Расширение возможностей теневых и интерференционных методов исследования газовых потоков

17 Общие положенйя диссертационной работы.

Актуальность работы.

Развитие авиационно-космической техники предъявляет все более высокие требования к качеству и количеству информации, получаемой при изучении обтекания летательных аппаратов, что стимулирует совершенствование методов измерений. В подтверждение этому можно отметить следующее:

• Любые методы диагностики имеют ограничения по чувствительности, точности измерений, динамическому диапазону, по временному и пространственному разрешению. Иногда, даже для отработанных методов, их реализация на конкретных установках сталкивается с трудностями, связанными с особенностями установки и реализуемыми в потоке диапазонами регистрируемых параметров. В этой связи, разработка новых методов и подходов, расширяющих возможности диагностики газовых потоков, является важной задачей.

• Расширение линейки методов позволяет одновременно регистрировать несколько параметров или проводить регистрацию одного параметра альтернативными методиками. Это увеличивает достоверность значений измеряемой величины, и служит подтверждением адекватности используемых методов.

• Важным фактором является стоимость эксперимента. Немалая доля расходов при этом приходится на приобретение и обслуживание измерительного, оборудования. Поэтому проведение работ по уменьшению этих затрат за счет удешевления используемых методик и повышения качества и количества получаемой за единицу времени информации является важной задачей.

Перечисленные факторы важны для всех методов. Оптические методы, в том числе и рассматриваемые в данной работе теневые и интерференционные, обладают присущими только им достоинствами. К ним относятся:

• Бесконтактность, т. е. получение информации без внесения искажений в исследуемый поток;

• Возможность получения информации сразу в большом поле исследуемого течения.

• Возможность получения «мгновенной», по сравнению с характерным временем исследуемого процесса, информации. Например, характерные времена регистрации изображений в данной работе определялись временными характеристиками используемых телекамер и составляли Т> 5″ 7 с.

• Высокое пространственное разрешение. Зависит от качества оптических элементов, применяемого метода и свойств исследуемого объекта.

• Возможность, в некоторых случаях, получения информации недоступной при использовании других методов.

Наряду с этим существует ряд проблем ограничивающих использование рассматриваемых методов в аэрофизическом эксперименте, а именно:

• Теневые и интерференционные методы являются эффективными при изменении плотности на уровне Ар > 10″ рахм, где ратм — плотность нормальной атмосферы. Ограничения в их применении для исследования потоков с меньшими изменениями плотности являются достаточно острой проблемой.

• Как правило, увеличение чувствительности теневых методов ведет к уменьшению динамического диапазона и затрудняет визуализацию слабых возмущений на фоне сильных градиентов плотности. Возрастает уровень шумов, связанный с дифракцией излучения на микронеровностях кромок визуализирующих диафрагм. Возрастает критичность настройки прибора к неконтролируемым смещениям оптических элементов, что в некоторых случаях делает неэффективным или вообще невозможным использование стандартных схем.

• Существуют проблемы при реализации интерференционных методов с амплитудным делением пучков на крупных установках. Это связано с использованием одного источника света для формирования предметной и опорной волн. При этом необходимо обеспечить прохождение опорной волны без искажений к области ее суперпозиции с предметной волной. В результате, несмотря на эффективность, оптическая интерферометрия используется достаточно редко.

Перечисленные факторы подтверждают актуальность, работ по развитию теневых и интерференционных методов исследования газовых потоков.

Цель и основные задачи работы.

—-Целью работьТявлялось развитие теневых и интерференционных методов в плане увеличения рабочего диапазона, чувствительности, информативности и расширения возможностей их реализации на аэрофизических установках.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Развитие теневых и интерференционных методов для исследования потоков с малыми градиентами плотности.

2. Расширение возможностей использования двухлучевой интерферометрии на крупномасштабных установках.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности предлагаемых подходов.

Научная новизна работы заключается в том, что.

1. Предложен и апробирован теневой метод визуализации потоков с использованием адаптивных визуализирующих транспарантов (АВТ).

2. Развит способ обработки интерферограмм, основанный на вычитании интерференционных изображений, разнесенных во времени, обладающий более высокой чувствительностью по сравнению с традиционным подходом. Метод успешно применен для исследования влияния МГД эффекта на положение скачков уплотнения при гиперзвуковом обтекании плоских клиньев.

