Лазерная диагностика турбулентности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

1 О ФЕ8 1938

СМИРНОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ТУРБУЛЕНТНОСТИ Специальность 01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

ДИТОРР-ФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических ноук

Москва - 1997

Работа выполнена в МОСКОВСКОМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ ИНСТИТУТЕ (ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ) на кафедре физики им. B.Â. Фабриканта

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор A.C. Гиневский доктор физико-математических наук, профессор C.B. Нестеров доктор физико-математических наук, профессор A.A. Павельев

Ведущая организация:

Объединенный институт высоких температур РАН

Защита состоится 19 февраля 1998 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д. 002.87.01 при ИНСТИТУТЕ ПРОБЛЕМ МЕХАНИКИ РАН по адресу. U7526, Москва, пр. Вернадского, 101

С диссертацией можно,ознакомиться в библиотеке Института проблем механики РАН

SUdfipb р Автореферат разослан »-декабря 199$г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

—7-ddii^AÙZZOZ^^--А.И. Меняйло!

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Лазерная диагностика турбулентности представляет собой интенсивно развивающееся научно-техническое направление, связанное с разработкой и применением лазерных измерительных систем для изучения сложнейших стохастических процессов, определяющих широкий круг ключевых физических явлений в гидроаэродинамике, теплофизике, энергетике, химической технологии и ряде других областей. Особая актуальность лазерных бесконтактных прецизионных методов исследования характеристик турбулентного движения жидкости и газа связана с принципиальными трудностями аналитического исследования турбулентности, начало которому было положено еще в прошлом веке. Достоверные экспериментальные данные позволяют замыкать полуэмпирические методики расчета, проверять теоретические модели и углублять представление о турбулентности. Среди методов оптической диагностики потоков приоритетное значение имеет лазерная анемометрия, обладающая наилучшими характеристиками по точности, локальности, быстродействию, возможностью измерения вектора скорости и тензора пространственно-временных корреляций турбулентных пульсаций скорости. Развитие лазерной анемометрии привело к серийному производству за рубежом (фирмами "П5Г и РАМТЕС) широкодиапазонных лазерных измерителей скорости и дисперсности потоков жидкости и газа, концентрирующих в себе новейшие достижения оптического и электронного приборостроения, микропроцессорной техники. Аналогичные приборы созданы и доведены до практического использования в нашей стране. Достижения лазерной анемометрии отражены в ряде отечественных и зарубежных монографий, огромном числе научных статей. Хотя проблема изучения турбулентности лазерными методами затрагивается во многих работах, ее особая актуальность и специфика обусловливают необходимость целенаправленного исследования, посвященного лазерной диагностике турбулентности. Важным направлением такого исследования является изучение и реализация принципиально новых возможностей и подходов, заключенных в лазерных методах диагностики. Значительный интерес в этой связи представляет лазерная спектроскопия турбулентности [1,2]. которую можно рассмагрииать как особое направление в лазерной анемометрии. связанное с непосредственным анализом статистических ха-

рактеристик выходного сигнала фотоэлектрического преобразователя лазерного анемометра. Наряду с разработкой и реализацией метода лазерной спектроскопии в диссертации исследованы общие проблемы лазерной диагностики турбулентности, рассмотрен широкий комплекс современных методов.

Цель работы.

Разработка теории, принципов построения и создание автоматизированных систем лазерной диагностики турбулентности с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, применение их в фундаментальных и прикладных исследованиях турбулентных потоков. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:

- развитие теоретических основ лазерной диагностики турбулентности, включающее исслсдоиинис соотношении между статистическими характеристиками выходных сигналов измерителей и параметрами турбулентного потока, теоретическое обоснование метода лазерной доплеров-ской спектроскопии при измерении локальных и пространственных характеристик векторного турбулентного ноля скорости;

- исследование фундаментальных метрологических ограничений методов лазерной диагностики турбулентных потоков;

- получение лазерными методами новых данных о структуре турбулентных течений, необходимых для построения полуэмпирических моделей расчета турбулентных потоков и модернизации промышленных аппаратов, работа которых связана с гидроаэродинамической турбулентностью.

