Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Современное состояние проблемы изучения процессов взаимодействия ударных волн с мелкими частицами. Обзор литературы и постановка задачи .
1.1. Ускорение частиц в потоке газа 10
1.2. Разрушение капель в ударных волнах 14
1.3. Взаимодействие ударной волны с поверхностью жидкости и сыпучей среды 19
1.4. Воспламенение частиц в ударных волнах 22
1.5. Использование энергии газовой детонации для
ускорения и нагрева мелких частиц 28
ГЛАВА II. Быстродействующие методы лазерной диагностики высокоскоростных двухфазных потоков .
2.1. О некоторых проблемах диагностики импульсных высокоскоростных двухфазных течений 32
2.2. Лазерный стробоскопический источник света 42
2.3. Практические схемы импульсной лазерной визуализации 55
а) Импульсные теневые схемы 57
б) Метод импульсного лазерного "ножа" 63
в) Многоэкспозиционная фоторегистрация изображений 70
г) Быстродействующая голография высокоскоростных двухфазных течений 76
2.4. Метод когерентно-оптической обработки многоэкспозиционных изображений 82
ГЛАВА III. Экспериментальное исследование взаимодействия твердых частиц с ударной и детонационной волнами
3.1. Экспериментальные установки 96
3.2. Динамика ускорения твердых частиц за ударной волной. Результаты измерения коэффициентов сопротивления 105
3.3. Динамика ускорения частиц, метаемых детонационной волной 117
3.4. О воспламенении частиц порошков горючих материалов в ударных волнах 129
ГЛАВА ІV. Экспериментальное исследование взаимодействия ударных волн с каплей, а также со слоем жид -кости и сыпучей среды .
4.1. Разрушение капель в ударных волнах 143
4.2. Взаимодействие ударной волны с поверхностью слоя жидкости и сыпучей среды 160
Основные результаты и выводы 185
Литература 189
Приложение 206
- Взаимодействие ударной волны с поверхностью жидкости и сыпучей среды
- О некоторых проблемах диагностики импульсных высокоскоростных двухфазных течений
- Динамика ускорения твердых частиц за ударной волной. Результаты измерения коэффициентов сопротивления
- Взаимодействие ударной волны с поверхностью слоя жидкости и сыпучей среды
Введение к работе
В последние годы большое внимание уделяется изучению высокоскоростных высокотемпературных гетерогенных потоков и струй типа газ - твердые частицы, газ - капли. Интенсивное развитие этого направления в газодинамике многофазных сред обусловлено его важным яаучным и прикладным значением для широкого круга задач топливной энергетики, химической технологии, машиностроения и т.д. Это задачи, связанные с изучением гетерогенной детонации двухфазных систем, з разработкой методов предотвращения взрывов промышленных пылевоз-[гушных смесей, с совершенствованием технологии нанесения покрытий о;етонационно-газовым и плазменным методами и т.д.
Для решения этих задач, для построения и совершенствования физических и математических моделей двухфазных течений, генерируемых ударными и детонационными волнами, требуются детальные сведе-ЇИЯ об основных закономерностях силового и теплового взаимодействия дисперсной и несущей фаз. Поэтому необходима прежде всего постановка экспериментальных исследований, направленных на изучение $изи -ЇЄСКИХ процессов, связанных с ускорением отдельных частиц, их деформацией, разрушением, воспламенением и т.д.
Экспериментальное исследование процессов взаимодействия частиц с ударными и детонационными волнами является достаточно слож-юй задачей, что обусловлено высокими скоростями газовой и дисперсюй фазы ( V I02 I03M/C), малыми размерами частиц ( d I + ІСгмкм), імпульсним характером процессов ( с І0"2 І0""4с), а также интенжвным собственным свечением газового потока ( Т 2000 5000К). 3 связи с этим возникла необходимость разработки и создания комп-іекса быстродействующей измерительной аппаратуры, основанной на юпользовании современных бесконтактных методов оптической регист-зации и обеспечивающей высокое пространственное и временное разрешение в сочетании с хорошей чувствительностью.
