Исследование применения жидких фотохромных материалов к изучению различных течений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИХО- ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

^^® ОН На правах рукописи

ФИЛИН Евгении Михаилович

• УДК 532574.8

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ХИДКИХ ФОТОХРОМНЫХ МАТЕРИАЛОВ К ИЗУЧЕНЬЮ РАЗЛИТЫХ ТЕЧЕН^! (01.04.17 - пазгческая фззаво, в тоа числе фзшка горения п взравв)

АВТОРЕФЕРАТ "

диссертации на соискание ученой степени кандидата еизихо- млтематумхких наук

Москва 1994

' Работ» ишолиена в Институте проблем махашош (DM РАН).

Наупшй руководитель: кандидат фгавхр- матемаппеаях наук,

старюв научны! сотрудиик В.Н.Вречко

Официальные ошокенпп доктор Сизнхо- математических варе кандидат фшзяко- математических наук

Ведуцая организация! Гос. ШШ Синтезбелок

Защита диссертации состоится "_"_1994 г. в_часов

на заседании специализированного Совета К 063.91.06 в Щ по адресу: 141700, Мрсковская область, г. Доагсорудныв, Институтский переулок, дом 9.

С диссертац. Л можно ознакоматься в библиотеке VSfJSL.

Автореферат разослан "_"_1994 г.

Учены® секретарь специализированного Совета

кандидат физико- математических наук В. В. Ков тун

А.Н.Судармш О.П.Строхач

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. В настоящее время в экспериментальной гидродинамике существует множество методов определения поля скоростей и сдвиговых напряжений в жидкостных течениях. Методы утл различается по принципу действия, по требованиям, который они удовлетворяют. При выборе подходящего для исследований метода основное значение оказывает требования к эксперименту, предъявляемые постановкой задячи.

Больше развитие получил метод, основанный на растворении в вссягдуеиам потоке специальных веществ - фотохромов, обладавших свойством обратимо ме.чять окраску при УФ облучении. Изначально не окракечнвя форма вещества А под действием УФ излучения переходит в окрашенную форму В. Обратный переход происходит благодаря либо тепловой анергии молекул, либо под действием видимого света (си, фаг Л). Фотсхромнвя визуализация (ФХВ) является бесконтактный методом для исследования ламинарных течений пидкости. Ыетод ФХВ позволяет получать одновременно мгновенные профили скоростей как в од:гая, так и в нескольких сеченшгс, сдвиговые напряжения, размера в формы зон, различащяхед по характеру течения (струйные, вихре ваз, отрывные течения).

Критический анализ имещигся по дзтюЗ тематике нау«кнх работ показывает, что область применения и воакекостп кетода фотохромной визуализации могут быть существенно рзезшречы за счет получения новых растворов фотохромннт веществ, называемых гадкими фотохромга/ки материалами, обладягдих свойствами, предъявляемый! к ивы при проведении эксперименте. '

Цели диссер гачионной работы состояли в

- исследовании свойств различных новых жвдшх фотохромии материалов, которые можно применять в методе фотохромной визуализация;

- исследовании применимости изученных фотохронних материалов в различных задачах гндродзнанэкя такт, как егбрацзояквя конвекцзя, нестационарное течение в трубе с препятствиям в виде круглой жесткой дзафряпш, нестш^онартюз тсчепзе через соде ль клапана золотникового типа;

- рассмотрении воаииаюста ссздатая а епробырш новых а также уссверяенствавании сугрствущк методик визуализации течений

жидкостей на основании новых полученных данных о свойствах жидких фотохромных материалов;

- создают стенда, реализующего нестационарное течение;

Требования, предъявляете к фотохрс_нын катера ахай:

- фатохрошые материалы дсшсны Сыть достаточно чувствительны к УФ излучении в давать как можно больного оптическую плотность (нв менее 0,8) при возможно меньшей онергии активирующего излучения (не более 0,5 Дх) ке меняя реологии течения;

4 - окрашенная форма В, при прекращении активирующего излучения, должна сохранять достаточную для наблюдения а регистрации оптическую плотность в течение как можно большего времени на протяжении проведения эксперимента, пока окрашенная метка не вышла из власти наблюдения;

- активироьаннзя форма В не должна воспринимать УФ излучение;

- фотоактивацтя в обесцвечивание фотохроиного материала под действс2ц ьлектромагнитного изпучения должно проходить за время, пока не произошла деформация метки (не больше 0,01 с), движущейся с потоком, для того, чтобы позволять создавать прерывистую метку;

- фотохромчый материал должен образовывать композицию cueca с вязким веществом (например композицию водао- глицериковой смеси) не теряя при гтом свойства создавать окрашенную метку;

- фотохромный материал не должен терять своей способности окрашиваться га протяжении врегеки проведения экспериментальных работ (порядка нескольких суток);

фотохромнзе материалы ке должны быть токсичными, ^взрывоопасными, химически активными;

- цвет окрашенной формы должен быть удобен для кино- фото-видеорегистрацки (в данной работе предпочтение отдавалось красному цвету, так как регистрация производилась на кинопленку "Ыикрят £00", не чувствительную к красному свету).

