Оптические методы исследования сверхзвукового потока в аэродинамических установках
МИНИСТЕРСТВО
ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физический
факультет
Кафедра
общей физики
«Оптические
методы исследования потока в сверхзвуковых аэродинамических установках»
Новосибирск,
2013
Введение
Потоки жидкости, газа и плазмы
являются весьма распространенными видами течений, наблюдаемыми как в
натуральных условиях (потоки воздуха в атмосфере, течения в морях и океанах),
так и в многочисленных технических устройствах (двигатели внутреннего сгорания,
паровые и газовые турбины, реактивные двигатели, различные сопла для создания
свободных газовых и жидкостных струй и т.д.). Существенную роль для изучения
биологических аспектов жизнедеятельности человека играет исследование потоков в
биологических структурах: течение крови в сосудах, потоков воздуха в
дыхательных каналах и т.д.
Одним из важнейших этапов
исследования взаимодействия потока с телом является установление картины
обтекания, которая способствует качественному пониманию гидрогазодинамических
явлений. Непосредственное наблюдение спектров обтекания невооружённым глазом,
как правило, не предоставляется возможным из-за того, что присутствие тела в
потоке незначительно изменяет его оптические свойства. Поэтому для исследования
взаимодействия потока с телом используются различные оптические методы,
позволяющие увидеть то, что недоступно глазу, т.е. визуализация. Наибольшее
применение получили прямотеневой, теневой и интерференционный методы
исследования. В их основе лежит принцип просвечивания пучком световых лучей от
внешнего источника исследуемой области потока. К наиболее существенным
достоинствам этих методов относятся:
Панорамность информации сразу по
всему полю исследуемого объекта.
Их бесконтактность, т. е. получение
информации без внесения каких-либо датчиков и искажений в исследуемый поток.
Возможность получения «мгновенных»
по сравнению с характерным временем исследуемого процесса фотоснимков.
Оптические методы исследования
течений наиболее эффективно применяют в аэродинамических трубах с транс- и
сверхзвуковыми потоками, так как в этих случаях становится заметной
сжимаемость, и возникают местные изменения плотности и показания преломления
среды.
Теневой метод визуализации
Если поток газа неоднороден, то
оптический показатель преломления среды в исследуемой области потока зависит от
координат (x, y, z). При просвечивании области течения с переменной плотностью
луч, распространяющийся параллельно оси z и проходящий через неоднородность,
откланяется от первоначального направления распространения на угол θ0 (Рис. 1).
На рис. 2 дан пример
реализации теневого метода визуализации газовых неоднородностей. Параллельный
пучок света, сформированный от точечного источника 1 объективом 2, проходит
через исследуемую неоднородность 3 и попадает на экран (фотопластинку) 4.
Очевидно, что в случае постоянства градиента показателя преломления 
по всему полю
исследуемого объекта смещение всех лучей будет одинаковым и освещённость экрана
останется постоянной. Однако для 
лучи будут отклоняться
по разному, что приведёт к изменению освещённости по полю экрана. Таким
образом, с помощью теневого метода регистрируется вторая производная показателя
преломления.
Основным недостатком
оптических методов является то, что все измерения плотностей суммируются вдоль
направления распространения луча зондирующего излучения и таким образом
регистрируется интегральное значение изменения плотности. Поэтому теневые и
интерференционные методы применяются для визуализации двумерных, а также
некоторых осесимметричных газодинамических течений.
Шлирен-метод
визуализации (метод Тёплера)
Шлирен-метод
визуализации - это усложнённый теневой метод. Основной принцип действия
щлирен-системы состоит в том, что часть света, отклонённого при прохождении
через неоднородность плотности газа, задерживается кромкой ножа, установленного
в фокальной плоскости пучка, прошедшего через исследуемую область. На экране,
вследствие этого, освещённость соответствующих частей изображения уменьшится
или увеличится в зависимости от того, куда направлено отклонение. Изменение
освещённости в точке, сопряжённой с неоднородностью, определяется углом
отклонения луча, фокусным расстоянием второго объектива и размером источника
света b:
В варианте шлирен-метода, называемом
методом нити, перекрываются, наоборот, неотклонённые лучи.
Оптическая схема
реализации метода показана на рис. 3. Излучение от источника света 1 объективом
2 фокусируется на щель 3, имеющую форму вытянутого прямоугольника 4. Далее
объективом 5 формируют параллельный пучок, проходящий через исследуемую
неоднородность 6. Объективом 7 излучение фокусируется в плоскость ножа 8.
Одновременно в этой плоскости формируется изображение щели. Объектив 9 служит
для получения изображения исследуемой неоднородности в плоскости регистрации 10.
Нож устанавливается таким образом, чтобы перекрывалось половина изображения
щели. Каждый луч строит в плоскости 8 своё изображение щели, но от всех лучей
на экран проходит только половина излучения. В присутствии неоднородностей лучи
откланяются на какой то угол 
, что приводит к
смещению изображения щели относительно кромки ножа 11-12. При этом для луча,
отклонившегося на угол , смещение 
, где F - фокусное
расстояние объектива 7. В результате изменяется доля прошедшего для данного
луча излучения на экран 10 и в соответствующей точке изображения неоднородности
появится более светлая или более тёмная область в зависимости от знака и
величины δ.