Диссертация выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР по теме: "Изучение физических процессов в двухфазных потоках" (шифр I.9.I.4., гос.рег.ЖЕ65671), а также планом многостороннего сотрудничества АН СССР и социалистических стран по проблеме "Научные основы механики машин, конструкций и технологических процессов" (темы У-І, У-2).
Цель работы состояла в развитии быстродействующих методов лазерной визуализации для измерения параметров дисперсной фазы в высокоскоростных двухфазных потоках и постановке на этой основе экспериментальных исследований, направленных на изучение физических процессов, возникающих при взаимодействии ударных и детонационных волн с мелкими частицами.
Автор защищает:
- создание комплекса быстродействующих схем лазерной визуализации для исследования высокоскоростных высокотемпературных двухфазных потоков;
- результаты исследования процессов ускорения и воспламенения твердых частиц за ударными и детонационными волнами;
- результаты исследования динамики ускорения, разрушения и испарения капель в ударных волнах;
- результаты изучения процессов образования двухфазных смесей за ударными волнами, скользящими по поверхности жидкости и сыпучей среды.
Научная новизна. На основе лазерного стробоскопического источника света создан комплекс быстродействующих схем оптической визуализации двухфазных течений. Впервые реализован метод много-экспозиционной фоторегистрации частиц ( d =10 10°мкм) в высокоскоростных ( V=I02 103м/с) высокотемпературных ( Т =2000 ЮО К) гетерогенных потоках.
Исследован характер ускорения частиц за ударной волной в диа-ізоне чисел Маха И =2,5 4,0, ( Ро=0,2 Іатм, Т0= 293 К), и [ределены их коэффициенты аэродинамического сопротивления. Показа- , что при увеличении объемной концентрации частиц в "облаке" до [ачений 1% происходит формирование "коллективной" ударной волны, иводящей к уменьшению скорости движения дисперсной фазы.
Изучена динамика ускорения частиц, метаемых детонационной вол-)й. Впервые измерены скорости частиц внутри ствола детонационной їтановки, зарегистрирован процесс разрушения частиц, определены ю характерные времена и показано, что этот процесс связан с гавлением материала частиц.
Исследован процесс дробления капель различных жидкостей в едшых волнах при И =2 4, Ро=0,2 + I атм, Т0=293 К. Впервые )лучена картина разрушения капли сильновязкой жидкости ( іе І Нс/м ), регистрирован процесс испарения микрочастиц, срываемых с поверх-)сти капель маловязких жидкостей (jxe 10 %с/м2), оценены размеры шрочастиц и сформулирован критерий срыва жидкости за счет разви-ш неустойчивости Кельвина-Гельмгольца.
Проведено экспериментальное исследование процессов образовали двухфазных смесей за проходящими ударными волнами ( И =2 3, 0=1атм, Т0=293К), скользящими по поверхности жидкости и сыпучей реды. Получены данные о динамике изменения толщины слоя двухфаз-эй смеси во времени для различных жидкостей и порошков. Предложе-ы эмпирические зависимости, позволяющие оценить высоту подъема во ремени распыленной жидкости ( ре =0,7 + 1,5 г/см ,с=(22 73)10 /м, е =10"" + I Нс/м2) и сферических частиц ( ds=50 + 500мкм, ps =1,2 ,6 г/см3).
Достоверность полученных результатов обоснована подробным ана-изом методических ошибок конкретных диагностических схем, сопостав - 7 лением экспериментальных данных, полученных различными методами измерении, а также их сравнением с результатами экспериментов, выполненных другими авторами»
Практическая и научная ценность работы,Результаты исследования процессов взаимодействия ударных волн с мелкими частицами могут быть использованы для построения и совершенствования физических и математических моделей гетерогенной детонации, при разработке методов предотвращения взрывоопасных ситуаций, возникающих при производстве и транспортировке тонкодисперсных горючих материалов, а также при разработке и совершенствовании различных устройств новой техники и технологии. Результаты, полученные при изучении динамики движения частиц за детонационной волной, использованы и могут найти дальнейшее применение при оптимизации технологического процесса нанесения покрытий методом детонационно- газового напыления.