Научная новизна.

В результате исследований изучены свойства пяти фотохромных веществ и предложены фотохронике материалы на их основе, обладающие свойствами, позволяющими расширить область применения метода фотохромной визуализации;

Предложена новая методика фотсактивации с помощью источника непрерывного излучения махов мощности;

Для различных ламиварви, течений построены профили скоростей, определены, размеры я формы зов вихревых, струйных, отрывных и др. течений в их изменение со временем.

Практическая значимость.

Получены новые жидкие фотохромные материала, которые могут быть применены в методе фотохромной визуализации. Полученные результаты могут быть использованы в таких областях, как космическое материаловедение при исследовании влияния вибрации на процесс роста кристалла, медицинская диагностика при опредалении течения в крушит, кровеносных сосудах, подверженных стенозу (образованию наростов на стенках сосудов), в технике при проектировании и расчете различных элементов гидросистем, (например отсечного клапана золотникового типа) а также при исследовании таких задач гидродинамики, как обтекание различных тел, тепловая в вибрационная конвекция и т.п.

Осноеньс защищаемые положения:

С применением растворов ивдолиновых сгшропиранов (см. фиг.З) цсает Сыть используема методика непрерывной фотоактивации ходких фотохромных материалов при изучении течений жидкости с помощь» метсда фотохромной визуализации;

Применение жидкого фотохромного материала на основе ивдолинового спиробензопирана (см. фиг.4) позволяет использовать методику создания в фотохромном растворе прерывистой метки;

Применение ивдолинового спнрооксазина (см. фиг.5) позволяет создавать жидкий фотохромный материал с большим ресурсом работы;

Применение реополиглхжина в качестве компонента в фотохроином водном мицеллярном растворе увеличивает время его жизни;

Метод фотохромной визуализации позволяет эффективно изучать такие течения, как вибрационная конвекция, нестационарное ламинарное течение жидкости в трубе с препятствием и через клапан золотникового типа. Предметом изучения являются мгновенное поле скоростей, и его изменение со временем.

Апробация работы. Результаты работы докладывались: деявды ка Конференциях молодых ученых Московского физико-технического института х были опубликованы в Трудах 14ой кон&. молод, ученых МФТИ в марте- апреле 1989; на Сессия жидки кристаллов в Лондоне в апреле 1992 года были представлены тезисы

в

доклада СLiquid Crystals Session, "Optical Methods and Data Processing for Heat and Fluid Flow" on 2-3 April 1892 at City University. Londoni.

Обьем и струкрура работы Диссертация состоит ив введения, пятя глав и заклочения. Изложена на страницах

машинописного текста, содержит: рисунков - , таблиц - ■ список цитируемой литературы (наименований - ).

Публикации. По материалам, представленным в рвботе опубликовано четыре статья.

СОДЕРХАКИЕ РАБОТЫ

Метод «ютохромнои Виз у а.лиз алии. Принцип метода заключается в применении специальных веществ -фотохромов, обратимо изменипщх свою окраску под воздействием излучения определенной дшны волны (см. фш-.I). При облучении электромагнитным излучением частоты vt первоначально не активированная форма фотохрсмкого / вещества А переходит в активированную форму В, отличающуюся от исходной спектром поглощения. Обратная реакция проходит . под действием электромагнитного излучения определенного диапазона частот либо спонтанно, под действием тепловой энергии КТ. Концентращя фотохромного компонента достаточно мала в не влияет на реологии течения. Регистрируется перемещение жидкой окраиенной метки в потоке.

На основании проведенного анализа обзора литературы, посвявеннов мете—у фотохромией визуализации, можно сделать следующие вывода:

Метод ФХВ является невозмуцашцей поток методикой ооределения поля скоростей ci-oj;

Наиболее аффективным метод сказался при исследовании таких областей течения, как застойные зови, вихревые образования, струйные и отрывные течения, течеше в пограничном слое ti.*-ei;

Время хнзка окраоеннх меток в органических растворителях не превышало нескольких секунд (3 ыкс для ДНБП и 8 с для 1ШНБПС) а дяикз метки не превышала 30 мм при энергии активирующего излучения в шюульсе 0,01 Ди t4—0}.

К недостаткам метода следует отнести то, что - количественные данные не являются достаточно точными;

о

- метод труден в использовании при исследований турбулентных течений, течений газов, мелхомасдтабных течений (ограничение связано с ншпков фотогрсмной метки, порядка 0,1 мм);

- сосуда, в которых находятся исследуемые образцы, долхнн быть прозрачны дхя видимого а УФ излучения;

- получение фотохромией метки с достаточной дхя успешной кино- вадеорегисфации оптической плотностью требует внсоми уровней энергии активпрущего излучения с 4-ei;

- для получения жидкого фотохромного материала в качестве растворителя обычно используется этиловый спирт, керосин, что делает эксперимент небезопасным ci-з];

- фотохронике водные шцедяярные раствори м-вз имеет ограниченный ресурс работы.