Методы исследования.

В работе использовались методы механики жидкости и газа, статистической гидродинамики, статистической радиофизики, лазерной оптики и светорассеяния, теория фотоэлектрической регистрации, методы теории информации, теории измерений, компьютерное моделирование и физический эксперимент.

Научная новизна.

Разработана теория лазерной доплеровской спектроскопии турбулентности для трехмерного, нестационарного, неоднородного турбулентного течения с неоднородным распределением рассеивающих частиц, ос-

кованная на введении обобщенных понятий комплексной амплитуды пробного объема и вектора чувствительности лазерного анемометра.

Разработаны и реализованы принципы измерения компонент тензора пространственной корреляции скорости турбулентного потока, основанные на анализе статистических характеристик 4-го и 8-го порядков рассеянного потоком лазерного излучения.

С позиций теории информации исследованы фундаментальные метрологические ограничения лазерной доплеровской и времяпролетной анемометрии. Аналитически, методами компьютерного и физического моделирования исследованы погрешности лазерных методов, связанные с кривизной волновых фронтов гауссовых пучков и флуктуациями оси диаграммы направленности исходного лазерного излучения.

Определена зависимость информативности двухкомпонентных схем измерения турбулентных напряжений от площади эквивалентного треугольника векторов чувствительности в случае двухканальных и трех канальных измерений. Рассчитаны форм-факторы погрешностей. Дан анализ искажений профилей измеряемых параметров турбулентности, связанных с погрешностями юстировки и задания калибровочных констант.

Получены новые данные о характеристиках турбулентных потоков сложной конфигурации, необходимые для построения полуэмпирических моделей турбулентного переноса.

Впервые методом двухточечной лазерной спектроскопии обнаружены и исследованы когерентные турбулентные структуры в вихревом смесителе и в струе жидкости; эффект гашения высокочастотных пульсаций в струе воды при добавлении некоторых полимерных растворов.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

На основе теоретических разработок созданы автоматизированные системы лазерной диагностики турбулентности, которые по ряду показателей превосходят зарубежные аналоги, снижают стоимость проведения исследований. Разработанные автоматизированные системы могут быть использованы для решения широкого круга задач динамики жидкости и газа, энергетики, теплофизики, химической технологии, экологии и других. Методом лазерной доплеровской спектроскопии проведены исследования характеристик турбулентности в потоках неньютоновских жидкостей, в модели гидравлического элемента, в модели флотационной машины, в модели цилиндрического вихревого смесителя, при конден-

сации струи пара в потоке жидкости, и трехпродукгоном гидроциклоне, в хроматографической колонне. Полученные результаты позволили развить физические представления о влиянии турбулентности на эффективность работы исследуемых устройств и дать рекомендации но совершенствованию их конструкции. Разработан прецизионный оптический блок эталонного лазерного расходомера для метрологического обеспечения установок энергетического и нефтегазового комплекса.

На защиту выносятся:

Разработка теории лазерной доплеровской спектроскопии турбулентности. Обоснование используемых на практике аппроксимаций. Создание систем лазерной доплеровской спектроскопии с высокой степенью автоматизации.

Разработка и реализация теоретических принципов измерений пространственных корреляций скорости турбулентного потока, основанных на анализе статистических характеристик 4-го и 8-го порядков рассеянного потоком лазерного излучения.

Анализ фундаментальных пределов точности лазерных методов диагностики потоков, включающий расчеты минимальных дисперсионных матричных фаниц оценок параметров сигналов и характеристик турбулентности.

Результаты измерений турбулентности, имеющие теоретическое и

прикладное значение.

(

Апробация работы.

