Введение к работе
Актуальность проблемы.
Лазерная диагностика турбулентности представляет собой интенсивно развивающееся научно-техническое направление, связанное с разработкой и применением лазерных измерительных систем для изучения сложнейших стохастических процессов, определяющих широкий круг ключевых физических явлений в гидроаэродинамике, теплофизике, энергетике, химической технологии и ряде других областей. Особая актуальность лазерных бесконтактных прецизионных методов исследования характеристик турбулентного движения жидкости и газа связана с принципиальными трудностями аналитического исследования турбулентности, начало которому было положено еще в прошлом веке. Достоверные экспериментальные данные позволяют замыкать полуэмпирические методики расчета, проверять теоретические модели и углублять представление о турбулентности. Среди методов оптической диагностики потоков приоритетное значение имеет лазерная анемометрия, обладающая наилучшими характеристиками по точности, локальности, быстродействию, возможностью измерения вектора скорости и тензора пространственно-временных корреляций турбулентных пульсаций скорости. Развитие лазерной анемометрии привело к серийному производству за рубежом (фирмами "П5Г и DANTEC) ширркодиапазонных лазерных измерителей скорости и дисперсности потоков жидкости и газа, концентрирующих в себе новейшие достижения оптического и электронного приборостроения, микропроцессорной техники. Аналогичные приборы созданы и доведены до практического использования в нашей стране. Достижения лазерной анемометрии отражены в ряде отечественных и зарубежных монографий, огромном числе научных статей. Хотя проблема изучения турбулентности лазерными методами затрагивается во многих работах, ее особая актуальность и специфика обусловливают необходимость целенаправленного исследования, посвященного лазерной диагностике турбулентности. Важным направлением такого исследования является изучение и реализация принципиально новых возможностей и подходов, заключенных в лазерных методах диагностики. Значительный интерес в этой связи представляет лазерная спектроскопия турбулентности [1,2]. которую можно рассматривать как особое направление в лазерной анемометрии, связанное с непосредственным анализом статистических ха-
рактеристик выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя лазерного анемометра. Наряду с разработкой и реализацией метода лазерной спектроскопии в диссертации исследованы общие проблемы лазерной диагностики турбулентности, рассмотрен широкий комплекс современных методов.
Цель работы.
Разработка теории, принципов построения и создание автоматизированных систем лазерной диагностики турбулентности с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, применение их в фундаментальных и прикладных исследованиях турбулентных потоков. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:
развитие теоретических основ лазерной диагностики турбулентности, включающее исслсдоиинис соотношений между статистическими характеристиками выходных сигналов измерителей и параметрами турбулентного потока, теоретическое обоснование метода лазерной доплеров-ской спектроскопии при измерении локальных и пространственных характеристик векторного турбулентного ноля скорости;
исследование фундаментальных метрологических ограничений методов лазерной диагностики турбулентных потоков;
получение лазерными методами новых данных о структуре турбулентных течений, необходимых для построения полуэмпирических моделей расчета турбулентных потоков и модернизации промышленных аппаратов, работа которых связана с гидроаэродинамической турбулентностью.
Методы исследования.
В работе использовались методы механики жидкости и газа, статистической гидродинамики, статистической радиофизики, лазерной оптики и светорассеяния, теория фотоэлектрической регистрации, методы теории информации, теории измерений, компьютерное моделирование и физический эксперимент.
Научная новизна.
Разработана теория лазерной доплеровской спектроскопии турбулентности для трехмерного, нестационарного, неоднородного турбулентного течения с неоднородным распределением рассеивающих частиц, ос-
кованная на введении обобщенных понятий комплексной амплитуды пробного объема и вектора чувствительности лазерного анемометра.
Разработаны и реализованы принципы измерения компонент тензора пространственной корреляции скорости турбулентного потока, основанные на анализе статистических характеристик 4-го и 8-го порядков рассеянного потоком лазерного излучения.
С позиций теории информации исследованы фундаментальные метрологические ограничения лазерной доплеровской и времяпролетной анемометрии. Аналитически, методами компьютерного и физического моделирования исследованы погрешности лазерных методов, связанные с кривизной волновых фронтов гауссовых пучков и флуктуациями оси диаграммы направленности исходного лазерного излучения.
Определена зависимость информативности двухкомпонентных схем измерения турбулентных напряжений от площади эквивалентного треугольника векторов чувствительности в случае двухканальных и трехка-нальньгх измерений. Рассчитаны форм-факторы погрешностей. Дан анализ искажений профилей измеряемых параметров турбулентности, связанных с погрешностями юстировки и задания калибровочных констант.