Фотсхрэмная реакция протекает по механизму: фстохишческая реакция,

индуцируемая светом с _

Созданеше А длиной волны х. ' Соединение В

поглощает свет поглощает свет

в области х фотохимическая реакция, в области \г

индуццруеивя светом с длиной волны кг, или термическая реакция

Время срабатывании фотохрошмх растворов ограничено длительностью фотохиигчеслах превращений, которая для болкшнетва фотохрошшх соединений состЕвляет IU"la-IQ"7 с C7i. Использование импульсного УФ лазерного излучения позволяло за время лазерного импульса t4-ei создавать окрашеннув линейную ьидкув метку длиной до 30 си (сы. Сиг.Г) и регистрировать ее с поыощыэ кино-впдеоаппаратуры. На фхггре i схематически изобрагена:

о) Непрерывная метка, созданная излучением импульсного УФ лазера с частотой v ;

б) Прерывистая iranta. Чтобы создать прерывистую летку, необходимо сначала с поиощьп активяруптего излучения с частотой и создать непрерывную метку, а затеа с шккзщью дезактивирующего расщепленного излучения с частотой vz обесцветить ее в нескольких точках (BpeiLi создания и дезактивации ограничено длительностью лазерного импульса). Прерывистая метка нужна для более точного определения поперечной компоненты скорости.

Воздействие излучения второй гармоники рубинового лазера с\=347ню на фотохромные растворы приводит к перепаду оптической

плотности до= 0,9 при экспозиции нд= 9 кДх/м* за время импульса I4-в). Для получения цветовой метки длиной 5 см и поперечным диаметром 2-4 мм, необходимая энергия УФ излучения на длине волны х = 347 нм составляет 0,09 Дк. Дня получения таких уровней анергии в импульсе на длине волны \ = 347 нм наиболее целесообразно использовать твердотельные лазеры на рубине с управляемой генерацией. Весьма удобными являются лазеры Г0С-301 и Г0Р-100. Энергия излучения с длиной волны хо = 694 нм составляет 0,6-0,7 Дж £4-0]. Для преобразования во вторую гармонику ех=347кю использован нелинейный кристалл КДЛ. Коэффициент преобразования во вторую гармонику составляет 2С-40Я! с 4-в]. Лазеры Г0С-30Г и ГОР-ЮО позволяли получать импульсное излучение с длиной волны х=347нм, длительностью 0,8x10 "с и энергией в импульсе 0,32 Дк ¿¿-ез.

Экспериментальная установка изобретена на фиг.2, где 1,2 -рубиновые лазеры с преобразователями гармоник; 3,5 - кварцевые призмы; 4 - сечение гидроканал;;; 6 - осветитель; 7 - тепловой фильтр; 8 - матовый рассеивающий экран; 9 - самописец; 10 -генератор импульсов; II - источгшк временных сдвигов; 12 - пульт управления; 13 - цилиндрические кварцеьые линзы; 14,15,16 -фотодаоды; 17 - кинокамера.

Исследование свойств фотохромных материалов.

Исследовались свойства различных Еещесгв и материалов, созданных ня их основе, которые могут быть прешенет« при использовании методо ИВ.

Соединение I) 1Ц- СН3, В4- (см. фиг.З);

'Соединение 2) бензольное кольцо, ОСИд, Ид- (см. фиг.З);

Сседпнение 3) 1Ц- СН3, Ед- К02, Вд- 1ГО2 (см. фиг.З);

Соединение 4) (см. фиг.4);

Соединение 5) (см. фиг.5).

Из соединений 1-5 приготавливались видкие фотохромные материалы .с использованием ацетона, керосина, этилового гпирта, толуола и циклогексана в качестве органических растворителей.

Исследовались свойства фотохромных материалов, приготовленных с использованием глицерина. При увеличении кинематической вязкости фотохромных материалов до 1,6 смг/с, они становились непрозрачными для видимого света. Дальнейшее увеличение вязкости раствора

приводило к его расслоению.

Исследовалось воздействие УФ излучения на материалы, приготовленные из соединений 1-5. Спектры поглощения активированных форм зависят не только от заместителей, введении* в положения радикалов, но и от природы растворителя. Для соединений 1-5 спектры поглощения исходных форы при однофотоннои окрашивании находились в УФ диапазоне, а окраска получаемой метки показана в таблице I:

Вещество Спирт Дистиллированная вода Толуол Технические' масла

Соед. I малиновая малиновая синяя с:шяя

Сое д. 2 фиолетовая Слолетовая

Соед. 3 малиновая малиновая синяя

Соед. 4 малиновая малиновая синяя

Соед. 5 калиновая малиновия синяя

Время хизни фотохроышх окрашенных меток в гадких фотохроышх материалах на основе соединений 1-3 составляло 300 с. Наибольшая оптическая плотность была у соединения I.

