ケーススタディ：高速カメラが風洞での翼の変形測定試験を支援
この風洞試験アプリケーションで、German-Dutch Wind Tunnels は 10MP CMOS センサーを搭載した Emergent 20GigE カメラを選択しました。これは、その光ファイバー インターフェイスにより、風洞シミュレーションから単一のリモート PC まで XNUMX 台のカメラすべて動作させる事ができるためです。
German-Dutch Wind Tunnels (DNW) は、世界有数の風洞サービス プロバイダーの XNUMX つで、German Aerospace Center (DLR) と Royal Netherlands Aerospace Center (NLR) によって設立されました。 DNW はドイツとオランダで XNUMX つの風洞を運営しており、その中にはブランズウィック、ゲッティンゲン、アムステルダム、マルケネスにある DNW 本社があります。 航空機、車両、建物、またはその他のソリッド モデルを既知の速度の気流内に配置することにより、風洞を使用すると、研究者はオブジェクトの周囲の気流やオブジェクトに対する風の影響を調査できます。 DNW は、ヨーロッパ最大の風洞の XNUMX つを運営し、学界や航空産業、自動車、土木工学、造船、スポーツ、その他の産業からの空力研究開発プロジェクトに実験シミュレーション ソリューションを提供しています。
DNW は、実験的な空力シミュレーションを提供しています。 DNW は、亜音速、遷音速、超音速の施設を含む XNUMX つの風洞を稼働させることで、エンジニアリングと自然に見られるほぼすべての気流特性を評価できます。 DNW は、制御された環境で (スケーリングされた) モデルをテストすることにより、空力、空力音響、および空力弾性シミュレーション技術から産業界にデータを提供します。 幅広いシミュレーションを提供します。 典型的なアプリケーションには、離陸、着陸、およびクルージング航空機構成の性能特性評価、機体騒音低減のための空力音響調査、分離構成と設置構成の両方での航空機推進力のシミュレーションが含まれます。
風洞試験は通常、高度に専門化された困難なものです (図 1)。 風洞モデルは複雑で、計測器はハイテクです。 非常に厳しい製造公差と細心の注意を払った表面仕上げに加えて、モデルには、フォース バランス、エア モーター、リモート コントロールなどの多数の測定機器と制御システムが装備されています。 さらに、空力および空力音響のシミュレーションには、高度なエンジニアリングが必要になることがよくあります。 たとえば、地面効果の場合、テスト中のオブジェクトの下の地面は、統合された移動ベルト システムでシミュレートされます。 ローリング ロード システムとも呼ばれるムービング ベルトは、風洞の床に組み込まれた 7.92 x 9.6 m のスチール ベルトです。 毎秒80メートルの風速まで空気と同期して動きます。 すべてのシミュレーション、制御、および測定技術を生産的で費用対効果の高い風洞試験に統合することは、困難な作業です。 高度な訓練を受けた DNW のスタッフは、顧客やサプライヤーと緊密に連携してプロジェクトを詳細に準備し、将来の持続可能な航空のための革新的なソリューションに取り組んでいます。
図 1: DNW-LLF 風洞内の移動する地面に接近したダッソー ファルコン ビジネス ジェットのモデル (画像提供: ダッソー アビエーション)。
立体点追跡システム
DNW の重要な機能は、風洞試験から可能な限り多くの高品質データを抽出することです。 サービスの品質と費用対効果を高めるために、DNW は測定技術とテスト結果の分析に関する高度な専門知識を継続的に開発しています。 DNW では、表面の圧力、力、速度、および騒音を測定するための技術を日常的に採用しています。 航空機の性能を評価するには、正確なプロペラ、ローター ブレード、および翼の形状に関する正確な知識が必要です。 離陸から着陸までに発生するさまざまな風荷重により、風洞モデルのパーツが変形し、翼の曲がりやねじれが生じます。 DNW が開発した立体点追跡システムは、風洞試験中にさまざまな角度からマーカーを同時に追跡することにより、このようなモデルの変形を測定します。