Методы быстродействующей лазерной визуализации, разработанные в данной работе, легли в основу диагностического комплекса, успешно использованного при изучении сверхзвуковых двухфазных потоков. Они могут найти дальнейшее применение не только при решении широкого круга задач в газодинамике многофазных сред, но и при исследовании различных быстропротекающих процессов в физике горения и взрыва, лазерной технике, баллистических исследованиях и т.п.
Некоторые результаты методических разработок и экспериментальных исследований выполнены в соответствии с хоздоговорами, переданы и используются в ряде организаций страны, что подтверждено актами о внедрении.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе дан обзор литературы и анализ проблем, связанных с взаимодействием ударных волн с твердыми и жидкими частицами, и сформулированы конкретные задачи данной работы.
Вторая глава посвящена разработке и применению быстродействующих схем оптической диагностики высокоскоростных двухфазных течений. Проведен краткий анализ оптических методов для исследования двухфазных потоков, представлены результаты разработки лазерного стробоскопического источника света, описаны созданные на его основе быстродействующие схемы оптической визуализации, а также изложены принципы когерентно-оптической обработки многоэкспозиционных изображений двухфазного потока.
В третьей главе приведены результаты экспериментального исследования динамики поведения твердых частиц за ударной волной. Изучено влияние концентрации дисперсной фазы на динамику ускорения "облака" частиц. Определены коэффициенты аэродинамического сопротивления частиц. Представлены данные измерения скорости частиц, метаемых детонационной волной. Описаны опыты по воспламенению частиц за проходящей и отраженной ударными волнами, приведены данные измерения задержек воспламенения.
В четвертой главе приведены результаты исследования процессов взаимодействия ударных волн с каплями, а также со слоями жидкости и сыпучей среды. Изучено влияние физических свойств жидкости на динамику дробления капли, определены характерные времена процессов, оценены размеры срываемых микрочастиц. Исследована динамика роста толщины слоя двухфазной смеси за ударной волной, скользящей над поверхностью жидкости и сыпучей среды.
В заключении приводятся основные результаты и выводы.
Результаты работы докладывались на семинарах Института тео - 9 ретической и прикладной механики Сибирского отделения АН СССР, на П и Ш Всесоюзных школах по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1979; Красноярск, 1982), на УІ и УШ Международных симпозиумах по процессам горения (Карпач, Польша, 1979; Яблонна, Польша, 1983), на Всесоюзном семинаре "Лазерная доппле-ровская анемометрия и ее применение" (Новосибирск, 1980), на Школе-семинаре по механике реагирующих систем (Междуреченск,1980), на научном семинаре "Физические основы исследования прозрачных неоднородностей" (Москва, 1981), на X и XI Всесоюзных научно-технических конференциях "Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов" (Москва, 1981; Москва, 1983), на УШ и IX Международных коллоквиумах по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Минск, 1981; Пуатье, Франция, 1983), на Международной школе-семинаре "Современные экспериментальные методы исследования процессов тепло- и массообмена" (Минск, 1981), на Ш Международной школе по взрывам промышленных пылей (Турава, Польша, 1982), на научно-техническом совещании "Высокотемпературные гетерогенные струи и устройства для плазменного напыления" (Новосибирск, 1982), на Всесоюзной конференции по детонационному напылению (Киев, 1983). Основные результаты выполненной работы опубликованы в [157-177].
