Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теневой метод исследования прозрачных неоднородностей. состояние вопроса 11
1.1. Развитие теневого метода 11
1.2. Цветной теневой метод 25
Глава 2. Расчетно-теоретическое исследование цветного теневого метода 31
2.1. Анализ работы цветного теневого метода 31
2.2. Цветной теневой метод с квадратной формой задающей и визуализирующей диафрагм 41
2.2.1. Светлопольный вариант с квадратной формой диафрагм (вариант 1) 43
2.2.2. Темнопольный вариант с квадратной формой диафрагм (вариант 2) 44
2.3. Цветной теневой метод с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм 47
2.3.1. Светлопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 3) 47
2.3.2. Темнопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 4) 59
2.4. Сравнение вариантов цветного теневого метода 65
2.5. Восстановление формы оптического волнового фронта 70
2.6. Калибровка изображения, формируемого цветным теневым прибором 76
2.6.1. Теневой прибор ИАБ-451 и его модернизация для реализации двухкоординатного цветного теневого метода 77
2.6.2. Калибровка цветного теневого изображения 80
Глава 3. Методика модельных экспериментов изучения теплообмена на склоновых землях 90
3.1. Методика использования цветного теневого метода при исследовании структуры тонких тепловых пограничных слоев 90
3.2. Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных тене-грамм теплового пограничного слоя 96
3.2.1. Алгоритм калибровки цветных тенеграмм 96
3.2.2. Алгоритм расшифровки цветных тенеграмм 102
3.3. Методика модельного эксперимента 103
3.3.1. Моделирование интенсивности охлаждения нагретого склона воздухом, стекающим по склону 103
3.3.2. Моделирование интенсивности нагрева потока воздуха, всплывающего вверх по склону 104
Глава 4. Результаты моделирования тепловой гравитационной конвекции 105
4.1. Выхолаживание склона стекающим потоком 105
4.2. Всплывание нагревающегося потока вверх по склону 107
4.3. Сопоставление эмпирических зависимостей, полученных при обобщении данных модельных экспериментов, с результатами расчетов по известным теоретическим формулам 111
Выводы 116
Литература 118
- Цветной теневой метод с квадратной формой задающей и визуализирующей диафрагм
- Цветной теневой метод с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм
- Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных тене-грамм теплового пограничного слоя
- Сопоставление эмпирических зависимостей, полученных при обобщении данных модельных экспериментов, с результатами расчетов по известным теоретическим формулам
Введение к работе
Оптико-физические методы и приборы широко используются в экспериментальной практике для визуализации и количественного изучения различных прозрачных сред (газовых и жидкостных потоков, оптических материалов и поверхностей и т.п.).
Применение этих средств, например, в аэродинамике способствует более быстрому, качественному и экономичному решению важных экспериментальной задач - определению оптимальных вариантов компоновок различных типов летательных аппаратов, накоплению информации, необходимой для разработки теоретических вопросов и методов расчета объектов и их отдельных элементов, изучению различных физических явлений, не поддающихся математическому анализу. Во многих случаях методы визуализации используются в сочетании с другими видами измерений (весовыми, анемометрическими, термоанемометри-ческими и др.), выгодно дополняя их.
Известно большое количество методов визуализации газовых потоков, применяемых для решения разнообразных задач в различных по принципу действия, параметрам и устройству экспериментальных установках. Основной положительной и специфической для всех этих методов особенностью является способность получать наглядное качественное представление об изучаемых процессах, т.е. способность видеть изучаемое явление.
Формирование температурного и влажностного режимов сельскохозяйственных полей на склоновых землях в суточных циклах обусловлено интенсивностью движения приземных слоев атмосферного воздуха - стеканием в ночные часы и наползанием (подъемом) по поверхности склона в дневное время. В натурных условиях природных агроэкологических ландшафтных систем исследование этих процессов представляет чрезвычайно большие практические и методические трудности. Единственно доступным методом экспериментального определения расчетных зависимостей остается применение лабораторного моделирования с использованием принципов и правил подобия. При этом следует
5 иметь ввиду, что процессы переноса на поверхностях теплообмена в модельных опытах происходят в тонких тепловых пограничных слоях, внесение в которые даже малогабаритных измерительных датчиков приведет к искажению температур, определяющих интенсивность процессов выхолаживания моделей склонов.