3. Дано теоретическое обоснование и впервые в мире реализован метод двухлучевой интерферометрии с формированием опорного пучка от отдельного источника света для диагностики газовых потоков.

Практическая ценность результатов.

• Применение в теневых приборах адаптивных визуализирующих транспарантов (АВТ) упрощает настройку оптической схемы и позволяет визуализировать особенности чистых, однородных по составу газовых потоков, характеризующихся малыми изменениями плотности Ар<10″ -ратм, когда применение стандартных методик неэффективно. Позволяет визуализировать относительно слабые возмущения на фоне более сильных по всему полю изображения. Разработана ABT приставка к теневым приборам и изготовлено более 10 ее экземпляров, которыеиспользуются в ИТПМСОТАН, в Сиб. НЙА, НГУ, ИЛФ СО РАН при исследованиях досверхи гиперзвуковых газовых потоков.

• Алгоритм обработки интерферометрических данных на основе вычитания двух интерферограмм разнесенных во времени позволяет регистрировать сдвиг интерференционных полос АN ~ 2 / пК, где К — количество градаций серости регистрирующего устройства. Для современных телекамер AN может составлять л менее 10″ полосы. Данный подход наряду с использованием АВТ метода позволил надежно зафиксировать влияние магнитогидродинамического (МГД) эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения при обтекании клиньев. Особенности используемой в исследованиях установки не позволяли получить необходимые результаты иными методами кроме оптических.

• Метод регистрации интерферограмм с формированием опорной волны от отдельного источника света расширяет возможности использования интерференционных методов в аэрофизическом эксперименте, и позволяет регистрировать интерферограммы классического типа практически на любой установке, оснащенной теневым прибором. Может использоваться для исследования объектов с характерными размерами вдоль распространения излучения в десятки и сотни метров. Это позволяет использовать методы оптической интерферометрии, например, для исследования возмущений в протяженных слоях атмосферы, что практически невозможно с использованием стандартных схем.

Основные защищаемые положения.

Модификация теневого метода с использованием в качестве визуализирующего элемента адаптивного визуализирующего транспаранта. Основные соотношения для описания степени почернения АВТ под действием излучения и механизма визуализации.

Метод обработки интерферограмм, основанный на вычитании двух изображений зафиксированных до и после включения исследуемого процесса. Результаты применения метода для исследования влияния магнитогидродинамического эффекта на положение присоединенных скачков уплотнения при обтекании плоских клиньев.—————;

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.

Результаты экспериментов по исследованию газовых потоков в аэродинамических трубах, при дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах обтекания, подтверждающие работоспособность и эффективность рассматриваемых методов.

Апробация основных результатов.

Основные результаты работы представлены в 22 публикациях, в том числе, в учебном пособии, в журналах и в сборниках статей, в материалах и трудах научных конференций [11,12,18,21,23−25,32−41,45,46,48−50]. Результаты докладывались на семинарах ИТПМСОРАН, Сиб. НИА, ЦАГИ, а также на: XII -5- XIV Межд. конф. по методам аэрофизических исследований (Новосибирск 2004, 2007, 2008) — 12 International Symposium on the Flow Visualization (Goettingen, Germany, 2006) — VII, IX. Межд. научно-технических конф. «Оптические методы исследования потоков» (Москва 2003, 2007) — XXI Всерос. семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (г.- Новосибирск 2007 г.) — Fifteenth International Conference on MHD Energy Conversion and Sixth International Workshop on Magnetoplasma Aerodynamics 2005; VIII Межд. конф. Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул (Томск, 2007) — XIII International Symposium Atmospheric and ocean optics. Atmospheric physics. (Tomsk, Russia, 2006) — 2nd European Conference for Aero-Space Sciences (Belgium, Brussels, 2007) — 7-ом Межд. Совещании по Магнитоплазменной Аэродинамике (ИВТ РАН, 2007) — XIX сессии Российского акустического общества (Н. Новгород, 2007) и др.

Структура работы.

——Объем-диссертации составляет" 129~страниц, в том числе 52 иллюстрации, 3 таблицы, и список цитируемой литературы из 117 наименований.

Ниже во введении дан краткий обзор оптических методов исследования газовых потоков. Рассматриваются физические основы теневых и интерференционных методов и некоторые особенности их использования в аэрофизическом эксперименте. Приводятся краткие характеристики аэрофизических установок, источников света и фотоприемников (телекамер) используемых в работе.