Взаимодействие ударной волны с поверхностью жидкости и сыпучей среды
Многочисленные исследования процессов ускорения и дробления капель в потоке газа достаточно полно отражены в ряде обзорных работ, опубликованных в последние годы L4,22-25J . Отмечается L4,25J , что теоретическое изучение данных процессов является одной из очень сложных задач механики многофазных сред. К настоящему времени отсутствуют модели, позволяющие адекватно описать процессы деформации и разрушения капель под воздействием ударных волн, а все имеющиеся представления о закономерностях дробления и параметрах, определяющих этот процесс, получены в основном экспериментальным путем. В этом плане следует отметить большой цикл экспериментальных исследований, выполненных в ИХФ АН СССР (работы Борисова А.А., Гельфанда Б.Е. и др.) и позволивших существенно продвинуться в понимании этого сложного явления.
Ниже излагаются лишь некоторые результаты экспериментальных и теоретических работ, имеющие, на наш взгляд, принципиальное значение для построения картины разрушения капли при воздействии на нее потока газа за фронтом ударной волны с параметрами, характерными для гетерогенной детонации.
Физический процесс дробления капли при фиксированном внешнем воздействии определяется следующими характеристиками газа и частиц [А] : pr JYJVJV de 9с r» а«» V9 ve Эти na раметры образуют несколько независимых безразмерных критериев, характеризующих процесс распада капли: Здесь представлены в стандартных обозначениях числа Маха, Рей-нольдса, Вебера, Бонда, Лапласа, а также отношение плотностей и вязкостей газа и жидкости ( а - скорость звука, g - ускорение, б - поверхностной нятяжение). Явление дробления капель в спутных потоках газа за фронтом ударной волны экспериментально исследовалось в широком диапазоне чисел М =1,05 11; Re =10+106; We =10+106; Во =10+106; Lp=I0 2+I05. Здесь M=Vj./ag - число Маха ударной волны,
В качественной картине процесса разрушения капли под воздействием ударной волны при .М»1,3 наблюдались следующие основные этапы превращения капли [2б] : перемещение, деформация с увеличением во времени поперечного размера капли, срыв и унос потоком газа вторичных мельчайших капелек, образование волн на наветренной поверхности первичной капли, уменьшение размеров ядра капли после критической стадии деформации. Отмечается [26,27j, что процессы деформации и разрушения капли протекают одновременно. При этом капля приобретает форму элипсоида вращения, малая ось которого направлена вдоль газового потока. Поперечный размер капли df линейно увеличивается до момента времени, соответствующего достижению критической стадии разрушения de/de 3 ( de - начальный диаметр капли), после которого наблюдается ее быстрый распад. Срыв жидкости с поверхности капли является непрерывным процессом, начинающимся через некоторое время индукции t{ и продолжающимся до ее полного разрушения [26-30],
При М З на наветренной стороне капли наблюдались поверхностные волны [28,30-32 ] , амплитуда которых, согласно [зо] , нарастает экспоненциально, что приводит к ее быстрому разрушению. Считается [22-24, 30-32] , что для больших ҐЇ. характерны два механизма разрушения капель: сначала имеет место механизм срыва поверхностного слоя жидкости, а затем вступает в действие механизм быстрого (взрывного) дробления. Отмечается [ЗО] , что переход от первого механизма ко второму очень быстро наступает при П=П, несколько позже при М =6, через большой промежуток или вообще не наступает при М =3. Показано І32] , что критическое число Бонда, при котором реализуется взрывоподобное разрушение, соответствует Во 5-Ю .
Представленная выше картина получена при изучении процесса дробления капель маловязких жидкостей ( jAf I-I0 3(H c)/M2), В подавляющем большинстве - это капли воды [26-32] . Опыты проводились также с каплями углеводородов [33-34], нитратов[35] и т.п. При изменении коэффициентов поверхностного натяжения и вязкости в пределах г =0,02+0,07Н/м, =(1+2)10 ( -0) качественных отличий в картине разрушения капель не обнаружено.
Можно ожидать появления ряда особенностей в картине разрушения очень вязких ( i I Сн с)/вг) жидкостей, поскольку столь значительное увеличение вязкости приводит к существенному росту трения при течении жидкости и усилению демпфирующего влияния вязкости на развитие возмущений на поверхности жидкости. Однако, закономерности дробления таких жидкостей в ударных волнах при М 1,5 не исследовались.