Оптические методы исследования прозрачных неоднородностей дают возможность исследовать тонкую структуру потоков без введения в них геометрически объемных датчиков различных измерительных систем (например, скорости, температуры, влажности, турбулентности и др.), искажающих поток, особенно его пограничные слои, и, как следствие, существенно снижающих не только точность, но и достоверность измерений параметров исследуемого потока.
В современных аэродинамических установках из методов визуализации чаще других используются при проведении экспериментальных исследований и являются наиболее отработанными теневые методы и интерференционные методы. Они позволяют получать наглядное представление и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где по каким-либо причинам меняется показатель преломления света п.
Интерференционные методы все же являются в большей степени методами количественного исследования распределения по объекту показателя преломления, чем методами визуализации. Они обеспечивают максимально высокую точность измерений. Однако интерференционные методы (при необходимости обеспечить высокую точность) обладают сравнительно узким диапазоном измерений разности хода лучей на исследуемых неоднородностях: от сотых долей X до нескольких десятых X (в специальных случаях - до десятка X), где X - длина волны используемого при контроле излучения (при использовании наиболее распространенного He-Ne лазера- X =633 нм).
Теневые методы используются в первую очередь для визуализации прозрачных неоднородностей, при этом они обладают рядом важных достоинств и в качестве методов количественных исследований. Чувствительность теневых
методов почти не уступает чувствительности интерференционных методов и, при этом, теневые методы позволяют исследовать весьма большие фазовые неоднородности, недоступные интерференционным методам. В частности, большинство аэродинамических и тепловых экспериментов имеют дело с фазовыми неоднородностями порядка 4(Н60 и более Я. Поэтому теневые методы широко используются в современной практике исследований прозрачных сред.
Разрешающая способность теневых методов очень велика: они позволяют получить качественные и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где показатель преломления п по каким-либо причинам меняется фактически в каждой точке. Такие данные могут быть получены практически при любых скоростях газового потока -от очень медленных до гиперзвуковых. И во всех случаях результаты получаются без ввода в изучаемую область каких-либо датчиков, т. е. теневые методы позволяют производить бесконтактные, безынерционные измерения параметров потока одновременно в любом необходимом количестве точек без побочного возмущения исследуемого объекта. Поэтому теневые методы имеют чрезвычайно широкую область возможных приложений.
В последнее время наблюдается тенденция к расширению объема исследований, проводимых с помощью теневых методов. При этом в процессе исследований возникает необходимость получения и обработки значительных объемов измерительной информации, расширения номенклатуры исследуемых характеристик, повышения точности и расширения диапазонов измерений. С точки зрения расширения номенклатуры исследуемых характеристик одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метод.
Однако цветной теневой метод до сих пор, как правило, используется как качественный метод исследования прозрачных неоднородностей. Таким образом, имеется актуальная задача развития цветного теневого метода в направлении расширения возможностей его использования в качестве количественного метода исследования прозрачных неоднородностей.
7 Данная диссертационная работа посвящена исследованию и совершенствованию цветного теневого метода, проработке параметров специализированных узлов для модернизации оптической системы теневого прибора (например, прибора ИАБ-451), созданию методик изучения тепловых пограничных слоев на моделях склоновых земель агроландшафтов.
Целью работы является:
Теоретическое и экспериментальное исследование двухкоординатного цветного теневого метода, расширение его возможностей при использовании его как количественного метода при исследовании прозрачных неоднородно-стей.
Создание специальных оптических узлов для реализации разработанных модификаций цветного теневого метода (для прибора ИАБ-451).
Разработка методик получения и последующей цифровой обработки цветных теневых изображений процессов теплообмена в системе почвенный покров - приземный слой атмосферы на моделях склоновых земель.