Обратная реакция под воздействием излучения второй гармоники лазера на стекле с примесью неодима с х=53Они у соединения 4 проходила наиболее эффективно, поэтоцу это соединение рекомендуется для создания прерывистой метки.

Соединение 5 позволяло создавать жидкие фотохрошше материала с большим ресурсом работы, т.е. фотохрошшй раствор не терял способности к окрашиванию при его длительном использовании. В спиртовом и водном мицеллярном растворах время жизни фотоактлвизюванной формы было I с, я в толуоле около 60 с.

При введении лазерного луча в фогохроишй раствор через свободную поверхность, наблдт'алс.. эффект Марангони, связанный с нагреванием раствора вследствие поглощения излучения. Для изучения эффекта Марангони с помощью метода фотохромной визуализации необходимо подобрать такое фотохроыное вещество, активированная форма которого не поглощает УФ излучение.

Для приготовления одного литра фотохромного мицеллярного раствора растворяли 24 мг фотохромного вещества в 57 мл ацетона и

6,8 I фелоксоле в 100 кг дистиллированная вода* Растворы сяивяяи вместе и перемешивали в течение 30 мив. Затем добавляли оставшуюся веду или композицию водно- глицериновой сие си. Для.. измерения расхода жидкости в нее добавляю« 9 г соли. Добавление в готовый раствор реополиглхкина (5Х от общего объема раствора) увеличивает время жизни раствора.

Применение метода фотолромнои визуализации :< изучению

вибрационной конвекции.

В связи с развитием космической технологии и ростом сложности исследовательских программ на борту орбитальных станций большое внимание уделяется исследованию процессов тепломассообмена, в которых следует учитывать влияние вибрационной конвекции.

Вибрационная конвекция возникает при наличии контакта жидкости с вибрирующий твердим телои. Исследовалось течение, создаваемое вибрирующими цилиндрическими телами круглого сечения о диаметрами 0,8; 1,6 и 2,5 см в кюветах с размерами 5x5x6 см3 в 10x2x4 см9. Частота вибраций находилась в пределах от 40 до 80 Гц, амплитуда колебаний твердого тела в пределах от 0,01 до 0,1 см. Вибрирующее тело приводилось в соприкосновение своей нижней кромкой со свободной поверхностью жидкости.

Была разработана методика непрерывной активации фотохромного раствора с помощью' УФ излучения лазера на азоте с длиной волны х=337нм, которая заключалась в том, что для наблюдения течения фотохромный раствор непрерывно облучался с помощью маломощного источника УФ и? лучения. Эта методика позволяла создавать локализованную в налом объеме (длина метки меньше I см) окрашенную метку, которая сносилась течением и ограничивала области, различающиеся по характеру течения (вихри, застойные зоны и т.п.).

Для построения профилей скоростей применялись каналы фотоактивации на основе импульсных рубиновых лазеров Г0Р-100 и Г0С-301 с х--&47нм. Фотоактивация производилась с двух противоположных боковых стенок кюветы.

На Фиг.6 схематически изображена структура течения в куОи'.скоы объеме в кювете 5x5x5 см3, наблюдаемая с помощью методики непрерывной активации. Слева показано перемещение метки а справа дана интерпретация результатов наблюдений. Виден вихрь; на который метка I наматывается по спирали. Внутри вихря можно

ю

выделить две зоны 2 и 3, по тому принципу, что в зону 2 окрашенная жидкость не проникает 38 время, много большее характерного периода вранная вихря. Впоследствии метка расплывается в пятно, ограниченное линиями 4, что позволяет определять размеры и форму вихря 3 а тагасе центр вращения вихря 2. Метка, вращаясь в плоскости рисунка, имеет еще одну составляющую двотгения вокруг осп симметрии кпветы. Вихрь имеет форму тора. Внутри этого гора могло выделить область 5, в которую окрашенная метка долго не попадает. Из области 5 поток *шдкости поднимается вверх и разбивается, поворачивая в горизонтальном направлении от оси симметрии кюветы. В этом месте линейная скорость течения максимальна, что объясняется близостью крошен вибрирующего тела. Дойдя до боковой поверхности падкость устремляется вниз, вдоль границы вихря 3. У нижней части вихря 3 видно пристеночное течение, направленное вниз. При наблюдении за окрашенной областьо котлго выявить область 8, где образуются вихри, обльсть 9 неустановившегося течения п застойную область 10.

Для определения точности результатов, получаемых при фотоантивации с помощью импульсного лазерного излучения бши проведена съемка движения линейной фотохромной метки в кдвете, созданной тзм после того, как яидкость в кювете вызерггаалась в состоянии покоя в течение 20 гак. Скорость перемещения метки в покоящейся гадкости била в пределах 0,05 си/с.