Результаты работы были представлены на конференциях и семинарах: Использование оптических квантовых генераторов в современной технике, Ленинфад, 1971,1973,1975. Всесоюзная конференция по тепло-и массопереносу, Минск, 1972. Теоретические и прикладные аспекты турбулентных течений, Таллинн, 1976. Методы лазерной доплеровской диагностики в гидроаэродинамике, Минск, 1978. Применения лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике, Москва, 1979. ЛДА и ее применения, Новосибирск, 1980. Экспериментальные методы и аппаратура для диагностики турбулентности, Новосибирск, 1979,1981. Опыт применения лазеров в приборостроении и машиностроении, Ленинград, 1983. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение, Москва, 1984. Всесоюзная конференция но турбулентности, Жда-

нов, 1984. Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента, Таллинн, 1985. Физические методы исследования прозрачных неодно-родностей, Москва, 1977,1983,1986. Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации, Ленинград, 1984; Таллинн, 1987. Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов, Нальчик, 1982; Севастополь, 1985; Гродно, 1988. Лазеры в народном хозяйстве, Москва, 1986,1988, Всесоюзная школа по оптике рассеивающих сред, Минск, 1990. Оптические методы исследования потоков, Новосибирск, 1989.1991,1993; Москва, 1995,1997.

Личный вклад.

Теоретические исследования, разработка принципов измерений и построения систем лазерной диагностики турбулентности, разработка алгоритмического обеспечения систем автоматизации и программных продуктов, а также разработка общей методики исследований осуществлены автором. Компьютерное моделирование, практическая реализация разработанных принципов в действующих установках, разработка систем автоматизации, программного обеспечения и пользовательских интерфейсов, а также измерения проводились в основном сотрудниками кафедры физики МЭИ и частично сотрудниками ИПМ РАН и МИФИ под руководством и при непосредственном участии автора. Работы специального прикладного характера выполнялись совместно с представителями заинтересованных организаций, которые отмечены в автореферате и диссертации.

Публикации.

По результатам проведенных исследований лично и в соавторстве опубликовано 97 работ, в том числе 3 учебных пособия, получено 10 авторских свидетельств на изобретения. Основные публикации представлены в автореферате (1-41].

Структура н объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 218 наименований. По объему работа содержит 258 страниц, включая 68 рисунков и 3 таблицы по тексту.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Определены цели работы, п* амуаньшкп.. научная и практическая значимость решаемых задач.

Глава 1. Лазерная диагностика турбулентности: достижения и перспективы разшпш.

В обзорном аспекте рассмотрены основы лазерной анемометрии, как приоритетного направления в лазерной диагностике турбулентности. Дана общая характеристика метода. Особенное)и обработки сигнала лазерного анемометра при измерении турбулентности проанализированы на основе сравнения лазерной анемометрии с термоанемометрией. Дана классификация методов обработки сигнала лазерного анемометра, основанных на частотной демодуляции и методах непосредственного оценивания. Рассмотрены такие эффекты как фазовый и градиентный шум, статистическое и статистическое угловое смешение оценок при измерении параметров турбулентности и другие.

Дано элементарное представление о лазерной спектроскопии турбулентности, основанное на аналогии доплеровского сигнала лазерного анемометра с частотно модулированным процессом с большим индексом

модуляции ц, который определяется отношением характерного масштаба турбулентного вихря к периоду интерференционного поля в области пересечения зондирующих пучков лазерного анемометра. При р>>1 спектральная плотность доплеровского сигнала подобна плотности вероятности составляющей пульсационной скорости турбулентного потока вдоль векгора чувствительности лазерного анемометра, что позволяет по параметрам спектрального контура определять статистические характеристики турбулентных пульсаций. Уделено внимание истории развития лазерной доплеровской спектроскопии.

На основе анализа журнальных публикаций последних лет дан обзор достижений лазерной диагностики турбулентности, в основном тех. которые не успели найти отражение в известных монографиях и изданиях. Выделены работы по совместным измерениям флуктуаций концентрации и скорости, измерениям, в гетерогенных потоках и в оптически неоднородных средах, измерениям не только эйлеровых, но и лагранже-

вых характеристик турбулентности, измерениям атмосферных и океанических течений, биологических потоков. Представлены оригинальные методики измерений на основе условного осреднения с селективным вводом частиц трассеров, определения средних по ансамблю скоростей в отрывном течении, в моделях цилиндров двигателей внутреннего сгорания и многие другие.