Одним из основных моментов в изучении процесса разрушения капель является определение размеров частиц, образующихся в результате дробления. Согласно [26,27], размеры микрокапель, образувдихся путем срыва поверхностного слоя жидкости оценивают-ся величиной de - ЫОмкм. Данные оценки получены на основании того, что сорванные частицы следуют линиям тока спутной струи за каплей. Размеры частиц, образующихся в результате взрывного распада, оцениваются величиной порядка толщины диска, в который трансформируется капля к моменту ее максимальной деформации de - (0, 1 0,2) dPo [22,23І.
О некоторых проблемах диагностики импульсных высокоскоростных двухфазных течений
В последние годы в области газодинамики многофазных сред достаточно успешно начинают применяться методы лазерной диагностики. Лазер-допплеровские измерители скорости (ЛДИС), теневые и интерферометрические методы, голография, метод малоуглового рассеяния света и т.п. позволяют определять широкий круг параметров газовой и дисперсной фаз и могут дать информацию о параметрах потока в условиях, когда использование многих традиционных методов измерения в газовой динамике (трубок Пито, термоанемометров и др.) становится невозможным.
Рассмотрим некоторые наиболее перспективные оптические методы с точки зрения их возможностей при исследовании двухфазных течений, генерируемых ударными и детонационными волнами.
В настоящее время наиболее известными и широко применяемыми для измерения скорости потоков являются ЛДИС, основанные на выделении доплеровского сдвига частоты лазерного излучения, рассеянного на частицах, естественно присутствующих в потоке или искусственно в него введенных [86-91]. При рассеянии света на движущейся частице допплеровский сдвиг частоты д 0 однозначно определяется выражением [9l]: волновые векторы падающего и рассеянного излучения, \ - вектор скорости движущейся частицы. При исследовании однофазных потоков (жидкости или газа) в него специально вводятся светорассеивающие частицы, размеры и концентрация которых выбираются из условия надежной работы схемы ЛДИС. Как правило, используются частицы малой плотности р5=0,8 2г/см3 и размеров ds lMKM, которые быстро релаксируют и не обнаруживают заметного отставания от скорости потока [87].
По способу измерения допплеровского сдвига частоты схемы ЛДИС можно разделить на две группы [91]. В первой выделение разностной частоты &% осуществляется на основе метода фотошешения (см., например, [86-90]),во второй - методом прямого измерения при помощи приборов высокой разрешающей способности [5,6,91,92].
Схемы первой группы достаточно просты для измерения сравнительно небольших сдвигов долплеровской частоты д 100Мгц и широко и успешно применяются в основном для исследования дозвуковых потоков ( ІСЙд/с).
Схемы второй группы являются наиболее перспективными при исследовании высокоскоростных потоков 10 м/с, когда д ЮОМГц. Данные схемы основаны на использовании методов интерференционной спектроскопии высокого разрешения, причем с ростом скорости в этом случае измерение становится более простым и точность его возрастает в отличие от ДЦИС, использующих метод фотосмешения. Многие вопросы, связанные с разработкой этих измерителей и их применением для диагностики двухфазных потоков рассмотрены в работах [91-93].
Следует отметить, что большой цикл исследований, проведенных с помощью ЛДИС к настоящему времени, относится в основном к диагностике стационарных потоков. При исследовании импульсных высокоскоростных двухфазных течений \ 10 +10 м/с важное значение приобретают вопросы, связанные с необходимостью обеспечения высокого временного разрешения регистрирующей аппаратуры.
Рассмотрим некоторые типичные схемы ДЦИС с точки зрения их возможностей и перспектив использования при изучении быстропро-текающих процессов.