Применение разработанного теневого метода в экспериментах при изучении теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов.
Задачи исследования.
В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:
Аналитический обзор существующих теневых методов визуализации прозрачных неоднородностей, в первую очередь,цветных теневых методов.
Разработка модификаций цветного теневого метода, позволяющих определять две проекции на координатные оси вектора отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
Теоретический анализ характеристик и сравнительная оценка вариантов цветного теневого метода с квадратной и круглой формой диафрагм в свет-
8 лопольном и темнопольном вариантах при использовании цветных RGB(R-
красный, G- зеленый, В— синий) фотоприемных устройств;
Разработка алгоритмов обработки RGB -видеоинформации при анализе цветных теневых картин.
Разработка методики калибровки изображений, формируемых цветным теневым прибором.
Модернизация теневого прибора ИАБ-451 для реализации разработанных модификаций двухкоординатного цветного теневого метода в светлополь-ном и темнопольном вариантах.
Апробация разработанных модификаций цветного теневого метода путем проведения на модернизированном теневом приборе ИАБ-451 экспериментальных исследований процессов теплообмена на моделях склоновых земель.
Проведение модельных экспериментов, обобщение результатов и построение расчетных зависимостей интенсивности теплообмена на поверхности склоновых земель.
Внедрение в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатного цветного теневого метода на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.
Методы и средства исследований.
Теоретические исследования основаны на применении положений и соотношений геометрической и физической оптики, теорий оптических приборов, оптических измерений, статистической обработки результатов измерений.
В экспериментальных исследованиях, использованы современные цифровые средства и методы получения и обработки цветных теневых изображений. Эксперименты выполнены на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.
Модельный лабораторный эксперимент и обобщение опытных данных выполнены на основании правил теории подобия и критериального представления полученных результатов.
9 Научная новизна работы.
Теоретически исследованы характеристики нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм.
Разработаны алгоритмы обработки RGB -сигналов, полученных цветным теневым методом в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм, для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоординат-ный цветной теневой метод.
Получены экспериментальные расчетные формулы для вычисления интенсивности теплообмена в суточных циклах на склоновых землях.
На защиту выносятся.
Результаты теоретических исследований характеристик нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм и алгоритмы учета этой нелинейности.
Алгоритмы обработки RGB -сигналов в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.
Методика и алгоритм процедуры калибровки теневых приборов, реализующих двухкоординатный цветной теневой метод.
Результаты обобщения экспериментальных модельных исследований процессов выхолаживания полей на склоновых землях с использованием двух-координатного цветного теневого метода.
Модернизация теневого прибора ИАБ-451, реализующая разработанный цветной теневой метод.
10 Практическая ценность работы.
Разработаны рекомендации по оптимизации цветных теневых методов, позволяющие улучшить характеристики изображения прозрачных неоднород-ностей при их визуализации.
Разработаны алгоритмы обработки видеоинформации, обеспечивающие возможность использования цветных теневых методов для количественных измерений параметров прозрачных неоднородностей.
Разработаны и изготовлены оптические узлы для модернизации прибора ИАБ-451, обеспечивающие возможность реализации двухкоординатного цветного теневого метода в светлопольном и темнопольном вариантах.
Внедрен в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатный цветной теневой метод на модернизированном приборе ИАБ-451.
