Starting flow past an accelerating body in superfluid helium

Abstract

Křídlo s vysokým úhlem náběhu, ponořené v supratekutém heliu je urychlováno z klidu s rúznými hodnotami zrychlení. Počáteční víry, tvořené na náběžné a odtokové hraně křídla jsou studovány za pomoci vizualizačních metod. Pole vorticity je aproximováno Lagrangeovskou pseudovorticitou, která umožňuje určit polohu a relativní sílu vírů. Bylo zjištěno že počáteční vír u odtokové hrany se pohybuje podstatně rychleji než předpovídá teorie a s možnou výjimkou krátkého počátečního časového úseku neodpovídá analyticky získanému mocninnému škálování. Vír u náběžné hrany je v aktuálním nastavení experi- mentu špatně definován, nicméně výsledky také naznačují odchylky od teorie. Rozdílnost teorie a experimentu je přisouzena primárně vlivu viskozity. Je navrženo vysvětlení, ve kterém počáteční vír po krátkém čase opustí proudění kolem křídla a pokračuje v pohybu přibližně konstantní rychlostí. Dohromady práce podporuje myšlenku podobnosti mezi viskózním prouděním a mechanicky generovaným prouděním v He II na velkých škálách. 1

An airfoil with a significant angle of attack is accelerated at various rates from rest in superfluid helium. Starting vortices, shed from the trailing and leading edge of the airfoil, are studied by visualization methods. The vorticity field is approximated by Lagrangian pseudovorticity, which makes it possible to determine the position and relative strength of the vortices in time and compare them with a classical theory. It was found that the trailing edge starting vortex moves considerably faster than predicted by the theory and apart from a possible short initial period does not follow the analytically obtained scaling laws. The leading edge vortex was found to be ill-defined in the present experimental setup, but the results also hint at differences from the theory. The disparity is attributed mostly to viscosity effects. A possible explanation is proposed for the observed phenom- ena, where the vortex may after a short period escape the airfoil's attached flow and move with an approximately constant velocity. Overall, the study supports the idea of similarity between viscous flows and large scale, mechanically driven flows of He II. 1