WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРИКЛАДНОЙ МЕХАНИКИ

на правах рукописи

Павлов Александр Алексеевич

ПАНОРАМНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ В АЭРОФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск - 2009

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Козлов Виктор Владимирович доктор физико-математических наук, профессор Маркович Дмитрий Маркович доктор физико-математических наук, профессор Ринкевичус Бронюс Симович

Ведущая организация:

Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского (ЦАГИ)

Защита состоится « 27 » ноября 2009 г. в «10» часов на заседании диссертационного совета Д 003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская, 4/1.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просьба направлять на имя ученого секретаря диссертационного совета Д 003.035.02.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики СО РАН.

Автореферат разослан «_____» _______________2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н. Засыпкин И. М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность работы Современный аэрофизический эксперимент предъявляет высокие требования к количеству и качеству информации, необходимой для понимания процессов, реализующихся при обтекании летательных аппаратов, и для верификации теоретических исследований и алгоритмов численных расчетов. Это ведет к необходимости развития традиционных методов исследования потоков (измерения с помощью пневмонасадков, термоанемометров, термопар и т. д.) и разработки новых методов регистрации, что обусловлено следующими факторами.

Любые методы измерений имеют ограничения по чувствительности, динамическому диапазону и точности измерений, по пространственному и временному разрешению. В связи с этим разработка новых подходов, повышающих метрологические характеристики известных методов, является важной задачей.

Реализация даже отработанных методов зачастую сталкивается с существенными трудностями, связанными с конструктивными особенностями установки и реализуемыми в потоке диапазонами регистрируемых параметров. Это требует адаптации известных методик к особенностям конкретных установок и разработки новых методов.

Расширение линейки методов позволяет регистрировать одновременно несколько параметров и проводить регистрацию одного параметра разными способами. Это увеличивает достоверность измеряемых значений и служит достаточно надежным подтверждением адекватности методов.

Аэрофизический эксперимент связан с большими затратами, немалую долю в которых составляет стоимость измерительного оборудования и его обслуживание. Снижение стоимости эксперимента за счет удешевления используемых методик и повышения качества и количества получаемой за единицу времени информации является важной задачей.

Перечисленные факторы относятся практически ко всем методам измерений. Оптические методы обладают присущими только им достоинствами, что служит дополнительным стимулом их развития. Они позволяют для многих методов проводить бесконтактные измерения и получать информацию в большом поле исследуемого течения. Предоставляют возможность в некоторых случаях получать мгновенную, по сравнению с характерным временем исследуемого процесса, информацию с высоким (до 1 мкм) пространственным разрешением.

В некоторых случаях позволяют получать информацию недоступную при использовании других методов.

Перечисленные факторы подтверждают актуальность проведения исследований по развитию оптических методов диагностики газовых потоков.

Цель и основные задачи работы Целью работы являлось развитие оптических методов исследования газовых потоков, теоретическое и экспериментальное обоснование работоспособности новых методов и их реализация на аэрофизических установках, модификация известных методов в плане улучшения их метрологических характеристик и повышения возможности применения в аэрофизическом эксперименте.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

1. Развитие теневых и интерференционных методов для исследования потоков с малыми градиентами плотности.

2. Расширение возможностей использования двухлучевой интерферометрии на крупномасштабных установках.

3. Реализация метода лазерного ножа на сверхзвуковых трубах, работающих на чистом осушенном воздухе.

4. Развитие панорамных методов регистрации полей скорости.

5. Теоретическое обоснование и отработка оптического метода регистрации поверхностного трения для различных режимов обтекания.

6. Развитие метода регистрации температуры обтекаемых поверхностей с использованием жидкокристаллических покрытий.

7. Разработка оптических методов регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях.

Научная новизна 1. Предложен и апробирован теневой метод визуализации потоков с использованием адаптивных визуализирующих транспарантов (АВТ) на основе фототропных материалов, обладающий более высокой чувствительностью по сравнению с традиционным подходом.

2. В целях увеличения чувствительности интерференционных методов развит способ обработки интерферограмм, основанный на вычитании интерференционных изображений, разнесенных во времени.

2. Дано теоретическое обоснование и впервые в мире для диагностики газовых потоков реализован метод двухлучевой интерферометрии с формированием опорного пучка от отдельного источника света.

3. Впервые реализован метод лазерного ножа на сверхзвуковой аэродинамической трубе, работающей на чистом осушенном воздухе.

4. На базе метода лазерного ножа разработаны схемы панорамных лазерных доплеровских измерителей скорости. Сформулированы основные требования к полевым интерферометрам для реализации подобных схем.

5. Разработан метод измерения поверхностного трения, основанный на регистрации динамики растекания масляной пленки, в том числе на искривленных произвольно ориентированных поверхностях. Получены соотношения, позволяющие по интерферометрическим данным рассчитывать поверхностное трение. Метод позволяет проводить измерения вдоль предельной линии тока на поверхности пленки при наличии градиентов трения, криволинейности предельных линий тока и нелинейности профиля пленки.

6. Развит метод регистрации температуры поверхности с использованием жидкокристаллических покрытий, позволяющий проводить измерения с использованием черно-белых телекамер, в отличие от стандартной методики, требующей использования цветных регистрирующих устройств.

7. Предложен новый подход для панорамных методов регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях с использованием в качестве датчика слоя прозрачного вещества, изменяющего свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра.

Практическая ценность Рассматриваемые в работе новые методы и оригинальные схемы реализации известных методов, а также методики обработки экспериментальных данных находят широкое применение в ИТПМ им. С. А. Христиановича СО РАН, а также в других организациях как в России, так и за рубежом. Данные методы значительно расширяют возможности использования панорамных оптических методов в аэрофизическом эксперименте. В частности.

Теневой метод на базе АВТ упрощает настройку оптической схемы и обладает чувствительностью, как минимум на два порядка превышающей чувствительность стандартных схем, позволяет визуализировать особенности чистых, однородных по составу газовых потоков, характеризующихся изменениями плотности 10-3·атм, и слабые возмущения на фоне более сильных, когда применение стандартных методик неэффективно. Метод применяется в ИТПМ СО РАН и других организациях для исследования течений при различных режимах обтекания.

Алгоритм обработки интерферометрических данных на основе вычитания изображений позволяет регистрировать сдвиг интерференционных полос N 2 / K, где K - количество градаций серости регистрирующего устройства.

Для современных телекамер регистрируемый сдвиг может составлять N < 10-3. Метод применялся для исследования влияния МГД-эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения при обтекании клиньев гиперзвуковым потоком при числе Маха М = 8 и статическом давлении P0 1 Торр.

Метод регистрации интерферограмм с формированием опорной волны от отдельного источника света расширяет возможности применения интерференционных методов в аэрофизическом эксперименте и может быть реализован практически на любой установке, оснащенной теневым прибором.

Метод лазерного ножа реализован на сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-313 ИТПМ СО РАН, работающей на чистом осушенном воздухе, и широко используется в аэрофизическом эксперименте. В частности, данная методика позволила расширить карту течений, формирующихся при обтекании треугольных крыльев, и экспериментально доказать возможность существования комбинированного отражения скачков уплотнения. Опыт, полученный при внедрении метода на Т-313, послужил основой для его реализации и на других, в том числе и дозвуковых, установках института.

Разработанные методы панорамных ЛДИС расширяют экспериментальные возможности регистрации полей скорости, позволяют получать информацию в выбранном сечении за время регистрации одного кадра и важны для увеличения объема полезной информации и уменьшения времени эксперимента.

Оптический метод регистрации поверхностного трения позволяет проводить панорамные измерения при различных режимах обтекания как в ламинарных, так и турбулентных пограничных слоях, в том числе и в случаях, когда применение других методов затруднительно или вообще невозможно. Методика позволяет проводить измерения при наличии градиентов трения, нелинейности профиля масляной пленки и криволинейности предельных линий тока, в том числе и на искривленных произвольно ориентированных поверхностях.

Способ количественной регистрации полей температуры с помощью ЖКпокрытий позволяет регистрировать малые изменения температуры на поверхности модели с использованием черно-белых телекамер. По сравнению со стандартными методиками обладает более высокой чувствительностью и более широким динамическим диапазоном. Обработка экспериментальных данных значительно проще по сравнению со схемами на основе цветной регистрации.

Панорамный метод регистрации тепловых потоков позволяет проводить измерения непосредственно тепловых потоков. При его использовании отпадает необходимость в решении обратной тепловой задачи. Особый интерес представляет при измерениях на высокоэнтальпийных установках импульсного и кратковременного действия.

Интерференционный метод регистрации полей давления расширяет возможности измерения и визуализации данного параметра в широком диапазоне режимов обтекания. Для реализации метода не требуется специализированных источников излучения и наличия кислорода в газе. Регистрируется непосредственно давление. Теоретические и экспериментальные оценки показали, что минимальный уровень визуализируемых давлений может составлять менее 0.1 мм вод. столба, а частотный диапазон регистрируемых пульсаций более 200 КГц.