Цветной теневой метод с квадратной формой задающей и визуализирующей диафрагм
Плоскость визуализирующей диафрагмы имеет вид, показанный на рисунке 2. Изображение задающей диафрагмы представляет собой равномерно освещенный белым светом квадрат с размером стороны 2с (на рис. 2 его контур показан штриховой линией). Визуализирующая диафрагма представляет собой четыре одинаковых прямоугольных окна длиной L на непрозрачном фоне. Окна расположены по сторонам квадрата со стороной 2а (условно - правое, верхнее, левое и нижнее). В правом окне установлен светофильтр с номером 1 (красный). В нижнем окне установлен светофильтр с номером 3 (синий). В верхнем окне установлен составной светофильтр: одну треть по длине занимает светофильтр с номером 1, а оставшиеся две трети по длине занимает светофильтр с номером 2 (зеленый). В левом окне установлен также составной светофильтр: две трети по длине занимает светофильтр с номером 2, а оставшуюся одну треть по длине занимает светофильтр с номером 3. Таким образом, суммарная протяженность каждого из трех светофильтров (красного, зеленого 4_ и синего) одна и та же и равна — L. В невозмущенном состоянии исследуемого объекта все локальные изображения задающей диафрагмы в плоскости визуализирующей диафрагмы совмещены друг с другом и образуют единое изображение, вид которого в первоначальном положении соответствует симметричному расположению. Поскольку в невозмущенном состоянии объекта площади засвеченных зон в каждом окне одинаковы (см. рис. 2), то в точке Р соединяются лучи, прошедшие через три светофильтра (красный, синий и зеленый) в равных пропорциях, и, соответственно, изображение объекта (во всех его точках) имеет белый цвет и равномерную освещенность.
При возмущении исследуемого объекта появляются локальные оптические клинья, которые, соответственно, приводят к локальным смещениям изображения задающей диафрагмы в плоскости визуализирующей диафрагмы на величину g(P ) в некотором направлении. При этом баланс цветов нарушается, и изображение возмущенного объекта приобретает окраску и изменяет освещенность. Если считать, что лучи, проходящие через некую точку Р возмущенного объекта, отклоняются от первоначального направления на некоторый малый угол (й(Р), то локальное изображение задающей диафрагмы в плоскости визуализирующей диафрагмы, будет смещено от первоначального положения на величину Рассмотрим теперь темнопольный вариант 2 построения теневого прибора, когда размеры изображения задающей диафрагмы 2с равны расстоянию между кромками ножа 2а (рис. 2), а не превышают его как в светлопольном варианте.
Тогда в невозмущенном состоянии исследуемого объекта его изображение будет темным, а при возмущении объекта в его изображении будет появляться свет, причем тем большей интенсивности, чем больше величина вектора g смещения изображения источника в плоскости визуализирующей диафрагмы. Для определения векторов смещения лучей g, вернее их проекций на оси координат gx и gy, по полученным значениям Sx, S2, S3 разобьем координатное пространство вектора g на пять зон (I, II. 1, П.2, III, IV), как показано на рисунке 3. При вычислении проекций вектора поперечных смещений gx и gy по величинам Sx, S2, S2, полученным в результате измерений сигналов фотоприёмников, сначала упорядочим величины 57по убыванию. Затем отбросим минимальный член, поскольку шумы, возникающие при регистрации сигналов, на него влияют наиболее сильно и, кроме того, минимальный член может вообще не нести информации о проекциях gx и g . Итак, для вычислений используем средний и максимальный по величине члены. Рассмотрим отдельно каждую зону. Зона I. Условие принадлежности вектора g этой зоне имеет вид
Цветной теневой метод с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм
Рассмотрим теперь круглую форму задающей и визуализирующей диафрагмы. На рисунке 4 показано взаимное положение изображения задающей диафрагмы и визуализирующей диафрагмы круглой формы, соответствующее светлопольному варианту (варианту 3) для случая невозмущенного объекта. Изображение задающей диафрагмы представляет собой равномерно освещенный белым светом круглый диск радиуса гс (на рис. 5 его контур показан штриховой линией). Визуализирующая диафрагма представляет собой круглый непрозрачный диск радиуса га на прозрачном фоне. Наружный контур окна имеет круглую форму радиуса гъ. Радиусы ra, гь и гс выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия: Прозрачное кольцевое окно с внутренним радиусом га и наружным радиусом гь разбито на три равных сектора, в которых установлены соответствующие светофильтры основных цветов (/ = R,G,B) ИЛИ (у = 1,2,3). Площади зон пересечения задающей диафрагмы с соответствующими светофильтрами в плоскости визуализирующей диафрагмы обозначим, как и в предыдущих вариантах, через Sj (j = 1,2,3) В невозмущенном состоянии При возмущении исследуемого объекта площади . изменяются, но при этом выполняется условие (13). На рисунке 5 изображена плоскость визуализирующей диафрагмы свет-лопольного варианта цветного теневого прибора с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм для случая возмущенного объекта (для большей наглядности относительные размеры диафрагм на рис. 5 несколько изменены по сравнению с рис. 4). Непрозрачная зона визуализирующей диафрагмы имеет вид круга радиуса га с центром в точке 0}. Вокруг этой непрозрачной зоны расположены три светофильтра- (R,j = l), (G,j = 2) и (B,j = 3); границы между светофильтрами 7Г обозначены - 0]ZX, OxZ2, Ох2ъ. Граница OxZx составляет с осью Охх угол — (радиан), граница OxZ2 составляет с осью Охх угол к, граница (3,Z3 составляет с осью Охх угол —. Изображение задающей диафрагмы в плоскости визуализирующей диафрагмы показано в виде круга радиуса rc, центр которого расположен в точке 02.