При визуализации поля
течения шлирен-методом изменение освещённости пропорционально градиенту
плотности газа в исследуемой области в направлении, перпендикулярном кромке
ножа, а не степени изменения градиента плотности, как в теневом методе.
Информативность шлирен-методов в связи с этим выше информативности теневого
метода.
Шлирен-методом лучше
визуализируются вихри, волны разложения; теневым методом более точно
регистрируется положение разрывов.
Экспериментальная
установка
Исследования расходных
характеристик воздухозаборника проводились в «Модельной аэродинамической
установке» (МАУ). Установка представляет собой простую аэродинамическую трубу
для научных исследований и обучения студентов. Особенностью этой установки
является применение кауперного подогревателя и большой го запаса сжатого
рабочего газа. Такое решение позволило значительно увеличить продолжительность
рабочего режима установки до 1 - 2 с (вместо 0,1 с у существующих установок) и
обеспечить низкий темп падения давления в форкамере в ходе эксперимента (менее
5%). Общий вид аэродинамической трубы дан на рис. 4
Рис. 4 Общий вид
аэродинамической трубы МАУ
Основной функцией
установки МАУ является создание кратковременного сверхзвукового или
гиперзвукового потока газа, который соответствует потоку при многих типах
аэродинамических и агрофизических исследований. Эта установка может
использоваться для аэродинамических прикладных исследований, включающих
соответствующие значения чисел Маха и Рейнольдса, для опробования новых методов
измерений в высокоскоростных потоках, для лабораторных работ студентов. МАУ
характеризуется широким диапазоном реализуемых режимов работы, простотой
конструкции, очень низкими расходами сжатого газа и электроэнергии. Этой
установкой создается поток газа с хорошими метрологическими характеристиками,
сравнимыми с соответствующими характеристиками рабочего потока в современных
аэродинамических трубах.
Применение такой установки
наиболее целесообразно при проведении поисковых экспериментов в небольших
исследовательских лабораториях. Технические характеристики аэродинамической
трубы МАУ:
Максимальное давление
торможения, МПа (атм)……15 (150)
Максимальная температура
торможения, К ………….800 - 1000
Время рабочего режима, с
…………………………….1-2
Описание модели
Испытуемая модель 2 (см. рис. 5)
представляла собой полый цилиндр с острой кромкой (обечайка), прикреплённый
хомутом 3 к стойке 1. Торец модели был присоединен к ёмкости объёмом 220 л
специальным каналом.
Внутренний диаметр обечайки 38 мм,
внешний 40 мм.
Описание эксперимента
оптический поток сверхзвуковой
аэродинамический
В настоящей работе проводилось
оптическое исследование картины обтекания модели сверхзвуковым потоком, в
процессе наполнения присоединенной к ней емкости. Схема эксперимента
представлена на рис. 6.
Перед началом эксперимента воздух из
рабочей части 7 и соответственно камеры 9 откачивался до давления 0,03 - 0,04
атм.
После запуска аэродинамической трубы
весь захватываемый моделью 6 поток воздуха с помощью небольшого по длине канала
8 отводился в специальную камеру 9 с объемом Vch = 220 л. Остальной воздух,
выходящий из профилированного сопла 5, которое создает поток газа с заданными и
постоянными по сечению скоростью, плотностью и температурой, через диффузор 10
уходил в вакуумную ёмкость.
Пучок лучей от точечного источника
света 2 с помощью телескопов 1 направляется через рабочую часть и фокусируется
на непрозрачной преграде с острой кромкой (оптический нож) 3, так что
изображение источника проецируется на самом краю преграды. Если в исследуемом объекте
нет оптических неоднородностей, то все идущие от него лучи задерживаются
преградой. При наличии оптических неоднородностей лучи будут рассеиваться ими и
часть их, отклонившись, пройдёт выше преграды. Картина обтекания модели потоком
регистрировалась на видео камеру 4.
Результаты эксперимента
На рисунке 7 представлена теневая
картина до формирования сверхзвукового потока из сопла - 0,01 сек.
На 0,3 секунде сформировался
сверхзвуковой режим обтекания модели, с образованием скачков уплотнения от
кромки обечайки (рис. 8).
На 1,3 секунде появлялся выбитый
головной скачок перед обечайкой (см. рис. 9 и рис 10), вызванный повышением
давления в емкости.
Заключение
В ходе работы были получены снимки
картины обтекания модели сверхзвуковым потоком газа. На фотографиях видны
скачки уплотнения потока (тёмная полоса со стороны набегающего потока,
сменяющаяся постепенно теряющей интенсивность светлой).
Были изучены прямотеневой и шлирен методы
визуализации течения потока газа. Проведено ознакомление с аэродинамической
установкой и методами создания сверхзвуковых потоков и их исследования.
Список литературы
1. Скотников П.П. Теневые количественные методы в газовой
динамике. - М., 1976.
. Климкин В.Ф., Папырин А.Н., Солоухин Р.Н. Оптические
методы регистрации быстропротекающих процессов. - Новосибирск: наука, 1980.
. Бедржицкий Е.Л., Дубов Б.С., Радциг А.Н. Теория и
практика аэродинамического эксперимента. - М.: МАИ, 1990.
. Физические методы исследования прозрачных
неоднородностей. Сб. под ред. В.С. Сухоруких. - М.: Общество «Знание» РСФСР.
1968-1989 гг.
. Знаменская А.И., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методы
визуализации в механике газа. - МГАУ, 2001.