Практическая ценность представленных результатов подтверждается успешным применением разработанных методов и подходов в работах по многим хоздоговорам и в 15-ти Российских и международных проектах.

Основные положения, выносимые на защиту Результаты работ по увеличению чувствительности теневых и интерференционных методов. Теневой метод с использованием адаптивных визуализирующих транспарантов на основе фототропных материалов.

Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности получения интерферограмм фазовых объектов с формированием предметного и опорного пучков от отдельных источников света. Схемы реализации способа на аэродинамических установках и результаты экспериментов.

Методика визуализации методом лазерного ножа в сверхзвуковых аэродинамических трубах, работающих на чистом осушенном воздухе. Данные по влиянию на параметры потока вводимых светорассеивающих частиц и рекомендации по их концентрации и способу ввода. Оптические схемы интерферометров для панорамных измерений скорости и общие принципы их построения.

Оптический метод измерения поверхностного трения. Развитие метода для случая градиентных пространственных течений, в том числе для измерений на искривленных произвольно ориентированных поверхностях.

Метод регистрации температуры с использованием жидкокристаллических покрытий, основанный на пространственной модуляции пучка зондирующего излучения периодической функцией с фазовой зависимостью от длины волны.

Панорамные интерференционные методы регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях с использованием в качестве датчика слоя прозрачного вещества, изменяющего свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра.

Результаты экспериментов, в том числе полученные при исследовании потоков в аэродинамических трубах, при дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах обтекания, подтверждающие работоспособность и эффективность рассматриваемых методов.

Достоверность результатов подтверждается данными тестовых экспериментов, повторяемостью и согласием результатов оптической диагностики с данными, полученными альтернативными методами и численными расчетами.

Апробация основных результатов. Основные результаты работы представлены в 2 монографиях, 14 публикациях в отечественных и зарубежных журналах, 2 авторских свидетельствах, более 100 публикациях в сборниках статей, материалах и трудах научных конференций. Результаты докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН, СибНИА, ИАиЭ СО РАН, ЦАГИ, а также на: II Всесоюзной конференции по методам аэрофизического эксперимента (Новосибирск, 1979); V Всесоюзном съезде по теоретической и прикладной механике (Алма-Ата, 1981); II, IV Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (Красноярск, 1982; Новосибирск, 1986); 5 школе по методам аэрофизических исследований (Абакан, 1989); 4 Всесоюзной школе-семинаре "Современные проблемы газодинамики и пути повышения эффективности энергетических установок" (Москва, 1983); IX Всесоюзной конференции по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983); The Second IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition. (Novosibirsk, 1984); Всесоюзном семинаре по аэродинамике гиперзвуковых летательных аппаратов (Калининград, Моск. обл., 1990); V - XIII Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1992, 1994, 1996, 1998, 2000, 2002, 2004, 2007, 2008);

Sixth International Symposium on Flow Visualisation, (Jap. Yokohama? 1992); Межгосударственной научно-технической конференции Оптические методы исследования потоков (Москва, 1995); International Seminar on Optical Methods and Data Processing In Heat And Fluid Flow (London, 1996, 1998); 12th International Mach Reflection Symposium (Pilanesberg, South Africa, 1996);. 21th, 22nd, 24th International Symposiums on Shock Waves (Great Keppel, Australia, 1997;

London, 1999; Beijing, China, 2004); International Symposium Actual Problems of Physical Hydroaerodynamics (Novosibirsk, 1999); 9th, 12th International Symposiums on the Flow Visualization (Edinburg, 2000; Goettingen, Germany, 2006); 6th Asian Symposium on Visualization, PUEXCO, Pusan; Международной конференции "Современные проблемы прикладной математики и механики: теория, эксперимент и практика" (Новосибирск, 2001); 4th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Applications (Capua, Italy, 2001), первой Международной школе-семинаре "Модели и методы аэродинамики" (Москва, 2002); West East High Speed Flow Fields Conference (Marseille, France, 2002); VII, IX Международных научно-технических конференциях "Оптические методы исследования потоков" (Москва, 2003, 2007); XX и XXI Международных семинарах по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2004; Новосибирск, 2007); 4-th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering "ECCOMAS 2004" (Jyvaskyla, Finland, 2004); European Conference for Aerospace Sciences (Moscow, 2005); Fifth European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles (Cologne, Germany, 2005); XVth International Conference on MHD Energy Conversion and the VIth Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics for Aerospace Applications (Moscow, 2005); VIII Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 2007); XIII International Symposium Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics. (Tomsk, 2006); 2nd European conference for Aero-space Sciences (Brussels, 2007); 7 Международном совещании по магнитоплазменной аэродинамике (ИВТ РАН, 2007); XIX сессии Российского акустического общества (Нижний Новгород, 2007) и др.

Личный вклад автора заключается в теоретическом обосновании и реализации на аэродинамических установках представленных в работе оптических методов диагностики газовых потоков при различных режимах обтекания, в отработке методик измерений, интерпретации и обобщении экспериментальных данных и разработке основных защищаемых положений.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 326 страниц, в том числе 165 рисунков и 10 таблиц. Список литературы содержит 302 ссылки, в том числе 125 работ автора по теме диссертации.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении наряду с общими положениями дается классификация оптических методов и рассматриваются возможности их использования в аэрофизическом эксперименте. На примере теневых методов приводятся некоторые общие положения, влияющие на результаты оптической диагностики. Рассматривается влияние эффектов рефракции и дифракции, вибраций, особенно характерных для крупных сверхзвуковых установок, а также конструктивных особенностей установок и исследуемых моделей.

Приводятся краткие характеристики используемых в работе аэрофизических установок ИТПМ СО РАН, источников света и фотоприемников (телекамер).

В главе 1 рассматривается новый подход реализации теневых методов, регистрируемой величиной в которых является угол отклонения зондирующего излучения на неоднородности. Минимальное регистрируемое значение для схем с ножом Фуко min d/KF. Здесь d - минимально возможный размер изображения источника света, определяемый дифракционными пределами, K - количество градаций серого фотоприемника. Для прибора ИАБ-451 - min 3·10-6/K. Например, для пограничного слоя толщиной 10 мм, шириной S = 100 мм изменение 10-3·атм по толщине слоя дает 3·10-6. То есть теоретически регистрация таких возмущений возможна. Однако реальная чувствительность теневых приборов на 1 - 2 порядка ниже. Данные методы считаются эффективным при изменении плотности в потоке > 10-3атм. Это обусловлено: неидеальностью оптики; малой яркостью обычных источников света с d ~ 10 мкм; возрастанием шумов при уменьшении d, связанных с дифракцией на кромках визуализирующих диафрагм, и др. В результате регистрация неоднородностей с < 10-3атм сталкивается с большими трудностями. Особенно остро проблема стоит при исследовании дозвуковых, со скоростями несколько метров в секунду, и гиперзвуковых течений.





Ситуацию удалось улучшить, используя в качестве визуализирующего элемента тонкую пластинку из фототропного стекла, изменяющую свой цвет (пропускание) под действием излучения. Фототропные среды отличаются высокой разрешающей способностью и возможностью многократного использования. К подобным материалам относятся и силикатные стекла, содержащие галогениды серебра, которые и использовались в работе. Схема приведена на рис 1. Излучение лазера 1 ( = 0.53 мкм), объективами 2, формируется в плоскопараллельный пучок и, пройдя неоднородность 4, фокусируется объективом 5 в плоскости 6. Объективом 7 изображение неоднородности формиируется в плоскости фотоприемника 8. Отличие от обычной схемы заключается в использовании вместо ножа Фуко тонкой пластинки из фототропного стекла 9 (АВТ). Размеры фокального пятна определяются практически только дифракционными эффектами, и для ИАБ-451 d 10 мкм. В области фокусировки АВТ затемняется, и основная часть излучения поглощается. Общий фон изображения становится темным. Излучение, отклонившееся на неоднородности, проходит через незатемненный участок АВТ, и проявляется на изображении в виде более светлой области.

Увеличение чувствительности обусловлено следующим: прибор работает Рис. 1. Оптическая схема теневого прибора и изображение затемненной области АВТ.

в темнопольном режиме; автоматически обеспечивается совпадение размеров затемненной области и изображения источника света; высокая разрешающая способность АВТ обеспечивает минимально возможный размер визуализирующего (затемненного) пятна. Для тонкого слоя в линейном приближении зависимость поглощения АВТ от интенсивности излучения выражается в виде I a (I )t a d G [1 e ]Gmax, (1) I a d где Gmax – максимальное поглощение. Величина ta = 1 / Ia может трактоваться как время активации, а td = 1 / d - как время дезактивации. Для используемого в работе материала td ~ 102 с, ta < 1 с. На рис. 2 приведены графики, иллюстрирующие изменение интенсивности лазерного излучения, прошедшего через АВТ, с течением времени. Результаты хорошо согласуются с соотношением (1).

Рис. 2. Пропускание АВТ в зависимости от времени после включения излучения.