На ter.7 а),б),в) иоказаны профили скоростей в кубической кювете на разных глубинах, амплитуды колебаний 0,01; 0,12 и 0,005 см соответственно. Частоты колебаний были 40; 57 и 80 Гц "соответственно. В отличие от профиля скоростей на фаг.7 б), профили скоростей на фяг.7 а),в) имеют пологие формы и полона друг на друга. В середине кпветы имеется большая область, обозначенная цифрой S на фиг.б. Торообразные вихри больше в размерах и расположен?! О лихе к стенкам кювета для течения, соответствующего фаг.7 б). На фаг.7 б) видно, что линейные скорости течения уменьшаются при увеличении глубины погругеннл.

Этот график дает информацию только о вертикальной компоненте скорости. График строился с учетом структуры течения, вкявлешгой с псмощьв методики непрерывной фотоактпвации.

В кубической кювете вихрь касался стенки сосуда. Для того,

il

чтобы увидеть движение вихря в отрыве от стенки, использовалась длинная узкая кювета с размерами 10x2x4 сы* <фиг.8). Производилась непрерывная фотоактивация через свободную поверхность жидкости. Линия I показывает форму метки, которая растягивается влево и одновременно закручивается, обозначая вихревую область. На конце кидкой .пинии виден зигзагообразный изгиб, объясняыцийся конечными размерами первоначальной фотохромной метки. Линии 2 показывают границы областей, в которые окрашенная хидкость не проникает за время, большое по сравнению с. периодом одного оборота. Б областях 3 и 4 видны вихри, вращающиеся в противоположную сторону. В области 5 движения не обнаружено.

Применимость метода фотохромной визуализации к изучению

нестационарного течения в трубе с препятствием.

Течения в трубе с препятствием часто встречаются в инженерной практике и три моделировании биологических систем, тагах как течение крози в крупных кровеносных сосудах.

Был создан гидродинамический стенд (фиг..?), позволяющий реализовывать как нестационарное, так и стационарное течение через исследуемый образец. Цифрами но схеме -обозначены: 1,4 накопительные баки; 2 - дат он; расхсдсмера; 3 - прямоугольная шозета с исследуе;:ыы образцом; 5 - воздушный компрессор, реалиытащй переменное давление; -6 - ррсходоиср и пульт управления; V - гидронасос., реализующий течение с постоянным расходом; 8 - длинная прямая трубка из оргстекла; "9 -соединительные шланги; 10 - датчики давления; II - успокоитель. При создании -нестационарного течения, на постоянный расход, реализуемый гидронасосов, накладывалась переменная компонента за счет давления, подаваемого ш свободную поверхность раствора ® баке 4.

Исследования проводились в круглой жесткой трубе с "внутренним диаметром 2,5 см. Для проверки отсутствия конвективного движения цветовой метки, вызванного местным нагревом от лазерного излучения, проводили съемку фотоивдуцированных меток в потоке с нулевой скоростью. Анализ полученных денных показал, что за время съемки (пять секунд) движение фотоиндуцированных меток, вызванное локальным нагревом, отсутствовало. Профили скоростей в трубе без препятст ия, с числом Рейнольдса, взятым по внутреннему диаметру

трубы, рзвмв! IOOO, была пуазейлевскиш, что доказывало приемлемость выбранной методики для изучения возмущений, взгосншх препятствием в ламинарный поток. Начиная со значений числа Рейнольдса 2400 течение становилось неустойчивым. Это объясняется несоверленствои гидродинамического стенда (возиушезшямп, вносишдга в поток гидронасосом, згедостаточной длиной труби из оргстекла), но в выбранной решзме течение было ламинарный на протяжении всего эзссперизлента. Об этой свидетельствуют Форш регистрируемых ФОТОХРОШШХ ОЗфЗШеШШХ цеток.

Внутри труби из оргстекла было установлено препятствие в виде гесткой диафрагмы с центральный круглый отверстгии, коделируагцео наросты, образующиеся на тканях кровеносных сосудов при заболевании атеросклерозов. На фаг.10 схеыатсгческн представлено течение, згаблэдаемое upa постоянном расходе и диацэтре проходного отверстия d = 1,25 си. Цезггрьлыгую область занимало струйное течение I. В области Z течение вихревое. В области 3 наблюдалось отрывное течение, где образовывался вихрь 4, который сносился вниз по потоку. Для создания в потоке линейной метки использовалось два канала активации на основе рубиновых импульсных лазеров с х=347зм. Толщина меток в плоскости съемки менялась от 0,04 до 0,07 см а в вертикальной плоскости, проходящей через ось съемки была постоянной и равнялась 0,4 см. В качестве фотогромного материала использовался водный шцеллярный раствор соединения I, из которого готовили композицию водно- глицериновой смеси с вязкостью 0,03 а//с. Один из каналов фотоактивации позволял перемещать втор! i зге тку относительно первой. Лиши 5 и 6 соответствуют формам фотохрошшх меток, зарегистрированных в различные моменты потле фотоактивации. Линия 6 от пзрвой ив тки на расстоянии около 1,5 D, где d в 2,5 см - внутренний диачетр трубы, изгибается в сторону оси симметрии потока, обозначая вихрь. Этот торообразный вихрь виден также и по частицам окрашенной жидкости, попавшей внутрь него. Вихрь образуется в зоь^ отрыва на расстоянии около i d от диафрагмы п увеличивается в размерах, сносясь вниз по потоку. Важной характеристикой течения является расстояние от диафрагмы до так называемой точки присоединения, в которой внутренняя граница области 2 подходит к стенке трубы. В да-иом случае эта точка находится на расстоянии около 2 d от диафрагмы. Течение не