В главе 1 рассматривается способ увеличения чувствительности теневых методов расширяющий возможности их применения для исследования потоков, характеризующихся малыми изменениями плотности. В основе подхода лежит использование адаптивных визуализирующих транспарантов (АВТ) на основе фототропных материалов, позволяющих не только увеличить чувствительность, но и расширить динамический диапазон метода. Приводится теоретическое и экспериментальное обоснование метода и даны рекомендации по оптимизации параметров адаптивных визуализирующих транспарантов.

Глава 2 посвящена примерам визуализации газовых потоков с применением АВТ метода при различных режимах обтекания на установках ИТПМ СО РАН. Приведены результаты экспериментов по визуализации возмущений от импульсно-периодического оптического разряда. Описана созданная на базе АВТ оптическая приставка к теневым приборам.

В главе 3 даны общие соотношения для интерференции оптических волн, необходимые при описании методов оптической интерферометрии. Рассматривается способ увеличения чувствительности интерференционных методов для исследования потоков характеризующихся малыми изменениями плотности, основанный на вычитании интерференционных изображений, разнесенных во времени. Приведены экспериментальные результаты, подтверждающие работоспособность и перспективность данного подхода на примере исследования влияния МГД-эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения.

В главе 4 дается теоретическое и экспериментальное обоснование метода. регистрацииинтерферограмм" фазовьпГобъёктовТ^ формированием опорного пучка от независимого источника света. Простота реализации предлагаемой схемы дает возможность использовать методы оптической интерферометрии практически на любой установке, оснащенной обычным теневым прибором.

В выводах изложены основные результаты работы.

Личный вклад автора заключается в активном участии в конструкторской разработке оптического и электронного оборудования, необходимого для реализации на аэродинамических установках, представленных в диссертации оптических методов. Непосредственно автором получены основные соотношения описывающие работу АВТ метода, а также теоретические и численные результаты, обосновывающие возможность регистрации интерферограмм с формированием опорной волны от отдельного источника света. Автор принимал непосредственное участие в тестовых экспериментах по отработке рассматриваемых методик, в аэрофизических экспериментах с их применением, а также в интерпретации и обобщении полученных экспериментальных данных.

Автор выражает глубокую благодарность всем соавторам своих работ принимавших участие' не только в постановке экспериментов, обсуждении и интерпретации экспериментальных данных, но и в реализации оптических схем на конкретных установках и проведении тестовых и методических испытаний. Особую признательность автор выражает научным руководителям работы д. ф.- м. н. В. М. Бойко и к. ф.- м. н. А. А. Павлову.

выводы В результате проделанной работы разработаны новые подходы, расширяющие возможности использования теневых и интерференционных методов в аэрофизическом эксперименте и позволяющие получать экспериментальные данные недоступные при использовании известных схем. В частности:

1. Разработан теневой метод с использованием в качестве визуализирующего элемента тонкого слоя фототропного вещества — АВТ. Получены соотношения для описания механизма визуализации. Метод, как минимум на 2 порядка, обладает более высокой чувствительностью по сравнению со стандартными схемами. Впервые позволил визуализировать дозвуковые потоки с характерными скоростями V< м/с. Адаптивные свойства АВТ позволяют использовать метод при неконтролируемом смещении оптических элементов и визуализировать слабые возмущения на фоне сильных градиентов плотности. При исследовании оптического разряда позволил подтвердить критерии объединения ударных волн и исследовать эффект выноса газа из зоны неподвижного ОПР.

2. Разработан метод обработки интерферограмм, позволяющий регистрировать сдвиг интерференционных полос AN ~ 1 / %К, где К — количество градаций серости фотоприемника, что недостижимо с использованием стандартных методов обработки. Метод позволил зафиксировать влияние МГД эффекта на положение присоединенного скачка уплотнения при обтекании плоских клиньев гиперзвуковым потоком (М— 8). Результаты оптических измерений отклонения скачка хорошо согласуются с результатами численных расчетов.

3. Предложен новый способ регистрации интерферограмм с формированием опорной волны от отдельного источника света. Получены основные соотношения для ожидаемого контраста интерферограмм. Экспериментально докаУ зана работоспособность и перспективность способа. Простота реализации позволяет использовать способ практически на любой установке, оснащенной теневым прибором, и исследовать газовые неоднородности с характерными размерами вдоль распространения излучения до нескольких десятков метров, что практически невозможно с применением стандартных схем.