а - радиальное распределение интенсивности излучения, прошедшего через АВТ;

б - пропускание АВТ T(r) в момент времени t = 3.6 с; в - относительная интенсивность в центре фокального пятна зависимости от времени. На рис (а) время воздействия излучения: 0 c, 0.1 c, 0.4 c, 0.6 c, 1.1 c, 2.6 c, 3.6 c - кривые 1-7 соответственно.

Амплитудное пропускание АВТ в общем случае можно представить в виде = e i = (1 - G)1/2 e i, а пропускание по интенсивности T = ||2 = * = 2.

Комплексную амплитуду зондирующего излучения, проходящего через исследуемую область, можно представить в виде A = A0 = a0 - плоская волна. Интенсивность излучения I0 = A0A0* = a02. В фокальной плоскости приемного объектива, где расположен АВТ, мы имеем Фурье-образ исходной волны (разложение по пространственным частотам). В плоскости регистрации (без учета изменения масштаба и инверсии координат) распределение интенсивности без АВТ будет совпадать с исходным. Изменение пропускания АВТ приводит к тому, что в плоскости регистрации электромагнитная волна будет описываться соотношением AT = a0, а интенсивность IT = TI0.

В присутствии неоднородности прошедшую волну можно представить в виде A = a0e i(x, y), где (x, y) – изменение фазы волны при прохождении неоднородности. Часть излучения приходится на нулевую пространственную частоту A1 = c0a0·e i, где c0 и - константы, зависящие от распределения фазы (x, y). Предположим, что пространственное распределение пропускания АВТ соответствует пропусканию инициированному только волной с нулевой пространственной частотой. При этом интенсивность в плоскости регистрации описывается выражением для интерференции двух волн IT = ATAT* = aT2 + a02 + 2aT a0·cos[* - (x, y)], (2) где aT = c0a0[1 - 2cos()+2]1/2, * = + arctg{sin()/[cos() - 1]}. При (x, y) <

А. Амплитудное пропускание АВТ действительная величина, т. е. = 0.

IT = I0 [2 + 2(x, y)]. (3А) Интенсивность имеет квадратичную зависимость от фазы (x, y). Неоднородности визуализируются в виде более светлых областей. Случай соответствует работе вблизи минимума интерференционной полосы.

Б. Амплитудное пропускания АВТ имеет малую фазовую составляющую, т. е. << 1, = (1 + i). При этом выражение (3) приводится к виду IT = I0 [2 + 2(x, y) + 2(x, y)]. (3Б) При 2 + 2(x, y) < |2(x, y)| изменение интенсивности может иметь положительное и отрицательное значение. При дальнейшем увеличении (x, y) неоднородности визуализируются в виде более светлых областей.

В. = ± / 2, = ± i. Соотношение (3) дает IT = I0[2 + 2(x, y) ± 2(x, y)], и при (x, y) << 1 получим IT = I0[2 ± 2(x, y)]. (3В) Случай совпадает с методом фазового контраста [1] и равносилен работе вблизи средней интенсивности интерференционной полосы. Чувствительность наиболее высокая и зависимость IT от фазы линейная.

Соотношение (1) верно для бесконечно тонкого слоя. Для изменения интенсивности в слое конечной толщины I(z) при t получено соотношение ln[I(z)a / d] - d /[I(z)a] = -gmaxz + ln[I(0)a / d] - d /[I(0)a]. (4) При I(z)a / d >> 1, уравнение (4) переходит в обычное выражение для ослабления волны с удельным коэффициентом поглощения g = gmax:

I(z) = I(0)exp(-gmaxz).

Соотношение (4) получено для плоских волн. В реальном случае в области фокусировки формируется перетяжка лазерного излучения с характерным поперечным и продольным размерами. При этом F / D / 2, 2/2= 2(F / D)2.

При |z| >> интенсивность меняется по зависимости для сферической волны I(z) ~ 1 / z2. Поскольку АВТ затемняется во всем объеме занимаемым излучением, при d > увеличивается эффективный поперечный размер затемненного области, что уменьшает чувствительность. Оптимальный режим реализуется при d , когда можно использовать соотношение для плоской волны (4).

В нашем случае gmax 0.5 мм-1, 0.1 мм и при d , Gmax 5·10-2. Этого недостаточно для эффективной визуализации. Поэтому использовались АВТ толщиной 1-3 мм, обеспечивающие поглощение Gmax 80%. Снижение мощности излучения приводит к уменьшению области поглощения и эффективного радиуса визуализирующего пятна, но при этом уменьшается коэффициент поглощения, что ведет к уменьшению чувствительности. При возрастании мощности чувствительность сначала растет с увеличением поглощения, достигает максимума, а затем уменьшаться с ростом эффективного поперечного размера поглощающей области. Эксперименты подтвердили данные выводы. Наибольшая чувствительность обеспечивалась при мощностях излучения 2-3 мВт.

Были проведены эксперименты по определению фазовой составляющей коэффициента пропускания наблюдением колец Ньютона. Влияния затемнения на выявить не удалось. Однако в области фокусировки наблюдался сдвиг интерференционных полос N 0.1, исчезающий при выключении излучения за время существенно меньшее времени релаксации, т. е. фазовые изменения связаны с тепловой меткой, диссипирующей после выключения излучения.

Полученные результаты позволяют сформулировать рекомендации по созданию АВТ. Оптимальными являются слои с толщиной d . Необходимо обеспечить максимально возможный интегральный коэффициент поглощения G 80 %. Оптимальным значением фазовой составляющей коэффициента пропускания является ± / 2. Эксперименты показали, что при размере визуализирующего пятна около 10 мкм использование обычных телекамер с K 1позволяет регистрировать углы отклонения min 5·10-8. Это равносильно увеличению чувствительности по сравнению со стандартной схемой на 2 порядка.

Метод в настоящее время широко применяется для диагностики потоков при различных режимах обтекания. На рис. 3 дан пример визуализации обтекания поперечного цилиндра диаметром 80 мм, длиной 1 м на установке Т-3ИТПМ СО РАН. Время экспозиции 2 мкс. Отчетливо визуализируется ламинарный отрыв потока. Присутствие более темных по сравнению с фоном областей говорит о наличии комплексной составляющей в пропускании АВТ. При скороа б в Рис. 3. Обтекание цилиндра D = 80 мм, L = 1 м. а - V 0.5 м/c; б - V = 1.5 м/c; в - V = 10 м/с. Наблюдается образование дорожки Кармана сти потока V = 10 м / с наблюдается образование дорожки Кармана. На рис. показан результат визуализации обтекании прямого крыла при угле атаки = 19. Размах крыла Z = 945 мм, длина хорды b = 195 мм, толщина c = 18 мм, V = 10 м/с. На изображении наблюдается полный ламинарный отрыв потока в виде светлой пелены с формированием возвратного течения над всей поверхностью модели. Интересным является присутствие на изображении черной линии (отмечена белой стрелкой), похожей на изображение скачка уплотнения, что указывает на наличие относительно больших градиентов плотности ортогональных ее направлению. Аналогичные структуры наблюдались и при других режимах. Приведенные изображения получены в чистом потоке, без внесения каких-либо тепловых или газовых меток, и на время их полуРис. 4. Обтекание крыла.

чения являлись уникальными.

Соотношение (2) не учитывает влияние ненулевых пространственных частот на пропускание АВТ. Однако их вклад иногда дает дополнительное преимущество и позволяет визуализировать слабые возмущения на фоне сильных, что для стандартных схем сталкивается с трудностями. Подстройкой прибора можно добиться визуализации слабых неоднородностей в любой области изображения. При этом в областях с существенно отличающимися градиентами будет наблюдаться минимальная или максимальная яркость, так как на этих участках отклонение излучения превышает динамический диапазон прибора. При использовании АВТ интенсивность пространственных частот, индуцированных протяженными высокоградиентными областями, становится достаточной для его затемнения в области их фокусировки. Яркость изображения, соответствующая этим областям, уменьшается, а слабые неоднородности проявляются в виде более светлых участков.

На рис. 5 приведен пример визуализации обтекания торца цилиндра, расположенного вдоль потока (поток Рис. 5. Обтекание цилиндра. а - визуализаслева, М = 6, установка Т-313), иллю- ция с ножом Фуко; б -АВТ-методом.

стрирующий данную ситуацию. При использовании схемы с вертикальным ножом Фуко за головным скачком визуализируется протяженная затемненная область, внутри которой какую-либо информацию о структуре потока получить невозможно. При использовании АВТ полностью затемненной осталась только незначительная область. Чувствительность остается очень высокой, и на фоне сильных градиентов визуализируются относительно слабые возмущения.

Теневые методы применялись и при исследовании оптического пульсирующего разряда (ОПР). Исследовался механизм объединения ударных волн (МОВ), представляющий интерес для генерации низкочастотного звука. Требовалась проверка критериев, необходимых для реализации МОВ [2]. Особенности создаваемых ОПР возмущений удалось на пределе чувствительности визуализировать прямотеневым методом с сильной расфокусировкой изображения.