Получены новые данные о характеристиках турбулентных потоков сложной конфигурации, необходимые для построения полуэмпирических моделей турбулентного переноса.
Впервые методом двухточечной лазерной спектроскопии обнаружены и исследованы когерентные турбулентные структуры в вихревом смесителе и в струе жидкости; эффект гашения высокочастотных пульсаций в струе воды при добавлении некоторых полимерных растворов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
На основе теоретических разработок созданы автоматизированные системы лазерной диагностики турбулентности, которые по ряду показателей превосходят зарубежные аналоги, снижают стоимость проведения исследований. Разработанные автоматизированные системы могут быть использованы для решения широкого круга задач динамики жидкости и газа, энергетики, теплофизики, химической технологии, экологии и других. Методом лазерной доплеровской спектроскопии проведены исследования характеристик турбулентности в потоках неньютоновских жидкостей, в модели гидравлического элемента, в модели флотационной машины, в модели цилиндрического вихревого смесителя, при кондсн-
сации струи пара в потоке жидкости, в трехпродуктовом гидроциклоне, в хроматографической колонне. Полученные результаті)! позволили развить физические представления о влиянии турбулентности на эффективность работы исследуемых устройств и дать рекомендации но совершенствованию их конструкции. Разработан прецизионный оптический блок эталонного лазерного расходомера для метрологического обеспечения установок энергетического и нефтегазового комплекса.
На защиту выносятся:
Разработка теории лазерной доплеровскои спектроскопии турбулентности. Обоснование используемых на практике аппроксимаций. Создание систем лазерной доплеровскои спектроскопии с высокой степенью автоматизации.
Разработка и реализация теоретических принципов измерений пространственных корреляций скорости турбулентного потока, основанных на анализе статистических характеристик 4-го и 8-го порядков рассеянного потоком лазерного излучения.
Анализ фундаментальных пределов точности лазерных методов диагностики потоков, включающий расчеты минимальных дисперсионных матричных границ оценок параметров сигналов и характеристик турбулентности.
Результаты измерений турбулентности, имеющие теоретическое и прикладное значение.
Апробация работы.
Результаты работы были представлены на конференциях и семинарах: Использование оптических квантовых генераторов в современной технике, Ленинград, 1971,1973,1975. Всесоюзная конференция по тепло-и массопереносу, Минск, 1972. Теоретические и прикладные аспекты турбулентных течений, Таллинн, 1976. Методы лазерной доплеровскои диагаостики в гидроаэродинамике, Минск, 1978. Применения лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике, Москва, 1979. ЛДА и ее применения, Новосибирск, 1980. Экспериментальные методы и аппаратура для диагностики турбулентности, Новосибирск, 1979,1981. Опыт применения лазеров в приборостроении и машиностроении, Ленинград, 1983. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение, Москва, 1984. Всесоюзная конференция по турбулентности, Жда-
нов, 1984. Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента, Таллинн, 1985. Физические методы исследования прозрачных неодно-родностей, Москва, 1977,1983,1986. Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации, Ленинград, 1984; Таллинн, 1987. Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов, Нальчик, 1982; Севастополь, 1985; Гродно, 1988. Лазеры в народном хозяйстве, Москва, 1986,1988. Всесоюзная школа по оптике рассеивающих сред, Минск, 1990. Оптические методы исследования потоков, Новосибирск, 1989,1991,1993; Москва. 1995.1997.
Личный вклад.
Теоретические исследования, разработка принципов измерений и построения систем лазерной диагностики турбулентности, разработка алгоритмического обеспечения систем автоматизации и программных продуктов, а также разработка общей методики исследований осуществлены автором. Компьютерное моделирование, практическая реализация разработанных принципов в действующих установках, разработка систем автоматизации, программного обеспечения и пользовательских интерфейсов, а также измерения проводились в основном сотрудниками кафедры физики МЭИ и частично сотрудниками ИПМ РАИ и МИФИ под руководством и при непосредственном участии автора. Работы специального прикладного характера выполнялись совместно с представителями заинтересованных организаций, которые отмечены в автореферате и диссертации.
Публикации.
По результатам проведенных исследований лично и в соавторстве опубликовано 97 работ, в том числе 3 учебных пособия, получено 10 авторских свидетельств на изобретения. Основные публикации представлены в автореферате (1-41].
Структура н объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка лигературы из 218 наименований. По объему работа содержит 258 страниц, включая 68 рисунков и 3 таблицы по тексту.
Введение. Определены цели работы, ее акіуа.>іі.шк-п.. научная и практическая значимость решаемых задач.