Среди ЛДИС с прямым спектральным анализом допплеровского сдвига частоты наибольшее распространение к настоящему времени получили схемы, основанные на использовании многолучевых интерферометров с переменной во времени частотной характеристикой. Для фотоэлектрической регистрации спектра в этих ЛДИС применяются методы сканирования, в которых изменение оптической длины интерферометра осуществляется либо механическим перемещением одного из зеркал эталона [б,91], либо за счет изменения плотности среды между его зеркалами [92]. Опыты, проведенные в [5,6,91], показали, что схемы ЛДИС, построенные на основе конфокальных интерферометров, сканирующих за счет механического перемещения зеркал с помощью пьезокерамики, достаточно просты и удобны в эксплуатации, обеспечивают высокую светосилу и спектральное разрешение, позволяющее успешно проводить измерения в широком диапазоне скоростей Vs =І0 І04м/с. Однако практическая реализация ЛДИС, обеспечивающих достаточно высокую скорость сканирования (более І0й І0Гц) в сочетании с жесткостью и виброустойчивостью интерферометра, представляет значительные технические трудности. Поэтому обычно быстродействие таких систем ограничено величиной сгк Ю" 3+Ю 4с ( гк - время записи аппаратурного контура сигнала ДЩС). Время записи участка спектра, соответствукїего области свободной дисперсиигд многолучевого интерферометра, определяющей диапазон измеряемых скоростей, в 10+100 раз больше. При сканировании спектра за счет изменения плотности в камере интер-ферометра ягк еще больше и составляет % -10 10 с и, соответственно, 10 +10.
Более высокое временное разрешение можно получить с помощью лазер-допплеровских систем другого класса, в которых эталон Фабри-Перо, как диспергирующий элемент, имеет постоянную область свободной дисперсии, а сканирование и регистрация спектра осуществляются с помощью электронно-оптических устройств. В схеме ДЩС на основе сканирующего спектрометра [93], состоящего из стационарного интерферометра и диссектора (ДЭ0П), быстродействие ограничивается временем формирования интерференционной картины, которое при остроте полос F =75 и расстоянии между зеркалами интерферометра Ь=20см составляет величину ягк= — - 1СПо (с-скорость света), и,соответственно, тл =10 с.
Динамика ускорения твердых частиц за ударной волной. Результаты измерения коэффициентов сопротивления
Как уже указывалось, одной из основных проблем, возникающей при разработке методов оптической диагностики для исследования быстропротекающих процессов в двухфазных средах, является создание мощного источника света, который должен обеспечить: - достаточно малую длительность экспозиции гц с тем, чтобы пространственное смещение изображения объекта не ограничивало предельного разрешения оптической системы R0 i/dSm.n. Для процессов, развивающихся со скоростью V I03M/C при fto I05 м , чги 10""е; - высокую спектральную яркость, превосходящую интенсивное собственное излучение исследуемых объектов. Кроме этого, высокая яркость требуется при использовании различных схем визуализации (теневых, интерферометрических, оптического "ножа"),в оптических каналах которых происходят большие потери света, а также при экспонировании высокоразрешающих пленок с низкой чувствительностью; -возможность работы в стробоскопическом режиме с регулируемыми числом импульсов и интервалами между ними. Точность установки а поддержания временных интервалов должна быть высокой, т.к. эна определяет погрешность в измерении динамических параметров іроцесса; - возможность синхронизации импульсов подсветки с исследуемым іроцессом с точностью не хуже 1СПс; - высокую пространственную и временную когерентность, что позвонило бы широко использовать методы интерферометрии и голографии; - малую угловую расходимость излучения с однородным распределе-шем энергии по сечению луча, в значительной мере определяющего качество получаемых теневых изображений. Источник также должен иметь сравнительно простую конструкцию, Золыной срок службы и высокую надежность.
Широко используемые при исследовании быстропротекающих процессов искровые источники света не удовлетворяют перечисленным зыше требованиям. Главный их недостаток обусловлен ограниченной іредельной яркостью отдельной световой вспышки [120]. Повышение энергии этих источников возможно либо за счет увеличения длитель-ЇОСТИ импульса излучения, либо за счет увеличения их размеров. )днако это приводит к уменьшению временного или пространственного разрешения схемы. Кроме того, контрукции газоразрядных импульс источников света с длительностью вспышки fu 10 с достаточ-ЇО сложны [118,119].