АВТ-метод к этому времени еще не был разработан. Тем не менее были подтверждены критерии реализации МОВ. Кроме того, был обнаружен аномальный эффект выноса газа из зоны неподвижного ОПР. Эффект интересен тем, что стабильность ОПР зависит от баланса поглощения излучения и отвода тепла. Для повышения эффективности необходимо заменять газ в зоне ОПР, что ограничивает его применение. Недостаток, вероятно, можно устранить, используя обнаруженный эффект. Для его изучения были проведены эксперименты с использованием АВТ-метода. Динамику формирования возмущений иллюстрирует рис. 6. При t < 0.5 мс наблюдаются интенсивные ударные волны. Направленное распространение возмущений проявляется при t ~ 50 мс. После включения ОПР возмущения формировались на длине около 8 см за время менее 0.083 с. В каждом пуске время съемки составляло приблизительно 10 с.

Метод применялся и при исследовании МОВ на поверхности плоской мишени, инициированного двумя импульсами излучения электроионизационных СО2-лазеров длительностью 0,5 мкс с энергией 200 Дж. Возмущения при этом были достаточно сильны. Однако обеспечение техники безопасности требовало отсутствия сотрудников в зоне эксперимента при работе установки. Их перемещение после настройки оборудования приводило к смещению оптических элементов и выходу прибора из рабочего диапазона. Использование АВТ, обладающего адаптивными свойствами, позволило решить данную проблему.

2-я глава посвящена развитию интерференционных методов в плане увеличения чувствительности и расширения возможности их использования на крупных аэрофизических установках. Одной из основных характеристик интерференционных методов является точность определения сдвига интерференционных полос Nmin. Для стандартной обработки Nmin 1/20. Для неоднородностей S 100 мм при = 0.63 мкм это соответствует изменению плотности 10-3атм. Nmin = min/2 может быть найдено из соотношения |K(min)2cos() / 4 + Kmin sin() / 2 | 1. (5) Точность зависит от того, на каком участке интерференционной полосы проводятся измерения. Как правило, ее положение определяется по максимуму или Рис. 6. Использование АВТ-метода для визуализация ОПР в смеси 70%Ar + 30%He, в сравнении с прямотеневой визуализацией в аргоне (справа внизу). 1 - направление излучения, 2 - искра, 3 - ударная волна, 4 - вынос газа из ОПР. Излучение справа, фокус на пересечении белых линий. Горизонтальный размер кадров в нижнем ряду 10 см.

минимуму. При этом sin() = 0 и Nmin 1/(K1/2). Максимальная чувствительность достигается на участках средней яркости интерферограммы (|cos()| = 0):

Nmin (K)-1. (6) Соотношение (6) получено для "идеальной" интерферограммы и не может использоваться при обработке рабочих интерферограмм (рис. 7). Но в некоторых случаях можно приблизиться к Nmin, определяемому (6).

Пусть фиксируются две интерферограммы в моменты времени t и t + t:

I1 = I0[1 + cos(kxx + kyy) ], I2 = I0[1 + cos(kxx + kyy + )].

определяется исследуемым процессом. После вычитания изображений, с добавлением для знакопостоянного результата I0max, при << 1 получим I* = I2 - I1 + I0max I0[max + ·sin(kxx + kyy)]. (7) Результирующее изображение модулировано полосами с амплитудой I0. Если для их распознавания минимально необходимый перепад интенсивности составляет Kmin, то для регистрируемого Nmin получим Nmin = / 2 Kmin / 2K. (8) Для K 2000, Kmin = 4 теоретическая чувствительность Nmin 1/3000. Приведенный на рис. 7, в результат вычитания интерферограммы самой из себя со сдвигом одного из операндов, хорошо согласуются с (8) при Kmin = 1. В левом верхнем квадранте изображения, где K 50 (см. график на рис. 7, б), при сдвиге операндов на N = 1/500, модулирующие полосы полностью исчезают. Однако они еще просматриваются на участках, где K 100.

а б в Рис. 7. Интерферограмма (а); интенсивность (б) (в градациях серого) вдоль белой линии на интерферограмме; результат вычитания интерферограммы самой из себя со сдвигом одного из операндов по горизонтали на N = 1 / 500 (в).

Метод использовался при исследовании влияния МГД эффекта на положение скачка при обтекании плоских клиньев. Эксперименты проводились на стенде, на базе ударной трубы со сверхзвуковым соплом. Длительность режима 1-5 мс. Установка оснащена магнитной системой, позволяющей создавать поля до 2.5 Тл, и электронной пушкой для ионизации потока (рис. 8). Возможна ионизация путем высоковольтного разряда между электродами. Модель клина с углом раствора 30о обтекалась потоком воздуха при расчетном значении М = 8.

Параметры потока определялись расчетом по измерениям скорости ударной волны в ударной трубе и давления в форкамере и варьировались в диапазоне Р0 0.7-3 Торр и Т0 2000-2200 м/с. Экспериментально получить информацию о параметрах потока в области МГД взаимодействия было практически невозможно. Это связано с импульсным режимом работы установки (1-5 мс) и малым временем ионизации около 60 мкс. Случайные вариации параметров вели к неповторяемости процесса. Подтверждение наличия эффекта могла обеспечить только оптическая диагностика с регистрацией в одном пуске минимум двух кадров, зарегистрированных до включения ионизирующего разряда и во время его. Попытки визуализации с ножом Фуко и с интерферометром Майкельсона, из-за низкого качества изображений и наличия кадров с отсутствием информации, не позволили получить однозначные результаты. В итоге была разработана предлагаемая методика. При этом необходимо было обеспечить отсутствие сдвига базовых полос за время эксперимента. Использовался сдвиговый интерферометр, устойчивый к смещениям оптических элементов. Интерферограммы (рис. 7, а) характеризуются малыми смещениями полос и отсутствием их четкого излома на скачке. Однако разработанная методика позволила зафиксировать изменение положения скачка и оценить его величину.

На итоговых изображениях изменение положения скачка должно проявляться в виде клиновидных структур с углом расхождения, равным изменению угла наклона скачка . Это и Рис. 8. Схема эксперимента.

наблюдалось в эксперименте (рис. 9, а). На а б Рис. 9. Результат визуализации влияния МГД-эффекта на положение скачка (а);

зависимость угла отклонения скачка от числа Стюарта (б).

рис. 9, б представлены результаты численного эксперимента 1, в сравнении с аналитическими результатами 2 [3] и экспериментальными данными 3. Данные соотносились с числом Стюарта S = (IB)/(kbV2), где I - ток в цепи МГДэлектродов, В - магнитная индукция, b - размер электрода в направлении, перпендикулярном потоку вдоль магнитного поля, коэффициент k учитывает отклонение эффективного сечения области разряда от площади электродов. Видно, что экспериментальные точки лежат ниже расчетных результатов. Вероятно, это следствие того, что в расчетах рассматривается стационарное течение с однородной областью ионизации. В эксперименте же это нестационарный и неоднородный процесс.

Интерферометрические данные показали, что на скачке 8.9·10-3атм., а плотность набегающего потока н 3.35·10-3атм. Ожидаемые параметры составляли: М = 8, T0 = 1600 K, P0 = 13 атм, н 3.4·10-3атм. Расчетные значения плотности хорошо согласуются с измеренным значениями. Результаты, полученные с использованием интерферометрии, послужили основанием для проведения более тщательных исследований МГД-эффекта. На установке был реализован АВТ-метод, оказавшийся очень эффективным применительно к данной задаче. В настоящее время исследования ведутся в основном с использованием АВТ-метода. Однако интерференционный метод по-прежнему востребован. Он позволяет оценить плотность набегающего потока и подтвердить соответствие ожидаемых параметров потока их реальным значениям.

В этой же главе рассматривается метод регистрации интерферограмм с формированием опорного пучка от независимого источника света. Особенностью классических интерферометров типа Маха - Цандера является использование одного источника для формирования предметной и опорной волн, что затрудняет их применение на крупных установках. Применение отдельного источника для формирования опорной волны упрощает ситуацию. Было показано, что в этом случае, при временах экспозиции T и временах когерентности лазеров , среднеквадратичный контраст интерферограмм составляет V *(T) F(T) /T. (9) где F(T) = 2T + 22(e-T/ - 1). Для проверки (9) был проведен численный эксперимент. Полученные значения V*(T) совпали с (9), с точностью до ~10-3.

На рис. 10 приведена схема регистрации. Излучение лазера 1 объективами 2, 3 формируется в плоскопараллельный пучок.

После прохождения неоднородности 4 и объектива 5, излучение подается на регистрирующее устройство, включающее в себя светоделительный кубик 6, лазер 7 с объективом 8 и телекамеру 9. Интерферограммы сохраняются на компьютере 10. Время экспозиции T = 1.125 мкс.

