Введение к работе
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 работоспособ-
ности 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.
-
Развитие теневых и интерференционных методов для исследования потоков с малыми градиентами плотности.
-
Расширение возможностей использования двухлучевой интерферометрии на крупномасштабных установках.
-
Реализация метода лазерного ножа на сверхзвуковых трубах, работающих на чистом осушенном воздухе.
-
Развитие панорамных методов регистрации полей скорости.
-
Теоретическое обоснование и отработка оптического метода регистрации поверхностного трения для различных режимов обтекания.
-
Развитие метода регистрации температуры обтекаемых поверхностей с использованием жидкокристаллических покрытий.
-
Разработка оптических методов регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях.
Научная новизна
-
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.
-
В целях увеличения чувствительности интерференционных методов развит способ обработки интерферограмм, основанный на вычитании интерференционных изображений, разнесенных во времени.
-
Дано теоретическое обоснование и впервые в мире для диагностики газовых потоков реализован метод двухлучевой интерферометрии с формированием опорного пучка от отдельного источника света.
-
Впервые реализован метод лазерного ножа на сверхзвуковой аэродинамической трубе, работающей на чистом осушенном воздухе.
-
На базе метода лазерного ножа разработаны схемы панорамных лазерных доплеровских измерителей скорости. Сформулированы основные требования к полевым интерферометрам для реализации подобных схем.
-
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.
-
Развит метод регистрации температуры поверхности с использованием жидкокристаллических покрытий, позволяющий проводить измерения с ис-
пользованием 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 об
ладает чувствительностью, как минимум на два порядка превышающей чувст
вительность стандартных схем, позволяет визуализировать особенности чис
тых, однородных по составу газовых потоков, характеризующихся изменения-
—3
ми плотности Ар < 10 -ратм, 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
AN ~ 2 / пК, где К - количество градаций серости регистрирующего устройства.
Для современных телекамер регистрируемый сдвиг может составлять
—3
AN< 10 . Метод применялся для исследования влияния МГД-эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения при обтекании клиньев гиперзвуковым потоком при числе Маха Мда = 8 и статическом давлении Pq ~ 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 ЖК-покрытий 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 реко-
мендации 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, НАГИ, 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 ШТАМ 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); 3 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 Aero-thermodynamics 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 Vlth Workshop on Magne-toplasma 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.