является установившийся, т.к. границы области 3 претерпевают периодическое волнообразное изменение, видимое из формы фотохронной метки, и точка npi. соединения колеблется около некоторого среднего значения.

На jar.II показаны профили скоростей на расстоянии I d от диафрагмы при одинаковых расходах, но разныг диаметрах проходного отверстия. Для профилей I; 2 и 3 диаметры проходного сечения равны соответственно 1,8; 1,25 и 0,8 си. Из графиков видно, что при уменьшении диаметра проходного сечения пиковые скорости резко возрастают для его значений меньших половины внутреннего диаметра трубы, а для диаметра проходного сечения приблизительно равного трем четвертым от внутреннего диаметра трубы, профиль близок к пуазейлевскоиу. Точка присоединения для течения, соответствующего профилю I находится приблизительно на расстоянии 0,5 d от диафрагмы, а зона отрывных течений не наблюдалась. Для течения, соответствующего кривой 3 точка присоединения была вне области наблвдения (далее, чем на расстоянии 4 d), а область отрывных течений и образование торообразного вихря наблюдалось отчетливо.

Исследовалось влияние введения медикаментозных добавок, таких, как альбумин кислородный I0X, гепарин и полиглюкин на свойства фотохромных материалов а на характер течения. Реополиглпшн, увеличивая вязкость растворе, уменьшал пиковые скорости в потоке (см фиг.12), и увеличивал время, в течение которого водные мицеллярные растворы соединений 1-5 не теряли фотохромных свойств. Диаметр проходного сечения для течения, изобракенноного н„ фиг.12 равен 1,25 см, вязкость фотохромного раствора 0,01; 0,0124; 0,014 см*/с.

Исследовалось течение с переменным расходом в трубе с диафрагмой. Амплитуда колебаний была равна удвоенному значению постоянного расхода. Временная развертка переменного расхода была близка к синусоиде. Частота колебаний была равна I Гц.

Возмущения, вносимые в поток диафрагмой с диаметром проходного сечения 1,25 см, показаны на фиг. 13. На расстоянии до I d находится область струйного и возвратного течения. На расстояниях от I d до 4 d появлялась зона отрыва и возникал тороо^разный вихрь. На расстояниях от 4 d до 10 d область возвратного течения заканчивалась и течение по всему диаметру

трубы становилось неустойчивый, однако оставалось ламинарным. На расстояниях свыше 10 о течение вновь становилось устойчивый. В верхней половине фпг.13 схематически показаны типичные формы веток, наблцдеемые в соответствующих зонах.

В репшэ переменного расхода поток становился менее устойчив в интервалы времени, соответствующие уменьшению расхода. Точка присоединения при атом смещалась в направлении к диафрагме. В частя периода, соотвегствувдей увеличению расходз, течение становилось устойчивее. Точка присоединения ' смещалась в направлении от диафрагмы. Видимо, это связано с тем, что замедление поток? создает область пониженного давления сзади быстрого потока и это приводит к неустойчивости течения.

Применение метода фотохромнои визуализации к изучению

течения через клапан тарельчатого типа.

Клапан тарельчатого типа создан по принципу минимизация масс движущихся частей, что позволяет избегать резонанса. Лабораторная модель клапана показана на фаг. 14, где I - корпус, 2 - внутренний канал со стойкой, 3 - втулка, 4 - удерживающая стойка, 5 -пружн: я, 6 - регулировочная гайка, 7 - тарельчатый клапан, 8 -золотник. Внешний поток давил на золотник, пружина сжималась и створки открывались. Регулировочная гайка 6 позволяла изменять усилие поднятия пружины.

Модель тарельчатого клепана устанавливалась в гидродинамическом стенде. Воздушный компрессор подавал переменное давление на свободную поверхность напорного бака (см. фиг.9). Под действием давления жидкость перетекала из первого бака во второй. Изменение уровня жидкости в напорной емкости толкало раствор по соединительным шлангам обратно в первый бак, завершая замкк,тый цикл течения хидкости. Зависимость расхода от времени близка к синусоиде.

При исследовании гидродинамики тарельчатого клапана использовалась композиция смеси вод"огс мицедлярного раствора на основе фотохромного соединения I и глицерина. Вязкость фотохромного материала при комнатной температуре равнялась 0,03 см*/с.