Уравнение (9) получено при равенстве частот обоих лазеров. При 2 полосы движутся с фазовой скоростью = 2 -, что ведет к снижению контра1 ста. Поэтому необходимо соблюдение условия T < (10 )-1. Для совмещения частот одно из зеркал лазера 7 устанавливалось на пьезокерамической шайбе 11, на которую подавалось пилообразное напряжение с генератора 12. Во втором канале устанавливался фотоприемник 13 с ограничением регистрируемых частот на уровне 105 Гц. При < 105 Гц с датчика поступал сигнал, который служил синхроимпульсом запуска телекамеры.

Метод применялся для исследования обтекания клина сверхзвуковым потоком, а также слоя смешения в аэродинамической трубе Т-325М ИТПМ (рис. 11). Сечение рабочей части трубы 40 40 мм. Интерферограммы позволили визуализировать структуру потока, и получить количественную информацию о распределении плотности. Метод использовался также для регистрации возмущений в горизонтальном слое атмосферы толщиной 80 м, что принципиально недоступно с использованием интерферометров типа Маха - Цандера.

Рис. 11. Интерферограмма слоя смешения и рассчитанные изменения плотности в N.

В верхней части потока М = 2.95, в нижней М = 0,5. Поток слева.

3 глава посвящена реализации метода лазерного ножа на сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-313. Визуализация структуры потока этим методом обусловлена рассеянием лазерного излучения на частицах, присутствующих в потоке. Интенсивность излучения от какой-либо области выделенного сечения пропорциональна зависящей от параметров потока концентрации частиц. В диссертации даны схемы формирования лазерного ножа и регистрации изображений. Приводятся результаты исследований по выбору вещества для создания светорассеивающих частиц. Показано, что наиболее приемлемым вариантом является вода, вводимая в тракт трубы перед форкамерой. Для надежной визуализации достаточно около 1.5 г воды на килограмм сухого воздуха, что всего в 2-3 раза превышает количество остаточной влаги в осушенном воздухе и не приводит к значительному изменению параметров потока. Даны также результаты сопоставления картин визуализации с результатами пневмометрических измерений. Показано их хорошее совпадение.

В настоящее время метод лазерного ножа является штатным на Т-313. С его использованием проведены многочисленные эксперименты, позволившие получить новые научные данные. В частности, метод позволил уточнить карту режимов обтекания тонких треугольных крыльев (рис. 12). Его использование позволило провести исследования конфигурации ударных волн при обтекании клиньев конечной ширины и построить сценарий перехода от регулярного отражения к маховскому и обратно с учетом трехмерных эффектов. Был зафиксирован гистерезис перехода. Подтверждена возможность существования комбинированного режима отражения скачков, предсказанного расчетами, проведенными в ИТПМ под руководством д. ф.- м. н. М. С. Иванова. Опыт, полученный при реализации метода на Т-313, послужил основой для его использования и на других сверх- и дозвуковых установках института. В работе приводятся некоторые результаты, полученные с его использованием.

В этой же главе диссертации представлены результаты по развитию метода лазерного ножа для регистрации полей скорости. Оптическая схема включает фокусирующую часть, обеспечивающую освещение выбранного сечения и приемной части, основным компонентом которой служит полевой интерферометр с локализацией интерференционных полос в плоскости изображения исследуемого объекта. В работе приводятся принципы построения подобных интерферометров и оптические схемы их реализации. На рис. 13 представлен пример использования одной из подобных схем. На рис. 13, а показана типичная интерферограмма, полученная при регистрации скорости вращающегося диска диаметром 100 мм (тестовые эксперименты). На рис. 13, б, в приведены интерферограмма, полученная при регистрации скорости частиц алюминия диаметром 10 мк в сверхзвуковой струе, и посчитанные по ней профили скорости. Разность хода лучей в интерферометре 200 см. В качестве источника света использовался аргоновый лазер с = 0.51 мк. Для измеряемой проекции скорости сдвиг полос на один порядок соответствовал 76.5 м/с. Полученные данные доказывают работоспособность и перспективность метода.

4-я глава. Наряду с характеристиками непосредственно газового потока при решении научно-технических задач не менее важной является информация о газодинамических параметрах на обтекаемых поверхностях. К ним относятся распределение поверхностного трения, тепловых потоков и полей давления, методам измерения которых посвящены 4-я и 5-я главы диссертации. При этом используется общий подход, основанный на оптической (интерференционной) регистрации изменения оптического пути в слое прозрачного вещества, изменяющего свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра. В 4-й главе рассматривается метод измерения поверхностного трения, основанный на регистрации процесса растекания масляной пленки под действием сил трения.

Существует достаточно большое количество методов регистрации поверхностного трения, принципы которых изложены в многочисленных работах обзорного характера. Большинство из них (метод Престона, Клаузера, измерения с а б Рис. 12. Визуализация обтекания крыла (а) и карта режимов обтекания треугольных крыльев (б). Границы, обозначенные пунктирными маркерами, построены на основании результатов, полученных с использованием метода лазерного ножа.

а б в Рис. 13. Результаты регистрации полей скорости.

помощью поверхностных термопарных датчиков и др.) не являются прямыми, так как основаны на использовании закона подобия в распределении скоростей вблизи стенки. Поэтому проведение измерений с их помощью в пограничных слоях с заранее неизвестными свойствами становится проблематичным. Прямые измерения с помощью плавающего элемента, строго говоря, не являются точечными, так как регистрация приложенной к элементу силы производится на поверхности конечных размеров. Применение перечисленных методов ограничено также необходимостью установки измерительных элементов на поверхности модели или внесением существенных возмущений в поток. Все это диктует необходимость разработки новых методов измерения поверхностного трения, одним из которых является оптический метод, рассмотренный в 4-й главе.

Основы метода заложены в работе [4]. Дальнейшее развитие метод получил в работе [5], в которой использовался специальный интерферометр, позволяющий регистрировать изменение толщины масляной пленки, нанесенной на обтекаемую поверхность, в двух разнесенных точках. Приведены соотношения, позволяющие определять поверхностное трение по динамике изменения толщины пленки в данных точках. Однако подобный подход обладает рядом недостатков: громоздкость конечных формул; необходимость постоянной регистрации во времени сигналов с фотоприемников и, как следствие, ужесточение требований к допустимым уровням вибраций; возможность одновременного измерения трения только в одной точке, что связано со сложностью оптической схемы; влияние на результаты запыленности потока. Измерения возможны только на пленках с линейным профилем, с постоянным вдоль ее поверхности значением поверхностного трения и параллельными линями тока.

Автором предложена и впервые реализована методика, исключающая эти недостатки. При этом регистрируются изображения пленки в зеркально отраженном свете, модулированные интерференционными полосами равной толщины. Изменение интерференционной картины позволяет судить о процессе растекания. Получено общее соотношение для изменения профиля пленки в зависимости от распределения поверхностного трения вдоль ее поверхности:

( ) = {2 /[ s( )L2( )} d[ s( )L( )d ]/ dt. (10) Здесь - координата вдоль предельной линии тока, отсчитываемая от передней границы пленки, - местное напряжение поверхностного трения; L - толщина пленки, и - плотность и кинематическая вязкость масла соответственно, l s( ) = s(0)exp[ (d / ds)d ] - ширина струйки тока, d / ds - изменение угла наклона линии тока по координате, ортогональной ее направлению.

Соотношение (10) позволяет получать напряжение поверхностного трения в общем случае, в том числе при его непостоянстве, и знакопеременности вдоль поверхности, для пленок с нелинейным профилем и непараллельными предельными линиями тока. Измерения сводятся к регистрации минимум двух кадров через известный промежуток времени. Исключается необходимость постоянного контроля профиля пленки, что снимает проблему вибраций и случайных смещений изображений. Регистрация изображений всей пленки снимает проблемы, связанные с прилипанием к ее поверхности случайных пылинок, присутствующих в потоке. В изначальной методике данный эффект приводит к срыву измерений. В настоящее время метод активно используется, как в России, так и за рубежом и в иностранной литературе обычно обозначается как GISF (Global Interferometer Skin Friction meter).

Рассмотренная методика ограничивает применение метода плоскими или слабо искривленными поверхностями с ориентацией, обеспечивающей возможность регистрации отраженного излучения. Во многих случаях эти условия не выполняются, что ограничивает возможности измерений на криволинейных произвольно ориентированных поверхностях. В диссертации рассматривается подход, основанный на использовании диффузного освещения, снимающий эти ограничения. Диффузную световую волну, отраженную от поверхности модели, можно представить набором плоских волн, распространяющихся под различными углами. Для каждой отдельной волны формируется своя интерференционная картина. Результирующее изображение является суммой интерферограмм от отдельных плоских волн с волновыми векторами, лежащими внутри некоторого телесного угла 2, определяемого параметрами оптической схемы.

Для тонких пленок и малых изменений эти картины практически совпадают, что позволяет наблюдать полосы равной толщины. В работе даны соотношения для ожидаемого контраста интерферограмм в зависимости от параметров оптической схемы и толщины пленки. Это позволяет правильно выбрать конфигурацию используемой оптической схемы.