このシステムは、さまざまな実験的シミュレーションを容易にするのに十分な柔軟性を備えており、事実上あらゆるマーカーの量、分布、およびレイアウトを扱う事ができます。 現在のアプリケーションの 1 つは、UHURA と呼ばれる EU が資金提供するプロジェクトです (EU Horizon 2020 Grant Agreement no. 769088 に基づいて資金提供されています)。 UHURAプロジェクトは、非定常高揚力空気力学のための数値ツールの開発を目指しています。 最先端の装置であるクルーガー フラップは、層流翼技術を可能にすることを約束します。 この技術は、輸送機の機体の抗力低減の主要な単一ソースと見なされており、排出量削減の目標を達成する上で重要な技術となるでしょう。 クルーガー フラップは、空気力学的な高揚力性能の向上と、離着陸時の汚染から前縁を保護するという 2 つの機能を果たすことができます。 その特定の展開パスにより、エンジニアは過渡動作中の流れと正確な部品の位置と形状について十分な知識を持っている必要があります。
DNW 風洞からの実験的測定により、UHURA は高度な 計算流体力学 (CFD)モデルを検証するための独自のデータセットを提供します。 粒子画像流速計 (PIV)からの詳細な流量測定とモデルの変形測定により、流体と翼構造の間の相互作用を調べることができます。 得られた知見は、輸送機システムの高揚力装置の動作を予測し、設計を最適化するための技術に役立ちます。 このような高度な方法論により、より複雑な部品設計が可能になり、航空機メーカーの設計リード タイムが大幅に短縮されます。
長いカメラケーブルが必要
テストの種類に応じて、DNW は Emergent Vision Technologies の 20 MP、10GigE HR-20000 カメラを 2 台または 20000 台使用して (図 35)、非侵入型マーカーを備えた風洞モデルを監視しています。 HR-20000 カメラは、AMS の 5120mm フルフレーム光学フォーマット CMV3840 CMOS センサーを備えています。 32 × 20000 のフル解像度で、このカメラは 1 fps を達成します。 HR-20000 は、< 10µs でのマルチカメラ同期と低い CPU オーバーヘッドも提供します。 ステレオ カメラのセットアップでは、風洞内に XNUMX 台のカメラを一定の距離を置いて取り付けて、さまざまな角度からマーカーの画像をキャプチャできるようにする必要があります。 DNW の計測エンジニアである Gerrit Feenstra 氏によると、HR-XNUMX カメラ が選ばれた理由は、その優れた価格/性能比と、ファイバー コンバーターやリピーターを必要とせずに最大 XNUMX km のケーブルを実行できる光ファイバー インターフェースにありました。
「Emergent が 10 ギガビット イーサネット光ファイバー インターフェイスを発表する前は、複雑なテスト セットアップがありました。 カメラとコンピューター間のケーブル長が 2 ～ 3 メートルに制限されているため、ステレオ イメージング システムでは、風洞内で XNUMX 台の PC を使用する必要がありました」と Feenstra 氏は説明します。 「Emergent の光学インターフェースは、XNUMX 台すべてのカメラを風洞シミュレーションから XNUMX 台のリモート PC で実行できるため、はるかに適しています。このリモート PC は、はるかに便利な場所にセットアップできます。」
図 2: DNW は、Emergent Vision Technologies の HR-20000 カメラを使用して、航空シミュレーションと風洞試験用のモデルの正確な位置決めを行っています。
変形測定
テスト中のオブジェクトに付与されたマーカーの 3 次元座標の追跡に基づいて、ステレオ ポイント追跡測定技術は、 落下物の高速追跡 や旅客機の 翼の変形測定から、高精度のヘリコプター ローター追跡実験まで、さまざまなプロジェクトに適切に適用されています。 これらの実験では、既知の座標を持つマーカー グリッド アレイがテスト対象のオブジェクトに適用されます。 マーカーは、アクティブに制御されるフラッシュ マウント光源またはパッシブ蛍光接着剤またはスプレー塗装マーカーのいずれかです。