Для подтверждения отсутствия конвективного движения цветовой метки, вызванного местным нагревом от лазерного излучения, проводилось наблюдете за меткой в покоящейся жидкости, которое

покезало, что за две секунда катка из сигцэлзсь. Съемка двизетня фотоиндуцированных меток в потоке проводилась ыгкее двух секунд.

tla $иг.15 изображено течение через клапан в различные момента периода колебаний расхода. В нигней чзстп рисунка цифрвш I п 3 обозначены две формы фотохромной метка, соответствующе реолыгсезу течению а зарегистрированные в разные моменты временя после фотоактивации; цифрами 2 и 4 обозначен предполагаемые траектории дешгенил, построешше основываясь на наблюдениях за перемещением метки.

В начальный момент периода колебаний расхода скорость течения начинает расти (I). Войдя в объем, образованный золотником Е клапаном, метка принимает грибовидную форму, что соответствует началу образования торообразного вихря 5. Пиковая скорость падает, формируется пологий профиль. Поток ударяется в боковую стешу золотника и растекается по нему, вытекая мевду золотником и клапаном в зазор. Образуется торообразнкй Еихрь 5, который смещается, увеличивается в размерах о его граница приобретают треугольную форму, npj истечении в зазор мевду кромками клапане п золотника, поток попадает в вихри 6, которые сносятся по потоку. Приблизительно начиная с момента максимального расхода и вплоть до момента, когда образуется обратное течение в центральной части полости присутствует торообразный вихрь 5. Как только створка начинают закрываться, происходит отток падкости через внутренний канал. Наличие вихревых образований в полости клапана сохраняется. Таким образом, при течении через клапан образуется несколько крупных вихрей, мьыапцих истечению.

Выводы.

1. Изготовлены новые жидкие фотохромные материалы, обладающие свойствами, пригодными для изучения различных течений с помощью метода фотохромной визуализации.

2. Исследование созданных фотохромнмх материалов на основе различных фотохромных веществ позволило получить рекомендации по использованию жидких фотохромных материалов при исследовании различных течений жидкости с помощью метода фотохромной визуализации.

3. Усовершенствована установка для применения метода фотохромной визуализации при изучении течений в проточном

гидродинамическом стенде.

4. Разработана новая методика исследования течения с поиощыз непрерывного облучения фотохро.'люго раствора п предложено фотохромное вещество (см. фяг.З), на основе которого рекомендуется пзготавлгеать ¡падкий фотохронннй иатерпал для использования в атой цетодшсо.

5. Усоверпенствована методика измерения скоростеП п построения ютговешгого поля скоростей с ломсецьа метода фотохро?хноЯ визуализации.

Список РАБОТ. ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССТРТАНИИ;

1. A Mathod for Examination of the Flow Characteristics During Simulation of thi Blood -Flow In Stenosed Vessels, J. Medical

Technology. 1990. Ns. p.з-7, с.Эгулашшя P.M., Хундадзе С.Ш., Юретео В.й., Штенгольдоя Е.Щ., Рязанцевым О.С.

2. Исследование потока, ыоделпрущего течение крови с различными реологичесшгла добавками; В.Н.Юречко, З.Н.Сйизпн; Труди 14ой копф. молод, ученых 'Иоск.фнз.-техн. нн-та, 27 марта- 3 дар. I9S9; Моск. ■физ.-тегн. ин-т. П., 1389.4.; ил. - Бьбляогр. 6 назв. -Рус.- Деп. В ВИНИТИ.

3. Investigation of Hydr odynamics Flow through Plate Type Valve by Means of Photochromlc Visualization Method, J. Fluid Dynamics, N3,

1993, p. 113-117. с Еречпо B.H.

4. Experimental Study of Yibro Convection by Means or Photochromlc Visualization Method. J. Fluid Dynamics. NS, 1993. p.81-87, о

Юречко B.H.

Список литературы к автореферату филина ЕМ.

1. Popovich А, Т., Hummel R. L. A New Method for Non-dlsturblng Turbulent Flow Measurement Very Close to a Wall. - Chem. Eng. Scl. . 1967, v. 22. Nol.

2. Frantlsak F. . Palade de Irebane A.. Smith J.W. . Huiranel R.L. Nondisturbing Tracer Technique for Quantative Measurements In Turbulent Flow. - Ind. Eng. Chem. Fundam. , 1609, v. 8, Nol, p.lfiO-167.

3. Smith J.W. , Hummel R.L. Studies of Fluid Flow by Photography Using a Non-disturbing Light-sensitive Indicator. - J.SMPTE, 1973, v. 82, p. 278-281.

A. Yurechko W. N. . Ryazai.tsev Yu. S. Photochromic Visualization for Investigation of Artificial Haart Valves. Trans. Am. Soc. Artif. Intern. Organs, 1989, XXXV.