Для удобства рассмотрения на рис. 5 показана система координат Охху. Точка Ог смещена относительно точки Ох на вектор g, длина (модуль) которого равен g, а угол, который вектор g составляет с осью Охх, равен а. Пересечение изображения задающей диафрагмы в плоскости визуализирующей диафрагмы со светофильтром (R,j = l) представлено в виде фигуры, заключенной между отрезком RXAX, дугой АХВХ, отрезком BXR3 и дугой R3RX. Площадь этой фигуры равна Sx. Пересечение изображения задающей диафрагмы со светофильтром (G,j = 2) представлено в виде фигуры, заключенной между отрезком RXAX, дугой АХСХ, отрезком CXR2 и дугой R2RX. Площадь этой фигуры равна S2. Пересечение изображения задающей диафрагмы со светофильтром (B,j = 3) представлено в виде фигуры, заключенной между отрезком R2CX, дугой С,Вх, отрезком BXR3 и дугой R3R2. Площадь этой фигуры равна S3. Рассмотрим, как в зависимости от значений угла а меняется соотношение площадей Sx, S2 и S3. Из рис. 5 видно, что: Для определенности сначала рассмотрим диапазон углов а в пределах от 0 до —. Для этого диапазона SX S2 S3. При других значениях а, расположив значения Sx, S2 и S3 в порядке убывания, сначала можно найти, в каком диапа- 51 зоне находится угол а, и затем перенести результаты рассмотрения в диапазоне 0 а — к по аналогии в этот найденный диапазон. 3 Итак, будем считать, что 0 а —и. Найдем площади Sx, S2 и S3. Для этого сделаем следующее построение.
Проведем через точку 02 лучи, параллельные лучам OxZx, OxZ2, OxZ3 и обозначим точки пересечения этих лучей с контуром изображения задающей диафрагмы точками А2, В2 и С2. Опустим из точек 02 и А2 перпендикуляры на линию OxZx и обозначим основания этих перпендикуляров точками К и D. Опустим из точек 02 и В2 перпендикуляры на линию OxZ3 и обозначим основания этих перпендикуляров точками L и Е. Опустим из точек 02 и С2 перпендикуляры на линию OxZ2 и обозначим основания этих перпендикуляров точками М и F. Из рисунка 5 можно видеть, что: где через S обозначены площади фигур, границы которых проходят через указанные в скобках точки. Например, S(OlAlBx) обозначает площадь сектора с центром в точке Ох, ограниченного дугой {АхАгВ2Вх). Очевидно, что
Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных тене-грамм теплового пограничного слоя
Для расшифровки цветных тенеграмм теплового пограничного слоя на нагретых наклонных пластинах, имитирующих поля на склоновых землях, разработана методика, в основу которой положены теоретические соображения, изложенные выше в главе 2. Одним из важных этапов разработанной методики является определение двух координат вектора отклонения лучей. 3.2.1. Алгоритм калибровки цветных тенеграмм При калибровке кривизна волнового фронта имитируется расфокусировкой визуализирующей диафрагмы относительно изображения задающей диафрагмы, а наклон волнового фронта — смещением визуализирующей диафрагмы относительно изображения задающей диафрагмы (см. раздел 2.6.2.). На рис. 15 приведена калибровочная тенеграмма при расфокусировке (величина расфокусировки от исходного положения (темное поле) равна 20 мм). На рис. 16, 17 приведены калибровочные тенеграммы при смещении (величина поперечного смещения от исходного положения равна 1 и 2 мм). Эти тенеграммы используются для калибровки и составления тест-таблицы (для примера в табл. 3 приведен небольшой фрагмент калибровочной тест-таблицы). Блок-схема алгоритма калибровки азимутальных углов а по цветным схема алгоритма калибровки азимутальных углов а по цветным тенеграммам (см. рис. 15-17) приведена на рис. 18. Отдельные процедуры требуют некоторых пояснений. Известна связь между показателем преломления п в некоторой точке исследуемого поля неод- нородностей и плотностью воздуха р (при температуре Т и давлении Р).