UHURA プロジェクトのモデル変形テスト中に、Emergent カメラのセットアップは、風洞内のさまざまな空力シミュレーションの下で展開および収縮するときに、翼とクルーガー デバイスのモデルに配置されたパッシブ蛍光マーカーのビデオをキャプチャします (図 3)。 カスタム画像解析ソフトウェアから得られた高精度の XNUMX 次元マーカーの位置は、XNUMX 次元デジタル カメラの画像平面とモデルの測定体積を相関させるキャリブレーション ソフトウェアの入力として機能します。
さらに画像を分析することで、モデルの正確な姿勢、位置、曲げやねじれの分布など、モデルの幾何学的特性を判断します。 翼の変形は、個々のマーカー グリッド ポイントに基づいて、3D の有限要素サーフェス ジオメトリ (空間内の不連続性のない三角形のワイヤフレーム) をモデル化することによって表されます。 エラー伝播アルゴリズムに基づく統計的エラー推定を含むデータは、リアルタイム (最大 500 Hz) で提供されます。
システムの空間分解能は、カメラの種類、レンズ システム、モデルの長さスケール、およびマーカーの構成によって異なります。 ピクセル解像度は、最大 1 分の 10 ピクセルまで達成できます。 座標解像度は、カメラ チップのサイズとモデルのサイズ (0.5/(0.1 * R) の大きさのオーダー、R は画像化されたメートルあたりのピクセル数) に依存します。 典型的なフルスパン風洞モデルの場合、座標検出精度は、翼の変位で翼弦長の約 XNUMX ‰、翼の歪み (ねじれ) で XNUMX 度です。
図 3: UHURA プロジェクトのモデル変形テスト中、風洞内のステレオ カメラ セットアップは、翼のモデルに配置されたパッシブ蛍光マーカーとクルーガー フラップのビデオをキャプチャし、さまざまな空力シミュレーションの下で展開および格納します。
UV照明技術
各実験中、風洞条件が設定された後、トンネル照明が暗くなり、カスタムの高出力 405 nm UV 光源がアクティブになります。 カメラ システムによるマーカー検出に十分な照明とコントラストを生成するために、風洞に戦略的に配置された 28 個以上の光源は、30、405 W 3 nm LED のアレイに依存しています。 UV ライトがマーカーを照らし、黄色に反射してカメラに戻ります。 Feenstra 氏によると、光学ロングパス フィルターを使用すると、マーカーからの蛍光を透過させながら、UV 照明を抑制できます。 これにより、コンピューターによるマーカーの位置特定と XNUMXD 点群の構築を容易にする、高コントラストの実際の白黒画像が作成されます。
「私たちは 2016 年から、風洞内でモデルを正確に配置し、変形を測定するために Emergent カメラを使用しています」と Feenstra 氏は言います。 「それらは常にトンネルに設置されており、すべてのテストで常に実行されており、モデルの位置を継続的に監視し、マーカーを追跡しています。 それらの機能は、離陸および着陸シナリオの地面効果の調査において特に重要です。これは、DNW で行うほとんどのことです。なぜなら、 航空機モデルの下で毎秒 80 メートルで動く滑走路をシミュレートするローリング ロード システムにモデルが接触した場合、モデルが損傷する可能性があるためです。」
将来のデザイン
20 MP 10GigE HR-20000 カメラを使用したプロジェクトの初期の成功に基づいて、DNW はカメラをアップグレードし、将来の使用のために Emergent Vision Technologies から 21000 台の HZ-100-G カメラを購入しました。 受賞歴のある Zenith シリーズの 21GigE カメラの中の１機種であるこれらの 542 MP カメラは、QSFP28 100GigE インターフェイスを介して XNUMX fps のフレーム レートを実現します。
HZ-21000-G は、inVISION マガジンによって 2022年トップイノベーションとして認められ、Gpixel の GSPRINT4521 グローバル シャッター CMOS イメージ センサーを備えています。 新しいカメラを使用することで、DNW は HR-20000 カメラが提供するのと同じ利点 (< 1µs でのマルチカメラ同期や低い CPU オーバーヘッドなど) とともに、大幅に高速なフレーム レートを実現できます。
詳細については：
Emergent Vision Technologies の高速カメラ:
https://emergentvisiontec.com/area-scan-cameras/