В диссертации приводятся многочисленные примеры использования метода при различных режимах обтекания. Сравнение результатов с данными альтернативных измерений дает отличие не более 10%, что является хорошей величиной для подобных измерений. На рис. 14 приведены результаты регистрации поверхностного трения на плоской пластине со ступенькой. Случай интересен в методическом плане наличием отрывной зоны с большим градиентом трения в ее окрестности, а также зоны возвратного течения. В данных областях Рис. 14. Распределение коэффициента поверхностного трения на пластине со ступенькой.

– результаты оптических измерений. Численный расчет: —— – уравнение Навье – Стокса, - - - – метод Сполдинга – Чи.

другими методами измерить трение было невозможно. Эксперименты проводились на установке Т-325 ИТПМ при М = 3, Re = 75000, P0 = 375 кПа, T0 = 283 К. Анализ результатов в сравнении с данными расчетов на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье - Стокса и по методу Сполдинга - Чи, показывает их хорошее соответствие. Однако, расчетная длина области отрыва заметно меньше, определенной экспериментально. Наблюдается отличие расчетных и экспериментальных данных в зоне значительных отрицательных градиентов. Это может быть связано с недостаточной точностью расчетов и/или физическими факторами, не учтенными в расчетной модели, такими как наличие сильных нестационарных эффектов.

На рис. 15 даны результаты измерений с диффузным освещением на деревянной модели крылового профиля (хорда c = 257 мм, относительная толщина 0.07, V = 25 м/с). Коэффициент трения вдоль безразмерной координаты x* = x/c на подветренной стороне крыла представлен в сравнении со значениями Cf, измеренными методом Престона. Результаты хорошо совпадают при угле атаки = 0° (различие менее 3%), но существенно отличаются при = 5°. Это обусловлено тем, что при данных значительны продольные градиенты давления, и в пограничном слое осредненные по параметрам на стенке профили скорости имеют логарифмический участок. Однако он довольно мал и не может быть достаточно точно идентифицирован, что ведет к увеличению погреш- Рис. 15. Распределение коэффициента поверхностного трения на крыловом профиле.

ности. Кроме того, используемые в методе Престона трубки вносят возмущения в пограничный слой, особенно на участках, где он тонок. Результаты показывают, что, в отличие от оптического, метод Престона не пригоден для регистрации в течениях с градиентом давления.

Многочисленные примеры применения метода, приведенные в диссертации, и хорошее совпадение результатов с численными расчетами и с данными измерений другими методами доказывают его эффективность как при дозвуковых, так и сверхзвуковых режимах обтекания.

В 5-й главе рассматриваются оптические методы регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях. Дан обзор методов регистрации тепловых потоков, в том числе и оптических, имеющих ряд преимуществ по сравнению с локальными измерениями с использованием термопар, термосопротивлений или иных датчиков. Наряду с достоинствами, традиционные оптические методы обладают рядом недостатков. Покрытия на основе термокрасителей и индикаторов плавления, меняющие окраску при переходе определенного уровня температуры, визуализируют только одну или несколько изотерм. Ограничением в использовании ЖК-покрытий является узкий температурный рабочий диапазон. При работе с тепловизорами необходима информация о коэффициенте серости поверхности. Возможно влияние отраженного излучения от более нагретых участков модели и конструктивных узлов установки, что особенно проявляется при проведении экспериментов на высокоэнтальпийных установках. Все перечисленные методы регистрируют температуру поверхности. Для определения непосредственно теплового потока необходимо решение соответствующей тепловой задачи. В связи с перечисленными фактами модификация известных методов для улучшения их метрологических характеристик и разработка новых методик является важной задачей.

В диссертации рассматривается предложенный и реализованный автором метод регистрации полей температуры с использованием жидкокристаллических покрытий с применением черно-белых телекамер. Ограничением стандартных схем является сложность определения в спектре отраженного излучения положения максимума селективного отражения, однозначно зависящего от температуры поверхности. При измерениях используется цветная регистрация с последующей достаточно сложной компьютерной обработкой.

Суть предложенного метода заключается в освещении исследуемой поверхности пучком белого света, пространственно модулированного прямолинейными регулярными полосами. Изображение полос на исследуемой поверхности с помощью спектрального элемента разлагается в спектр по координате, ортогональной направлению полос. В результате, для разных длин волн зондирующего излучения положение полос на поверхности будет различным. При неоднородности температуры изображение, зарегистрированное в отраженном свете, будет иметь разный цвет и положение полос для участков с разными температурами, что выражается в сдвиге этих полос. При использовании чернобелых регистрирующих устройств различие цвета полос может вообще не проявляться на итоговом изображении или быть очень слабо выраженным. Однако сдвиг полос, однозначно определяемый температурой, четко фиксируется. В работе приводятся оптические схемы и основные соотношения для сдвига полос в зависимости от температуры и параметров используемой схемы.

Метод применялся для регистрации полей температур в аэродинамической трубе Т-324. Скорость невозмущенного потока составляла 20 м/с, что соответствовало Re1 = 2 106. На рис. 16, а приведены результаты калибровки покрытия, а на рис. 16, б - типичное изображение, полученное при регистрации полей температур с помощью рассматриваемого метода на пластине с цилиндром. Измерения выполнялись на модели плоской пластины длиной 1200 мм и шириной 400 мм, с турбулизатором вблизи передней кромки, обеспечивающим полностью развитый турбулентный пограничный слой в области измерений.

а б Рис. 16. Калибровочные изображения для различных температур и построенная по ним зависимость сдвига полос от температуры (а) и изображение, полученное при регистрации поля температуры в окрестности цилиндра и построенные по нему изотермы 0-7 (б) соответствующие T C: 24,00; 23,90; 23,80; 23,62; 23,55; 23,30; 22,83; 22,55 соответственно.

Одним из недостатков известных методов является регистрация не тепловых потоков, а температуры поверхности. Автором предложен метод, позволяющий регистрировать непосредственно тепловой поток. Суть метода заключается в интерференционной регистрации изменения оптического пути под действием теплового потока в слое прозрачного твердого вещества. На рис. 17, а приведена схема, применявшаяся при тестировании метода. Струя газа 1 из сопла 2 распространяется вдоль поверхности датчика 3 из стекла ЛКтолщиной 10 мм, сечением 80 80 мм. Тепловой поток регулируется мощностью подогревателя 4 от источника тока 5. Управление расходом производилось реа б Рис. 17. Схема регистрации оптическим методом (а) и с помощью ДТП (б).

дуктором 6. Излучение лазера 7 линзой 8 формировалось в плоскопараллельный пучок. Интерферограммы в отраженном свете регистрировались ПЗС камерой 9 и сохранялись на компьютере 10.

В результате теплового потока Q происходит изменение температуры по толщине слоя, что приводит к изменению разницы фаз [Q(x, y)] интерферирующих волн. По сдвигу полос на интерферограммах, зарегистрированных через известный промежуток времени, можно определить значение Q. Зависимость [Q(x, y)] находилась при следующих допущениях.

1. Изменения показателя преломления n не приводят к изменению направления распространения излучения.

2. Направление излучения ортогонально поверхности слоя.

3. Учитывались только температурный коэффициент изменения показателя преломления = n /T и температурный коэффициент линейного расширения = L / LT. Влияние упругости и пьезооптических эффектов не учитывалось.

4. Распространение тепла вдоль поверхности не учитывалось.

5. Все тепло, вошедшее в датчик, не выходит из его объема.

Показано, что с учетом принятых допущений Q(x, y) = kN(x, y) / t, (11) где k = Cp/2( + n) – постоянный для вещества коэффициент, Cp – теплоемкость. В таблице приведены оптические свойства и коэффициенты k, рассчитанные по справочным данным для ЛК5 и измеренные экспериментально для органического стекла (ОС) и стекла фирмы Balzers, также использовавшихся в экспериментах. В соотношении (11) температура не присутствует, что исключает необходимость решения тепловой задачи. Измерение сводится к регистрации минимум двух интерферограмм через заданный промежуток времени t с последующим определением сдвига интерференционных полос N(x, y).

Характеристики использовавшихся в работе материалов Вещество nC C·106, K-1 ·107, K-1 ·г/см3 Сp, Дж/г·K k, Дж/N·смСтекло ЛК5 1,476 6,2 33,9 2,270 0,674 4,4Орг. стекло (ОС) 1,492 350 1,18 1,48 0,4Стекло Balzers – – – – – 5,1Для проверки метода проводились измерения теплового потока от струи оптическим методом и с помощью паспортизованного термопарного датчика (ДТП) 1, установленного на плоской пластине 2, из алюминиевого сплава, выполняющей роль термостата (рис. 17, б). Для создания плоской рабочей поверхности и экранирования подложки от тепловых потоков устанавливалось покрытие из оргстекла 3. Показания регистрировались вольтметром 5. Размеры ДТП 10 10 мм, толщина 2 мм, чувствительностью 288 Дж/мВ.м2. Различие результатов измерений оптическим методом и ДТП, не превышало 5%.