Рассмотрены применения лазерной времяпролетной анемометрии; лазерной анемометрии изображений частиц; методов лазерного светорассеяния и лазерной индуцированной флуоресценции; лазерной дифракционной и рефракционной диагностики; лазерной интерферометрии, го-лофафической интерферометрии, лазерной визуализации. Отмечена перспективность измерений на основе сканирования, голографии и томографии для восстановления трехмерной динамической структуры турбулентного поля, измерений совместных характеристик флуктуаций скорости, плотности и температуры.

Проведенный обзор показывает, что лазерная анемометрия и другие лазерные методы диагностики турбулентных потоков находятся в стадии интенсивного развития и наибольший эффект следует ожидать от комплексных исследований, в которых сочетается глубокое проникновение в физическое содержание изучаемых гидроаэродинамических эффектов с совершенным владением сложной современной техникой автоматизированного лазерного эксперимента.

Глава 2. Расчет основных характеристик лазерного анемометра.

Рассмотрена функциональная схема и основные элементы лазерного анемометра. Приводятся формулы и график для расчета сигнальной частоты Гч при сдвиге частоты зондирующих пучков Г12. интерпретация соотношений на основе эффекта Доплера и простой интерференционной модели формирования сигнала.

Представлена методика расчета характеристик сигнала лазерного анемометра по формулам Ми на персональном компьютере с использованием специально разработанного пакета программ [3]. Даны основные соотношения теории рассеяния света на сферических частицах. Приведены графики индикатрис рассеяния в декартовых и полярных координатах, графики зависимостей дифференциальных и полных сечений от

относительного размера частицы х=2яг/А. и относительного показатели преломления т.

Рассмотрены особенности рассеяния двух пересекающихся под углом а пучков. На рис. ! приведен пример расчета взаимных индикатрис рассеяния двух пучков на одной частице при х=5. т= 1,4 для различных а. Интегрирование этих индикатрис в пределах телесного угла приема рассеянного излучения (ДЧО2 позволяет определить интегральный коэффициент К|2 амплитудно-поляризационно-фазового согласования рассеянных волн и мощность полезного сигнала лазерного анемометра. На рис. 2 для различных х даны примеры расчетов |к|2| при т=1,4. В диссертации также приведены примеры оптимизации оптических схем по углу пересечения пучков, направлению наблюдения и апертуре приемной оптической системы.

Представлена методика расчета основных метрологических характеристик лазерного анемометра, таких как пространственное разрешение, временное и спектральное разрешение, отношение сигнал/шум. Приведены результаты расчета типичных сигналов и энергетического спектра, полученные с помощью программы, разработанной для моделирования сигналов и шумов лазерного анемометра и оформленной в виде пользовательского интерфейса |3]. Программа использует алгоритм быстрого преобразования Фур|>с и позволяет также пыполнять расчеты корреляционной функции сигнала, моделировать процессы фильтрации.

Пространственное разрешение описывается весовой функцией измерительного объема, который в 1сометрическом приближении определяется областью пересечении зондирующих нучкмн и полем цчмшя прием ной оптической системы. Аберрации оптических элементов и погрешности юстировки приводят к размыванию границ поля зрения и уменьшению полезного сигнала. В предельном случае, когда ограничивающим влиянием поля зрения на пробный объем можно пренебречь, осреднен-ный спектр от ансамбля частиц, движущихся с одинаковой скоростью, играющий роль аппаратной функции в спектроскопии турбулентности, сгрого подобен спектрам от отдельных частиц (однородное уширсние). если созданы условия для подавления когерентных составляющих сигнала [4]. Спектральная разрешающая способность, определенная по классическому для оптики критерию Релся, пропорциональна эффективному

числу интерференционных полос в измерительном объеме. Даны количественные оценки для случая гауссовых пучков. Приведены соотношения

для расчета отношения сигнал/шум при пролете единичного трассера, которые используются в главе 4 при оценке погрешностей измерений.