Всем основным требованиям, предъявляемым к световому источнику в технике высокоскоростных оптических измерений, отвечают импульсные твердотельные лазеры. Для исследования процессов, развивающихся со скоростью V4 103м/с, большой интерес представляют лазеры с модуляцией добротности, с помощью которых можно сравнительно легко получить импульсы генерации длительностью (1,5+5) ПТ с. Техника получения моноимпульсного режима генерации ОКГ хорошо развита и подробно описана (см., например,[122-124]).
Для измерения динамических характеристик быстропротекающе-го процесса необходимы стробоскопические источники света, позволяющие получать серии импульсов (минимум два) с известными интервалами между ними At , при этом значение At должно изме-няться в пределах 10 +10 с. Известны работы, в которых использовалось от двух [125] до шестнадцати [126] синхронизированно работающих ОКГ. Однако, эксплуатация подобных стробоскопических источников сопряжена с большими неудобствами, вызванными необходимостью размещения возле экспериментальной установки большого количества ОКГ, сложностью синхронизации их работы, а также совмещения лучей от разных лазеров и т.д. Поэтому использование таких схем оправдано, когда необходимо получить два (три) мощных световых импульса.
Высокочастотную серию импульсов генерации твердотельных ОКГ (стробоскопический режим работы) можно также получить путем многократного включения максимальной добротности резонатора за время действия импульса световой накачки. Периодическая модуляция осуществляется посредством устройств, аналогичных тем, которые используются при модуляции в моноимпульсном режиме. Известно применение для этих целей оптико-механических [127,128], фототропных [129] и электрооптических устройств [130-133].
Наиболее предпочтительными являются электрооптические модуляторы, основанные на линейном (ячейка Поккельса) или квадратичном (ячейка Керра) электрооптическом эффекте в твердых телах или жидкостях и позволяющие управлять моментом генерации импульсов света с точностью 10 с, что обеспечивает жесткую синхронизацию с исследуемым процессом.
На рис.2.1 представлена принципиальная схема ОКГ с электрооптическим управлением добротностью резонатора. Режим модуляции добротности обеспечивается введением в резонатор между активным элементом и непрозрачным зеркалом светового затвора, состоящего из электрооптического элемента, поляризатора и отражателя, единственная поляризационная призма в таком оветозатворе выполняет роль и поляризатора, и анализатора. При величине управляющего напряжения 1/д/4 компоненты линейно поляризованного света после двойного прохождения через электрооптический элемент приобретают разность фаз равную 3t , при этом плоскость поляризации поворачивается на 9С/2,и световой затвор запирается.
В интервале времени от начала импульса световой накачки до достижения необходимой инверсной населенности уровней в активной среде светозатвор закрыт и вносит в резонатор большие потери. Импульс генерации формируется при достижении достаточной инверсной населенности после включения максимальной добротности резонатора. Интервал между моментом включения добротности и появления импульса света определяется временем линейного развития генерации (временем задержки v3 ) и временем нелинейного развития генерации яги , когда происходит формирование основного импульса света. Согласно [ 134], яг3 зависит от мощности накачки, уровня потерь и длины активного элемента:
Взаимодействие ударной волны с поверхностью слоя жидкости и сыпучей среды
Существенными недостатками, присущими модуляторам с использованием ячейки Керра, являются высокое управляющее напряжение и использование токсичной жидкости - нитробензола. Однако, несомненное достоинство, заключающееся в простоте конструкции и доступности материалов, необходимых для ее изготовления, стало решающим при нашем выборе электрооптического элемента, т.к. позволило изготовить и ремонтировать ячейку Керра в условиях неспециализированной лаборатории. Кроме этого, ячейка обладает одним важным преимуществом перед кристаллическими модуляционными элементами - в ней при любых управляющих импульсах не возникает искажений из-за пьезооптического эффекта.