В работе обсуждаются возможные ошибки измерений, связанные с перетеканием тепла вдоль поверхности, с эффектами упругости и фотоупругости и с конечностью толщины датчика. Приводятся экспериментальные данные по определению пространственного разрешения метода, которое для ОС при измерениях в течение t 2 с, составляло примерно 1 мм.

Метод использовался на гиперзвуковой азотной трубе Т-327 для исследования обтекания дельта-крыла с углом стреловидности =70o и затупленными передними кромками при М = 21, T0 = 1700 К, P0 = 84 бар. Время установления режима около 0,2 10-3 с. Длина модели 100 мм. На плоскую поверхность наклеивался датчик, из стекла фирмы BALZERS толщиной 1,5 мм. Измерения проводились для углов атаки = 0, 5 и 10. На рис. 18 приведены интерферограммы и профили тепловых потоков по размаху крыла для сечений 10, 20, 30 и 40 мм от носика модели, усредненные по трем сериям экспериментов. Наблюдается хорошее совпадение результатов для разных серий. Метод использовался также при исследованиях взаимодействия косого скачка уплотнения с турбулентным слоем при М = 3 в сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-325М.

Так как метод регистрирует непосредственно количество тепла, вошедшего в датчик, он может использоваться не только при исследовании газовых поРис. 18. Интерферограммы (а) и рассчитанные распределения тепловых потоков по размаху крыла (б).: 1 – 4 соответствуют X = 10 мм; 2 – X = 20 мм; 3 – X = 30 мм; 4 – X = 40 мм. Показан доверительный диапазон по точности определения сдвига полос Nmin 0,05.

токов. В частности, метод применялся для визуализации излучения лазера на свободных электронах в субмиллиметровом диапазоне длин волн. Для данного диапазона в настоящее время не существует полевых фотоприемников.

Не менее важным параметром является распределение давления. В диссертации предложен метод, основанный на применении упругих веществ в качестве материала датчика для регистрации полей давления. Оптическая схема аналогична используемой для регистрации тепловых потоков. При этом изменение оптического пути S(p) в зависимости от давления сводится к нахождению компонент вектора деформаций. Рассматривалась задача по нахождению деформаций упругого слоя толщиной H, которая решалась при следующих допущениях и граничных условиях.

1. Поверхностные нагрузки задаются в виде:

P(x, y) P0 cos(kx), F(x, y) F0sin(kx), где P - изменение нормального давления, F - поверхностное трение. При этом задача сводится к двумерной, с зависимостью всех величин только от x и z.

2. Деформации считаются малыми.

3. Объемные силы (гравитация) не учитываются.

4. Деформации на поверхности модели равны нулю (условие прилипания).

5. Граничные условия на свободной поверхности деформированного слоя сносятся на границу недеформированного слоя, т. е. на z = 0.

Решалось уравнение равновесия [2]:

(1 - 2)u + grad (div u) = 0, (12) где u = (ux, uz) - вектор деформаций, а силы входят через граничные условия.

Найдено аналитическое решение уравнения (12) для изменения оптического пути в слое толщиной H для нагрузки, задаваемой условием 1:

S(x) = S*cos(kx); (13) S*(k, x) = 2n0(c1 + c3) + 2a[(ekH - 1)(c1 + d1 + c2/k) - (e-kH - 1)(d3 - c3 + c4/k)], (14) где a = (n02 + 2)(n02 - 1)/6n0, n0 - коэффициент преломления невозмущенного слоя. Коэффициенты ci и di зависят только от H, k, модуля Юнга E и коэффициента Пуассона используемого вещества. Выражение (14) для S* задает чувствительность слоя к нагрузке с пространственной частотой k. Проведена оценка влияния трения на изменение S и показано, что для пограничного слоя SF/SP < 10-3, и трением можно пренебречь. При этом S(x) = P(x)·K(k, H), где K(k, H) = S*(k, H)/P0.

Для анализа решения удобнее использовать относительное изменение оптического пути, зависящее от безразмерной пространственной частоты kH:

s(kH) = S*(k, H)/S0 = S*(k, H)/2n0H = (P0/2n0H) K(k, H). (15) На рис. 19 приведены графики s(kH)/E для разных значений .

Показано, что s(kH) с точностью до постоянного множителя совпадает с передаточной функцией K(k, H) и зависит только от пространственной частоты и параметров материала. В результате, для гармонической нагрузки может быть решена обратная задача P(x) = S(x)/K(k, H).

Используя преобразование Фурье, для нагрузки P(x, y) имеем S(x, y) = -{[P(x, y)](, )·KH(, )}(x, y), (16) где , - - операторы прямого и обратного преобразования Фурье, при этом k = (2 + 2)-1/2. Используя (16), для передаточной функции KH(, ) имеем:

KH(, ) = [S(x, y)](, )/[P(x, y)](, ). (17) Т. е. слой вещества может быть прокалиброван, и для известной передаточной функции по интерферограммам можно найти распределение давления:

P(x, y) = -1{[S(x, y)](, )/KH(, )}(x, y).

Передаточная функция может быть найдена по соотношению (15). Возможно ее определение и с помощью калибровок (17). Для этого достаточно знать ее значение в двух точках, в качестве которых удобно брать KH(0) и в максимуме при kH 2. Отклик слоя на одностороннее сжатие в барокамере позволяет определить значение KH(0). Для нахождения максимума определялся отклик вблизи Рис. 19. Отклик слоя на гармоническую наkH 2 на известную нагрузку. В качестве грузку при Е = 1. Аналитическое решение.

последней использовалась ламинарная цилиндрическая струя, ортогонально падающая на плоскую поверхность. Отношение длины L трубки, из которой выдувается струя, к ее диаметру составляло L/d > 50, что обеспечивало на выходе паа б раболический профиль. Вводятся безразмерные параметры h* = h/d - расстояние от оси выходного сечения трубки до стенки и x* = x/d - координата вдоль поверхности от максимума давления. Зависимость давления на поверхнов сти от расстояния до оси r* = r/d находилось с помощью дренажных измерений, а Рис. 20. Визуализация давления при также по известным эмпирическим форпостепенном увеличении скорости струи: а – численное моделирование; мулам [6] б, в – экспериментальные данные.

p(r*)/p(0) = exp(-c2r*2), (11) где c = 1.48h*-0.1 при h* 6.2 и c = 5.4h*-0.75 при h* > 6.2. Для найденной передаточной функции численно смоделированы визуализации поля давления (рис. 20, а). Соответствующие им экспериментальные данные представлены на рис. 20, б. При повышении скорости струи возникают поперечные колебания, что приводит к появлению неустойчивости (рис. 20, в).

На рис. 21 приведены результаты регистрации давления от струи, набегающей под углом на плоскую поверхность. Использовался датчик H = 4 мм.

Показаны типичные интерферограммы, зарегистрированные в процессе эксперимента (поток слева) и изображения с вычитанием базового кадра - визуализация в муаровых полосах. Современное оборудование позволяет проводить вычитание и получать наглядную информацию о структуре течения в реальном режиме времени. В зоне контакта струи с поверхностью наблюдается максимум давления, далее по потоку - область возмущений. При увеличении давления растут поперечные размеры струи, возрастает давление в точке а б контакта и амплитуда возмущений.

Эти возмущения, называемые псевдозвуковыми волнами, генерируются пульсирующей точкой контакта, и связанное с ними колебание давлев г ний знакопеременно. При дальнейшем увеличении давления струя полностью переходит в нестационарный режим. До настоящего времени не существовало методов, позволяющих в темпе эксперимента визуализировать изменение давления p ~ 1 мм. вод. ст. Разработанный метод предоставляет такую возможность.

е Рассматриваемые датчики моРис. 21. Интерферограмма без струи (а) и со гут быть чувствительны одновреструей (б); визуализация давления в муароменно и к изменению давления, и к вых полосах от струи набегающей на поверхтепловым потокам. На рис. 22 предность (в, д). = 250, h* = 2 (в, г) и = 450, ставлен пример визуализации теплоh* = 5.2 (д); е - S и P вдоль оси струи (в).

вого потока от струи воздуха, зарегистрированного подобным датчиком. Спустя некоторое время после включения, струя была резко остановлена, что позволило зафиксировать сдвиги полос, связанные лишь с нагревом датчика. Четко регистрируется нулевая полоса, соответствующая Q = 0. Это говорит о наличии отрыва в данной области. Таким образом, становится возможной регистрация на одном датчике двух параметров: давления и тепловых потоков. В диссертации даны рекомендации по использованию одного покрытия для одновременной регистрации этих параметров.

Иногда, как и при измерении трения, регистрация тепловых потоков и давления в зеркально отраженном свете сопряжена с рядом трудностей. Использование диффузного излучения позволяет обойти эти проблемы. При этом регистрируемые изоРис. 22. Визуализация тепловых потоков.

бражения модулированы спеклструктурой. В работе рассматриваются подходы, позволяющие реализовать данные методы с использованием спекл-технологий. На рис. 23 представлены результаты визуализации давления от дозвуковой струи. Одна поверхность датчика была матовой, другая отражающей. Давление в максимуме составляло около 5 см вод. ст. На рис. 23, а датчик изготовлен из вещества с большим временем отклика, а на рис. 23, б с малым. Использовался импульсный лазер с длительностью импульса 7 нс.