Из уравнения Дальтона состояния для газов и выражения: где индекс "О" относится к параметрам однородного по п и р объему воздуха, а индекс "/" - для некоторой точки исследуемого поля неоднородностей, получена формула для расчета показателя преломления в функции от параметров газа вида: Дифференцируя последнюю формулу по у, имеем выражение для определения градиента температуры по координате у в пределах пограничного слоя: где Tw— температура поверхности пластины (поверхности склона); Т0 и Р0—температура и давление воздуха за пределами пограничного слоя; Т - температура воздуха в пределах пограничного слоя. р Отношение — в исследуемой задаче практически равно единице. 00 дп Таким образом, измеренные в экспериментах на модели —, Tw и Т0 по- зволяют вычислить значения —, имея в виду, что для воздуха при 20С и дав- дулении 760мм рт.ст. — = 0.927-10 6 С" [87]. Аналогично вычисляются и ве- дТ дТ личины —. дх На рис. 19 приведена аппроксимация данных (см. табл. 3) калибровки азимутальных углов по составляющим цвета полиномами четвертого порядка (на рис 19. обозначены: R, G, В - нормированные значения составляющих цвета; г - коэффициент корреляции). При расшифровке цветных тенеграмм, получаемых в эксперименте, видна возможность замены значений калибровочной таблицы полиномами. В ночные часы воздух над склонами и на их вершинах быстро охлаждается, становится более плотным, чем над долиной на той же высоте, и стекает по склону. При этом он нагревается от поверхности склона. В зависимости от интенсивности процесса и температуры поверхности протяженность стекающего с вершины по склону "языка" воздушного потока может уменьшиться настолько, что холодный воздух не достигнет подножья склона. В некоторых районах Земли, например, на отдельных плоскогорьях, где при радиационном выхолаживании накапливается холодный воздух, наблюдаются очень сильные ветры склонового характера. Стоковый (склоновый) ветер направлен от холодных и высоких участков к теплым и ниже расположенным участкам и возникает под
Сопоставление эмпирических зависимостей, полученных при обобщении данных модельных экспериментов, с результатами расчетов по известным теоретическим формулам
В целях подтверждения допустимости использования разработанного метода в качестве количественного при исследовании тепловых пограничных слоев выполнено сопоставление результатов расчетов по аналитически полученным теоретическим формулам с эмпирическими зависимостями, построенными при обобщении данных модельных экспериментов. Известны точные теоретические решения для тепловых пограничных слоев, возникающих у вертикальной поверхности нагретой стенки в большом объеме менее нагретого воздуха [26]. Теоретические решения Польгаузена [44, 89] для малых чисел Рг и 1 для случая классической задачи о естественной конвективной теплоотдаче от изотермической нагретой вертикальной поверхности, когда течение предполагается установившимся и ламинарным, а физические свойства воздуха (Рг 0.73), за исключением плотности и коэффициента преломления - постоянными, привели к расчетной зависимости для среднего числа Нуссельта Nu = 0.02 l(Gr, -Prf\ Полагаем, что совпадение полученных нами в экспериментах результатов с этой обобщающей зависимостью явится подтверждением достоверности разработанного метода. Обработка экспериментальных данных в координатах Nu,, (Gr, Рг) позволяет: во-первых, обосновать достоверность разработанного теневого метода путем определения функциональной зависимости вида Nu, = с (Gr, Рг)" и ее сопоставления с теоретической зависимостью для крайней верхней точки вертикальной пластины по Польгаузену [44]: где Gr, = j - число Грасгофа (заметим, что для наклонных поверх- ностей в число Грасгофа в числитель вводится множитель - косинус угла наклона поверхности склона относительно гравитационной составляющей); во-вторых, получить для других углов склонов критериальные расчетные формулы, которые позволят вычислять интенсивность выхолаживания полей, а также рассчитывать граничные условия на поверхности почвы при определении температурных и влажностных режимов в деятельных слоях почвенных горизонтов.
