Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Развитие оптических методов исследования различных физических процессов и явлений, помимо чисто научных целен, стимулируется также важными техническими применениями. Так, при исследовании процессов тепло- и массообмена в нензотермическнх процессах одной из основных задач диагностики является бесконтактное и безынерционное определение полей плотности, температуры, скорости и других параметров как в ламинарных, так и турбулентных течениях жидкостей и газов. В настоящее время отсутствуют надежные универсальные методы таких измерений, поэтому апробация новых оптических схем и методов применительно к указанным проблемам является актуальной научной задачей. Поскольку большинство окружающих нас объектов диффузно рассеивают падающее на них излучение, а многие прозрачные среды имеют рассеивающие добавки и включения, то исследование влияния этих объектов и сред на параметры рассеянного ими излучения представляется актуальным не только для когерентного излучения, но и для обычного. Цель такого исследования -достоверное построение изображения объекта, определение интересующих .характеристик объекта или среды.
При освещении объектов когерентным излучением в плоскости наблюдения проявляется эффект образования спеклов - зернистости, нерегулярности освещенности в пространстве вокруг объекта. Этот эффект возникает как в результате многолучевой интерференции рассеянного объектом излучения, так и при проецировании контрастных к основному фону объекта структур. Появление лазеров вызвало множество новых применений спекл-эффекта, позволило глубже понять явление, получившее широкое распространение при исследованиях с использованием оптических методов. Почти во всех оптических исследованиях когерентное излучение проходит через матовую среду или отражается и рассеивается на матовой поверхности, на рассеивающих частицах в потоке жидкости или газа, распространяется через прозрачную среду со случайным распределением показателя преломления, вследствие чего и возникают спеклы.
Широкое распространение спеклов в голографии, при прохождении лазерного, микроволнового, или рентгеновского излучения, при оптической передаче и обработке изображении, в микроскопии, в астрономии инициирует детальное исследование этого явления и его применений. Среди новейших областей применения методов спекл-днагаостики - теплофизика,
газодинамика, физика плазмы, контроль лазерных сред, микроэлектроника и оптическая технология, строительство и гляциология, медицина. В связи с интенсивным развитием лазерной техники и технологии, двнгателестроения, интегральной электроники большой мощности черезвычайно актуальными стали задачи исследования процессов горения, теплоотвода, истечения потоков, определения распределений различных параметров как в стационарных, так и нестационарных процессах. Спекл-методы, как и другие оптические методы, являясь практически безынерционными, неконтактными, позволяют проводить такие исследования. Кроме того, эти методы, предоставляя возможность исследовать диффузно рассеивающие излучение объекты, при относительной простоте оптической схемы, обладают высокой информативностью, точностью получения экспериментальных данных, способностью изменять в широких пределах чувствительность и проводить внестендовый контроль.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Целью работы является разработка и анализ возможностей применения спекл-методов для исследования локальных оптических неоднородностей в трехмерных неизотермическнх течениях и определение полей скорости, плотности, температуры, а также в расширении диапазона применимости техники спекла.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В работе впервые проанализированы возможности спекл-томографии для получения распределения теплофизических параметров в фазовых объектах различной сложности. Изучена зависимость погрешности конечного результата от количества направлений зондирования, числа отсчетов в каждом направлении, ошибки получения экспериментальных данных. Экспериментально и теоретически показано, что спекл-фотография может быть использована при исследовании течений произвольного типа, в том числе турбулентных. Впервые получена картина анизотропии турбулентного течения по одноэкспозициониой спекл-фотографни. По данным двухэкспозиционной спекл-фотографии рассчитаны корреляционные функции углов отклонения и плотности потока, его характерные масштабы.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Проведенные исследования позволили уточнить области применения новой экспериментальной методики диагностики, основанной на спекл-фотографии и спекл-томографии, для
широкого круга неизотермических процессов тепло- и массообмена. Разработаны схемы измерений и приемы обработки спеклограмм, выработаны практические рекомендации по использованию спекл-томографии при исследовании объектов различной сложности. Результаты исследований внедрены при проведении НИР в АНК "ИТМО им. А.В Лыкова" АНБ, Институте физики АН Литвы, Химико-металлургическом институте АН Казахстана, используются в учебном процессе в Белорусском Государственном Университете при проведении лабораторных работ по спецкурсам оптических ' и теплофизических специальностей.
-
Методика и результаты определения трехмерных полей показателя преломления, плотности, скорости в неизотермических потоках жидкости и газа по данным спекл-фотографни.
-
Анализ возможностей спекл-техники для исследования характеристик турбулентных течений.
-
Определение границ возможного применения спекл-томографических методов при исследовании сложных фазовых объектов.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории конвективных и волновых процессов АНК "ИТМО им. А.В Лыкова" АН Беларуси, на секции ученого совета ИТМО (1984-1994 гг.), на республиканских научно-практических семинарах "Голография в промышленности и научных исследованиях" (Гродно, 1986, 1989), на всесоюзных семинарах "Физические методы исследования прозрачных неоднородностей" (Москва, 1988 г.), "Оптические свойства неравно-вестных течений" (Минск, 1988 г.), школе-семинаре "Фундаментальные проблемы физики ударных волн" (Азау, 1987 г.), научно-практических семинарах по электро-физике горения (Караганда, 1988, 1989 гг.), школе-семинаре "Современные проблемы механики жидкости и газа" (Иркутск, 1988г.), 1-й школе-семинаре по вычисли-тельнон томографии (Куйбышев, 1988г.), 4-й конференции "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах" (Красновидово, 1988 г.): на международных школе-семинаре "Современные экспериментальные методы исследования процессов тепло- и массообмена" (Минск, 1987), 11-ом (Варшава, 1987 г.), 12-ом (Мичиган, 1989 г.) и 13-м (Нагойя, 1991 г.) коллоквиумах по динамике взрыва и реапірующих
систем, форуме Тепломассообмен" (Минск, 1988 г.), 5-м (Прага, 1989 г.) и 6-м (Иокогама, 1992 г.) симпозиуме по визуализации потоков, на 18-м симпозиуме по ударным волнам (Сендай, 1991 г.). Экспонировавшийся на ВДНХ БССР в 1988-1989 гг. прибор "Спекл-интерферометр оптических неоднородностей" награжден Дипломом 1-й степеня.
ПУБЛИКАЦИИ. По материалам диссертации автором опубликованы 23 работы, в числе которых 9 статей в журналах и сборниках, 12 тезисов докладов. Результаты работы вошли также в отчеты по НИР, выполняемьш лабораторией конвективных и волновых процессов АНК "ИТМО им.А.ВЛыкова" АН Беларуси по программам "Энергия", "Энергетика-08", "Энергетика-2-14\ "Оптика".
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы. Общий объем работы 146 стр., в том числе 46 рисунков, 1 таблица, 109 наименований библиографии.