а б Рис. 23. Поле давления от струи, распространяющейся вдоль поверхности.

Давление в максимуме P 5 см. вод. ст.

Для подтверждения возможности применения метода при исследованиях быстропротекающих процессов проведена визуализация ударной волны в ударной трубе. Перепад давления p = 1.6 атм, скорость фронта 450 м/с. На окно ударной трубы был нанесен датчик с диффузной поверхностью. Использовалось покрытие с K(0) = 15 см. вод. ст. Результаты показаны на рис. 24. Фронт волны четко локализуется. Здесь же представлены результаты обтекания цилиндра, установленного поперек канала. Отчетливо наблюдается изгиб фронта ударной волны. Пространственное разрешение схемы не позволило определить величину скачка давления. По оценкам, сдвиг полос на скачке составляет N 100. При тех же параметрах проводилась визуализация теневым методом.

С точностью до повторяемости параметров процесса положение волны, регистрируемое обоими методами, совпадает.

В заключении представлены основные результаты работы.

В результате проделанной работы разработаны новые методы и подходы, расширяющие возможности использования панорамных оптических методов в аэрофизическом эксперименте и позволяющие получать экспериментальные данные, недоступные при использовании других методов.

1. Разработан теневой АВТ-метод с визуализирующим элементом в виде слоя фототропного вещества, позволивший впервые визуализировать дозвуковые потоки с характерными скоростями V < 1 м/с. Метод эффективен при неконтролируемом смещении оптических элементов и дает возможность визуализировать слабые возмущения на фоне сильных градиентов плотности. При исследовании оптического разряда позволил подтвердить критерии объединения ударных волн и исследовать эффект выноса газа из зоны неподвижного ОПР.

2. Разработан метод обработки интерферограмм, позволяющий регистрировать сдвиг интерференционных полос N ~ 1 / K (K - количество градаций серого фотоприемника), что недостижимо для стандартных методов обработки.

Метод позволил зафиксировать влияние МГД-эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения при обтекании плоских клиньев гиперзвуковым потоком (М = 8). Результаты оптических измерений отклонения скачка хорошо согласуются с результатами численных расчетов.

3. Предложен способ регистрации интерферограмм с формированием опорной волны от отдельного источника света. Впервые в мире зарегистрированы интерферограммы потоков с формированием опорной и предметной волн от отдельных источников света. Способ может быть использован на любой установке, оснащенной теневым прибором, и позволяет исследовать неоднородности с размерами вдоль распространения излучения до нескольких десятков метров, что невозможно с применением стандартных схем.

4. Внедрен метод лазерного ножа на сверхзвуковой аэродинамической трубе с закрытой рабочей частью Т-313, работающей на чистом осушенном воздухе. Применение метода позволило расширить карту течений формирующихся при обтекании треугольных крыльев и экспериментально доказать возможность существования комбинированного отражения скачков уплотнения. Опыт использования метода на Т-313 послужил основой для его реализации и на других, в том числе и дозвуковых, установках.

5. Предложен и экспериментально обоснован способ панорамных лазерных доплеровских измерений скорости. Сформулированы основные принципы компоновки двухлучевых интерферометров, использующихся для этой цели и позволяющих получать интерферограммы диффузных объектов в прямолинейных эквидистантных полосах. Приведены оптические схемы их реализации.

6. Развит оптический метод измерения поверхностного трения. Получены соотношения, Рис. 24. Визуализация давлепозволяющие по интерферометрическим дан- ния на стенке ударной трубы.

ным восстанавливать значение поверхностного трения. Метод пригоден как при дозвуковых, так и сверхзвуковых режимах обтекания, в том числе и в случаях, когда другие методы не позволяют получать адекватную информацию о данном параметре.

7. Развит метод регистрации температуры поверхности с использованием ЖК-покрытий, позволяющий проводить измерения с применением черно-белых телекамер. По сравнению со стандартными методиками метод обладает более высокой чувствительностью и более широким динамическим диапазоном.

8. Отработана методика регистрации тепловых потоков. В приближении одномерности и линейности тепловой задачи получены общие соотношения, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать поверхностное распределение теплового потока.

9. Отработана методика регистрации полей давления. В приближении линейности задачи упругости получены общие соотношения для отклика барочувствительного покрытия, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать распределение давление на исследуемой поверхности.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. В 10-ти т. Т. VII. Теория упругости: Уч. пособие. М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1987. 248 с.

2. Тищенко В. Н., Аполлонов В. В., Грачев Г. Н., Гулидов А. И, Запрягаев В. И., Меньшиков Я. Г., Смирнов А. Л., Соболев А. В. Взаимодействие оптического пульсирующего разряда с газом: условия стабильной генерации и объединения ударных волн // Квантовая электроника. 2004. Т. 34, № 10. С. 941-947.

3. Malmuth N. D., Krivtsov V. M., Soloviev V. R. Quick, gridless estimations of MHD effects on hypersonic inlet ramp shocks. AIAA 2004-0862. 2004.

4. Tanner L. H., Blows L. G. A Study of the Motion of Oil Films on Surfaces in Air Flow, with Application to the Measurement of Skin Friction // J. of Physics E:

Scientific Instruments. March 1976. Vol. 9. З. 194-25. Монсон Д. Дж., Хигучи Х. Измерение поверхностного трения с помощью двухлучевого лазерного интерферометра // Ракетная техника и космонавтика.

1981. Т.19, N8.

6.

7. Юдаев Б. Н., Михайлов М. С., Савин В. К. Теплообмен при взаимодействии струй с преградами. М.: Машиностроение, 1977. 248 с.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Бойко В. М., Оришич А. М., Павлов А. А., Пикалов В. В. Теоретические основы и методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте.

Учебн. пособие. Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т. 2008. 412 с.

2. Максимов А. И., Павлов А. А.. Развитие метода лазерного ножа для визуализации потока в сверхзвуковых аэродинамических трубах // Уч. записки ЦАГИ, 1986. Т. 17, № 5. С. 5-3. Nikiforov S. B., Pavlov A. A., Fomichov V. P. The Use of Field Interferometers for Panoramic LDA // 9th (millenium) International Symposium on the Flow Visualization: Proc. Edinburg, 2000. З. 226.1-226.4. Корнилов В. И., Павлов А. А., Шпак С. И. К методике измерения поверхностного трения оптическим методом в сверхзвуковом потоке // Сибирский физико-технический журнал. 1991, вып. 6. С. 47-5. Жаркова Г. М., Коврижина В. Н., Корнилов В. И., Павлов А. А. Метод регистрации полей температур с помощью жидкокристаллических покрытий // Теплофизика и аэромеханика. 1996. Т. 3, № 4. С. 369-26. Kornilov V. I., Nikiforov S. B., Pavlov A. A. A Modification of GISF Meter Utilizing Diffuse Light Scattering // 9th (millenium) International Symposium on the Flow Visualization: Proc. Edinburg, 2000. P. 174.1-174.7. Голубев М. П., Павлов А. А., Павлов Ал. А., Шиплюк А. Н. Оптический метод регистрации тепловых потоков // Прикладная механика и техническая физика. 2003. Т. 44, № 4. С. 174-18. Фомин В. М., Фомичев В. П., Головнев И. Ф., Малмус Н. Д., Павлов А. А., Поздняков Г. А., Правдин С. С., Яковлев В. Н. Особенности МГД воздействия на сверхзвуковой потоквоздуха ионизированного электронным пучком при обтекании клина // Int. Conference on the Methods of Aerophysical Research: Proc. Vol. 5.

Novosibirsk, 2004. Novosibirsk, P. 93-9. Запрягаев В. И., Локотко А. В., Павлов А. А. Газодинамическая структура начального участка плоской перерасширенной затопленной струи // Теплофизика и аэромеханика. 2005. Т. 12, № 1. С. 61-10. Pavlov A. A., Pavlov Al. A., Golubev M. P. Interferogram registration with a reference beam forming from a separate light source // 12th International Symposium on Flow Visualization (ISFV-12): Proc. Goettingen, 2006. CD Rom Proceedings ISBN 0-9533991-8-4, ISFV-12-3.3. Paper 154:1-12 p.

11. Павлов А. А., Павлов Ал. А., Голубев М. П. Использование фототропных материалов в качестве адаптивных визуализирующих транспарантов в теневых приборах // Труды IX международной научно-технической конференции Оптические методы исследования потоков. М.: изд. МЭИ, 2007. С. 170-112. Грачев Г. Н., Пономаренко А. Г., Тищенко В. Н., Смирнов А. Л., Трашкеев С. И., Стаценко П. А., Зимин М. И., Мякушина А. А., Запрягаев В. И., Гулидов А. И., Бойко В. М., Павлов А. А., Соболев А. В. Объединение ударных волн, создаваемых движущимся оптическим пульсирующим разрядом // Квантовая электроника. 2006. Т. 36, №5. С. 470-4






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.