Еще одним прямым подтверждением правомерности разработанного метода являются измерения толщины температурного слоя 8 и пропорциональности этой толщины /025 подобно измерениям в экспериментах Шмидта [128] посредством шлирного метода и Зёнгена и Эккерта [100] по интерференционной картине визуализации течения у вертикальной поверхности нагретой плоской пластины. На рис. 31 приведена полученная в наших экспериментах цветная тене-грамма теплового пограничного слоя у вертикальной нагретой (Tw =52С) поверхности стенки (фактически, в эксперименте поверхность пластины располо- жена под углом 86 градусов к горизонту, что необходимо учитывать в расчетах, см. выше). На рис. 32 показано изменение безразмерной толщины теплового пограничного слоя 5 в функции от разности температур поверхности пластины и воздуха за пределами пограничного слоя (dN, lN - нормированные координаты).
Аппроксимация данных эксперимента (см. рис. 32), описываемая зависимостью 5 = 1.2101/ 26, вполне удовлетворительно совпадает с теоретическими решениями [100, 128]. Результаты расшифровки позволили построить профиль безразмерной температуры 9 (см. рис. 33, где 0, rj - нормированные координаты, Сопоставление этого профиля 9 с данными профиля, получен- ного Острахом (NACA TR 1111, 1953) [26], показывает их подобие. Аппроксимация данных эксперимента (см. рис. 34) в критериальной форме, характеризуемая степенной функцией с показателем степени, равным 0.49, удовлетворительно совпадает с теоретическими решениями [26]. Удовлетворительное совпадение профилей безразмерной толщины теплового пограничного слоя, профилей безразмерной температуры, показателей степени при критериальном комплексе (Gr, Рг) в зависимостях, полученных нами при расшифровке цветных тенеграмм теплового пограничного слоя у вертикальной поверхности нагретой плоской пластины, с теоретическими решениями Польгаузена [26, 44, 89, 100, 128] подтверждает правомерность применения двухкоординатного цветного теневого метода, реализованного на модифицированном приборе ИАБ-451, и разработанных методик калибровки, расшифровки и интерпретации цветных тенеграмм применительно к исследованиям процессов теплообмена в тонких тепловых пограничных слоях у плоских поверхностей. 1. Развиты теоретические основы количественного двухкоординатного цветного теневого метода визуализации прозрачных неоднородностей и прове дена его реализация. 2. Модернизирован с использованием специально разработанных оптических узлов широко распространенный теневой прибор ИАБ-451 из состава аэродинамического стенда в отделе физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института. 3. В рамках созданного метода показана возможность реализации его в светлопольном и темнопольном вариантах. Разработаны алгоритмы обработки сигналов для квадратной и круглой формы диафрагм. 4. Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоординат-ный цветной теневой метод. 5. Созданы методика, алгоритм и программное обеспечение компьютерной расшифровки цветных тенеграмм, полученных в аэродинамических экспериментах.