Глава 3. Лазерная доплеровская спектроскопия турбулентности.

Теория метода. На основе введения обобщенных понятий комплексной амплитуды <30(Г) пробного объема, характеризующей распределение амплитуды и фазы сигнала лазерного анемометра в зависимости от

координаты частицы, и вектора чувствительности как средней пространственной частоты пространственной спектральной плотности пробного объема, получено выражение для корреляционной функции сигнала при измерении неоднородного нестационарного трехмерного турбулентного течения с неоднородным распределением концентрации рассеивающих частиц [1]. Из общего выражения для измерений в стационарных и локально однородных турбулентных потоках выведено следующее интегральное уравнение лазерной спектроскопии, связывающее нормированную спектральную плотность сигнала 5>(£}) с эйлеровой трехмерной плотностью вероятности локальной скорости w(й);

Ядро этого уравнения и-1 Н0(П/и) представляет собой проекцию норми-

ной амплитуды пробного объема на направление О. (Пт - сдвиг частот

Полученный результат позволяет, в частности, проанализировать возможность измерения и рамках лазерной спектроскопии различных статистических моментов пульсаций вектора эйлеровой скорости 11 =<О>+ V (<а> - средняя, V- пульсационная составляющие). Для начального момента 1-го порядка, центральных моментов 2-го, 3-го и 4-го порядков распределения спектральной плотности сигнала получено:

рованной пространственной спектральной плотности Н(К) комплекс

зондирующих пучков, К„11 - доплеровский сдвиг частоты).

«I =".» < "1 >.

| 3

> } I 1 к

Й4 = К8 < V? > -^ЕЕК^ц < > +4££2>икК8 < *,и8и}ик > +

1 j I I к

1 ) к I

Здесь Хц, Хук и - моменты распределения Н(К) второго, третьего и четвертого порядков. Индексы ¡о,к принимают значения 1,2,3; 11| - проекция скорости на направление Кх. Видно, что для определения характеристик среднего течения достаточно выполнить три независимых измерения спектра при различной ориентации вектора Кх. Начальный момент а? независимо от формы пробного объема определяется проекцией средней скорости на вектор чувствительности измерителя. Интерпретация моментов высших порядков оказывается более сложной. Второй центральный момент Цг*5 определяется не только интенсивностью пульсаци-онной составляющей V), но зависит при А.у * 0 от режима среднего течения и в той или иной мере от всех девяти компонент тензора турбулентных напряжений, шесть из которых являются независимыми. Вместе с тем видно, что любой момент спектральной плотности сигнала п-го порядка выражается через статистические моменты турбулентного поля различных порядков не выше п, и тем самым составление замкнутой системы уравнений всегда возможно. Обусловленность получаемых систем уравнений и точность решений повышаются, если пробный объем имеет простую форму и обладает определенными свомстмами симметрии. В частности, для осесимметричного пробного объема ^.¡¡-0 при и, перехо-

дя к удобным безразмерным параметрам, для относительного среднего квадрата уширения спектра 52=Ц2У(К52«,,2) получим

52=х 12+612сс*2Р I +022сок2р2+032соя2(Зз+в, 2Х12+е22Х22+9з2Хз2.

где Х12=<у|2->/11о2^ соя(3|=п0,/и(). Параметр 9i имеет смысл ус-

лонного (при условии направленности 0о вдоль ¡-той орты) относительного аппаратного уширения спектра 8(£1). Величина 0| может быть оценена как Л/(А1);, где Л=2я/К<, - средний период распределения гюля в пробном объеме, (Д1)| - характерный линейный размер пробного объема вдоль ¡-той орты, т.е. 1/0; показывает число интерференционных полос,

укладывающихся на масштабе (Д1)|- В потоках с низкой интенсивностью турбулентности, когда х ** 0 « 1. последними тремя слагаемыми можно пренебречь. В потоках с высокой интенсивностью турбулентности, когда

X » 0 « 1. ситуация еще более упрощается, так как можно пренебречь

всеми членами кроме Х!~- В этом распространенном в практических измерениях случае распределение Б(£1) непосредственно подобно плотности вероятности ^(и() с учетом сопряжения аргументов эффектом Доплера.