S. Yurechko V. N. , Ryazantsev Yu.S. Fluid Motion Investigation by the Photochromic Flow Visualization Technique. Experimental Thermai and Fluid Science, 1091, 4.

a. Yurechko V.N. Photochromic Flow Visualization for the Investigation of Artificial Heart Valves. The International Journal of Artificial Organs, vol.lG. No. 1. 1993. pp. 29-33.

7. В.А.Еерачевский, Г.И.Лашков, В.А.Цехоиский. Фотохрошзм и его применение. Москва, изд. "Химия", 1977.

-А

улу//^

Фиг. 1. Создание фотохромной метки ' аЭ непрерывной, 65 прерывистой.

ЛЁ

7

15

16

17

сшнжюа—

фиг. 2. Экспериментальнаяустановка. 1,2-рубиновые лазеры с преобразователями гармоник; 3,5- кварцевые призмы; 4 -сечениегидроканала; 6-осветитель; 7-тепловойФильтр; 8 - матовый рассеивающий экран; ? - самописец; 10 - генератор импульсов; 11 - источник,временных сдвигов; 12 - пульт управления; 13 -цилиндрическиекварцевыелинзы; 14,15,16-Фотодиоды; 17 - кинокамера.

ас>>Я"'

Фиг. 3. фотохромныл ЦИКЛ ИНДОЛИНОВЫХ СI ! И РО п и рано р.

I

сн,

Фиг. 4. фотохротыициклиндолиновыхсиировемэомиранов.

фиг. Э. 'ФогохронныЛ цикл индолиновых спирооксазинов.

9jo

Фиг. 6. Вибрационная конвекция в кубическом объеме 5x5x3 си!*. 1 - Фотохромия л иэтка; 2,3-торообраэный вихрь; 4 - границы вихря; 5-центральнаяобласть; А -течение возле стенки; 7-место еведенияизлучения; 8-вторичные вихри; 9-нестационарноетечение; Ю - застойная ооласть.

Фиг. 7. ПроФилискороствйвивграционнойконввкциивкубическом объеме. Глубины погружений:-о— 1см;— у— 2см;—л— Зсм. Амплитуды колебаний: а> О, OI см; б> О, 12 см; вЭ О, 003 см.

Фиг. 8. Вибрационная конвекция 0 длинной узкой кювете 10x2x4см3. 1 - фотоуромная метка; 2 - границы вихря; 3 -вторичныйнижнийвихрь; 4-вторичныйвихрьоколостенки; 5-эастойная зона.

фиг. 9. Гидродинамический стенд. 1, 4-накопительные<Заки; 2-датчик рас уо домера; 3 - Прямоугольная кювета с исе ледуемым образцом; 5 - воздушный компрессор; б-расходомермлульт управления; 7 - гидронасос; в - длинная прямая трува; 9 -соединительные шланги; 10 - Датчики давления; Ц -успокоитель потока.

Фиг. Ю. Схема течения в трубе с диафрагмой при постоянном расходе 10 см-*/с, кинематической вязкости 0,01 см2/с, диаметре проходного отверстия0/2 = 1,25 см. Внутренним диаметр трувы0 = 2, 5 см. 1 -струйноетечение; 2-еихревоетечение; 3 - отрывное течение; 4 -вихрь; 5, б-Формы меток в дэухсечениях^с раэнымиврвменами после создания метки.

Фиг. 11. ПроФилмскоростейна расстоянии 1Рза диафрагмой ПР иодинакоеомрасходеЮсм-'/с, но разныхдиаметрах проходного отверстия: 1, в см-кривая1; 1,23 см - кривая 2; О, В см -кривая 3. Кинематическая ВЯЗКостьрастеораО, 01см2/с.

Ю У/0

Уч

СН/С

г

А

0

од

0.е од 1.6 У/р

Фиг. 12. Про«>илискЪростейнарасстоянии* Оза диафрагмой при введении орастворрвополиглюкина. Кинематическая вязкость: О, 01см2/с-кривая1» О, 0124см2/'е-кривая2; О, 014см2/с,-крисая 3. Диаметр проходного отверстия Ь^ = 1,25 см.

ЕИ

•

ф

~ПГ

гор Ш

фиг. 13. Схематечениязадиафрагмойприпеременномрасходе. I - область струйного и вихревого течения; II - овласть отрывных течений; Ш-неустойчивоетечение; 1Уустойчиеое

юиаиио

.14*1* Т Л г. Т 6*

Фиг. 14. Модель клапана тарельчатого типа. 1 - корпус; 2 - внутренний канал со стойкой; 3 - втулка; 4 -удерживаицаястойка; 5-пружина; 6-регулировочнаягайка; 7 - -тарельчатый клапан; В - золотник.

фиг. 15. Схема течения через клапан тарельчатс типа. 1,3 — ♦отохронные метки; 2, 4-траектории движения; Э - вихрь внутри клапана; 6-вихр на истечении иэ клапана.

Ротапринт ЮТИ, гараж 100 экз., заказ N

£4

Рспаприт ГКРГи ¿аК {Но тир 100жЪ