makalh fix mekflu

Click here to load reader

Post on 27-Dec-2015

94 views

Category:

Documents

20 download

Embed Size (px)

DESCRIPTION

TEKNIK VISUALISASI ALIRAN DI SALURAN ANGIN DENGAN METODE OPTIK

TRANSCRIPT

TEKNIK VISUALISASI ALIRAN DI SALURAN ANGIN DENGAN METODE OPTIK Mekanika Fluida

DISUSUN OLEH :Nama: Mohamad Harist SampurnaNIM: 1101119Kelas: TP REG B 2011

JURUSAN S1 TEKNIK PERMINYAKANSEKOLAH TINGGI TEKNOLOGI MINYAK & GAS BALIKPAPANBALIKPAPAN2013

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 IPENDAHULUAN

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 fungsiwaktu 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 bayangan2. Metode Schlieren (paralel atau terfokus, abu-abu atau warna)3. Interferometri (klasik, hologram)4. Elektronik bintik interferometri dan shearography5. 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 IIFLOW VISUALIZATION

Lapangan udara kompresibel sebagai obyek optikAliran 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 (x, y, z) dan pembiasan indeks n (x, y, z) disebut persamaan Gladstone-Dale: n = 1 + KThe Gladstone-Dale K konstan memiliki nilai -1 dan berbeda untuk setiap gas. Indeks bias untuk gas, yang merupakan campuran dari beberapa komponen misalnya udara, eq. (1) menjadi: n = 1 + Ki i. 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 ShadowgraphTertua 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 SchlierenSeperti 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), dllDimensi 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 = 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]

InterferometriDalam 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 KlasikJenis 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 InterferometriHolographic 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 udara (x, y) dapat dihitung. Untuk aliran isentropik, ada hubungan antara N, n,,, , 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 = 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 = 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 HologramPenggunaan 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 = 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 = 1,474

Bagian atas dari Fig.26 adalah interferogram aliran sekitar model kerucut silinder (c = 15 , l = 300 mm basis = 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 = 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 moir 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 versus y untuk sejalan dengan koordinat x = 40 mm, -30