Проанализированы выражения для 3-го и 4-го центральных моментов спектральной плотности сигнала для частных случаев симметрии пробного объема. В показательном случае нормальной статистики турбулентных пульсаций и сферически симметричного пробного объема для коэффициентов асимметрии и эксцесса спектральной плотности сигнала получено

-6в2х?(ио1 /Ч0)

(х^ + е2 + е2х2)3/2 '

У2"=М4/М22-3=

1202х? + 1204х2 + 604х4 (х2 +о2 +е2х2)2

Эти выражения указывают на смещение опенок коэффициентов асимметрии и эксцесса. Смещение вызвано зависимостью параметров ядра интегрального уравнения от пульсаций скорости турбулентного поля. Вместе с тем, как показывают расчеты, смещение оценок в лазерной спектроскопии не велико и на практике во многих случаях им можно пренебречь. В этой связи в качестве рабочих целесообразно использовать редуцированные соотношения. Редукция полного интегрального уравнения лазерной спектроскопии связана с аппроксимацией ядра этого уравнения выражением ц,"'Нй (Д/ин). в кагором И(> ' Н >. При этом спектральная плотность сигнала выражается одномерным интегралом тина свертки. Среднее значение частоты и^ при такой редукции не меняется.

Формулы для моментов высших порядков значительно упрощаются. Расчеты нормированных кумулянтов спектральной плотности доплеров-ского сигнала для измерений с гауссовым пробпым объемом дают

Таким образом, в рамках применимости редуцированных соотношений метод лазерной спектроскопии может быть использован для оценки отклонений случайного процесса турбулентных пульсаций от нормального закона. Некоторые результаты практических исследований такого рода представлены в [5|.

Дан анализ особенностей измерений и потоках с неоднородным распределением турбулентных параметров по измерительному объему. Рассматривается практически важный пример, когда неоднородность локально нормального турбулентного поля существенна только по координате X} вдоль одной из осей измерительного объема, имеющего гауссову форму с характерными размерами 0|, а2, 03. Специфика состоит в учете изменения не только средней скорости, но и дисперсии скорости 0=<У|?> [2,6]. Разлагая функции и0(хз), П(хз) и и02(хз) в РЯД Тейлора по Х3 в центре пробного объема (хз=0) и ограничиваясь членами разложения до второго порядка включительно, можно получить

а,*=П1П-К>0+(1/8)и0"о,'1. 14

Таким образом, квадратичная нелинейность профиля средней скорости вызывает смещение средней частоты спектра относительно частоты

Йт-К$и0, соответствующей средней скорости потока в центре пробною объема. Неоднородность дисперсии распределения скорости О не оказывает влияния на среднюю частоту спектра. Для второго центрального момента

ц1,=К1200+1102/0|2+(1/8)К%200"о1г+(1/8)(и02),Ча3/о,)2+{1/4)К!12(110,>2о,2.

Второе и третье слагаемые дают смещения, связанные с нелинейностью профилей 0(Х}) и и02Схд). Наиболее существенное значение имеет последнее слагаемое, определяющее градиентное уширение спектра [2].

Проведены расчеты первых четырех моментов спектра доплеров-ского сигнала с сохранением всех составляющих смешения в случае параболических профилей ио(х-0 и 0о(хч) и сильной турбулентности

*,2»0,Д когда аппаратным уширением спектра можно пренебречь. Анализ показывает, что наибольший вклад в асимметрию спектра вносит член (3/4)К,30о'и()'оз2. Эксцесс спектра в первую очередь обусловлен

членом (3/4)К„4(П0,)2о32.