Схема разработанного нами стробоскопического источника световых импульсов на основе твердотельных ОКГ с управляемой добротностью приведена на рис.2.2. Активным элементом генератора I является кристалл рубина диаметром 8мм и длиной активной части 120мм. Накачка производилась двумя лампами ИФП-2000, на которые разряжалась искусственная длинная линия, согласованная с внутренним сопротивлением этих ламп. Энергия разряда 2 ЗкДж. Длительность импульса накачки I,5MCV
Модуляция добротности производилась светозатвором - отражателем на ячейке Керра. Светозатвор, состоящей из ячейки, поляризатора и диэлектрического зеркала с коэффициентом отражения 99#, выполнен в виде единой конструкции, элементы которой размещены в корпусе из фторопласта, заполненного нитробензолом. В качестве поляризатора применялась призма из исландского шпата. Параметры ячейки: I =50мм, h =8мм, \JyA =12кВ.
Электронная схема управления ячейкой Керра состояла из: 2 - генератора синхронизирующих импульсов; 3 - задающего генератора; 4 - формирователя высоковольтных импульсов; 5 - блока поджига ламп накачки. Двухлучевои запоминающий осциллограф 7 использовался для контроля за работой лазерного стробоскопа. Импульсы света, преобразованные в электрические фотоэлементом 6, подавались на один вход осциллографа, электрический сигнал, управляющий ячейкой, на другой. Электронная схема управления модулятором обеспечивала запирание светозатвора в момент подачи импульса на поджиг ламп накачки и импульсное снятие этого напряжения на время (2 8)-ІСП6 с регулируемой частотой повторения. Основные принципы, положенные нами в основу при разработке электронной схемы управления лазерным стробоскопическим источником света, заключались в следующем: - возможность в широких пределах и с высокой точностью устанавливать временные интервалы между импульсами, а также изменять число и длительность импульсов; - высокая надежность и простота схемы управления. Надежность достигалась использованием серийно выпускаемых приборов в качестве отдельных блоков схемы управления. Для синхронизации работы стробоскопа с исследуемым процессом применялся шестиканальный генератор задержанных импульсов ГЗИ-6 (Ш-І). Наличие в нем шести взаимозаменяемых каналов, временная задержка в которых регулировалась в пределах МОООмкс, позволяло легко осуществлять временное согласование работы отдельных блоков схемы управления с работой экспериментальной установки. В качестве генератора, задающего параметры управляющих импульсов, использовался двухканальный генератор с точно калиброванным временным сдвигом Г5-27 (Г5-35). При работе в паспортном режиме генератор Г5-27 позволял: - устанавливать длительность импульсов на выходах первого и второго каналов от 0.1 до ІОмкс ступенями через О.Імкс; - плавно регулировать их амплитуду от 0 до ЮОв; - регулировать временной сдвиг между импульсами первого и второ-го каналов от 0 до ІСгмкс ступенями через Імкс. Погрешность установки временного сдвига при калибровке по собственному кварцевому резонатору не превышала +(3-10-+50)-10 с, где At - величина временного сдвига. Путем несложных переключений в блоке делителя частоты с переменным коэффициентом деления, предназначенного для селекти-рования любого импульса из последовательности импульсов на его входе, на выходе второго канала генератора Г5-27 получались серии импульсов, число которых устанавливалось в пределах от I до Ю3ступенями через I, а временные интервалы между импульсами -в пределах 2 103мкс дискретно через Імкс. При этом параметры импульсов на выходе второго канала (длительность, амплитуда, погрешность установки временного интервала) определялись паспортными характеристиками генератора Г5-27. Функциональная схема блока делителя частоты после внесения соответствующих изменений представлена на рис.2.3. Непосредственное управление светозатвором на ячейке Керра осуществлялось при помощи формирователя высоковольтных импульсов, который обеспечивал запирание светозатвора в момент под-жига ламп накачки и последующее его многократное отпирание в течение импульса световой накачки. При этом число, частота и длительность отпирающих импульсов определялись задающим генератором.
