dan perhitungan menjadi sangat rumit.
Holographic interferometri memberikan hasil terbaik bagi aliran transonik dan
supersonik. Holographic interferometri memungkinkan sejumlah besar informasi
dengan akurasi yang tinggi dari sejumlah kecil percobaan.
Metode visualisasi aliran saat ini melayani sebagai dasar komputasi untuk
metode numerik yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
MARZKIRICH,W.: Flow visualization, Academic Press, New York, 1977
ASANUMA,T.: Flow visualization, Hemishere Publishing co., Tokyo, 1977
CORLETT,W.A.: Operational Flow Visualization Technique in the Langley
Unitary Plan Wind Tunnel, NASA Conf. Public. 2243, 2001
JOHN,E.LAMAR: Flow-Visualization Techniques Used at High Speed by
Configuration Aerodynamics Wind-Tunnel-Test, Team NASA Langley
Research Center Hampton, L-17973, April 2001
SAKIMA,F., FEI,H., ARAI,T. and KASAHARA,J.: Interaction Phenomena
Between a Supersonic Cross Flow and a Transverse Sonic Jet, AIAA 2002-
5181, AIAA/AAAF 11th International Space Plane sand Hypersonic
Systems and Technologies Conference, 29 September - 4 October
2002,Orléans, France
WATT,D.W., VEST,C.M.: Digital Interferometry for Flow Visualization, Exper.
in Fluids, 1987, Vol.5, pp.401-405