13 главе 3 также рассмотрены эффекты, возникающие при учете возможной неоднородности распределения частиц [7|. Рассмотрена модель с независимыми интервалами следования частиц. Выполнены расчеты искажений аппаратной функции для двух примеров с неоднородным распределением с двумя характерными масштабами и с гауссовым распределением интервалов. Эти примеры показывают, что искажения аппаратной функции оказываются практически существенными только в том случае, если рассеивающая структура имеет ярко выраженные пространственные масштабы, соизмеримые с периодом интерференционной картины в области пересечения зондирующих пучков.

Примеры апробации метода. Несмотря на невысокую степень автоматизации первых установок лазерной спектроскопии на основе панорамных анализаторов спектра и селективных вольтметров с записью спектров автоматическими потенциометрами или самописцами (8-10) выполнен довольно большой объем измерений.

В затопленной струе воды проводились исследования влияния полимерных добавок на характеристики среднего течения и турбулентности [2]. Измерения в полимерных растворах нельзя проводить трубками Пито-и термоанемометрами из-за аномалий в их показаниях и применение лазерной анемометрии и таком случае наиболее эффективно. Получены данные об относительной средней скорости на оси струи и относительном уровне интенсивности продольных пульсаций для воды и обладающего свойствами неньютоновской жидкости полимерного раствора гуа-ровой смолы. Сравнение данных укапывает па меньшую дальнобойность струи полимерного раствора.

Методом лазерной спектроскопии проведены исследования отдельных характеристик турбулентности в модели элемента струйной пневмо-ники кафедры гидравлики МЭИ |11|, в модели флотационной машины по плану измерений, разработанному Институтом обогащения твердых горючих ископаемых и измерения параметров турбулентности в модели пихргпого смесителя, используемого к промышленных установках химической технологии (12]. Лазерная спектроскопия использована для исследования турбулентности при конденсации струй пара в потоке жидкости на установке кафедры теоретических основ теплотехники МЭИ [13J.

Приведен пример исследования гидродинамики хроматографиче-ской колонны - аппарата химической технологии для разделения сложных природных или искусственных смесей на составляющие их компоненты, а также очистки веществ от примесей |14,15|. Эксперименты проводились с хроматофафичсской колонной НИФХИ им. Л. Я. Карпова в МЭИ. Установка, схематически изображенная на рис. 3, состоит из лазера I, делителя 2, зеркала 3, линзы 4, сорбента 5, колонны 6, аэрозольного генератора 7, манометра 8, воздуходувки 9, фотоэлектронного умножителя 10, объектива 11, диафрагмы 12, анализатора спектра 13, генератора 14, частотомера 15, расходомера 16. Результаты измерений показаны на рис. 4 (колонна диаметром 100 мм: а - заполнение частицами Сферохро-ма-1 диаметром 0,4-0,5мм: б - заполнение частицами Сферохрома-1 диаметром 0,5-1,0 мм; в - результаты сглаживания кривой б). Проведенные исследования позволили развить физические, представления о структуре зернистого слоя и уточнить теорию размывания полосы в промышленных хроматографических колоннах;, в уравнения, описывающие это размывание, был добавлен член, учитывающий локальные изменения скорости. Получены рекомендации по способу заполнения колонн и свойствам

сорбента, при которых эти изменения скорости минимальны. На основании этих рекомендаций удалось приготовить колонны, приблизительно в 1,5 раза более эффективные, чем ранее используемые.

Выполнены исследования скоростного поля и поля турбулентных характеристик в трехпродуктовом гидроциклоне в ходе совместной работы с сектором медно-цинковых руд Гинцветмета [16,17]. Экспериментально установлено, что радиальная составляющая вектора полной скорости потока соизмерима по величине с осевой и тангенциальной составляющими скорости; значения радиальной составляющей скорости растут по направлению к оси гидроциклона и изменяются по высоте гидроциклона. Установлено наличие двух замкнутых кольцевых вихрей в цилиндрической части гидроциклона и отсутствие замкнутого кольцевого вихря в конической его части, определены зоны подкрышечного и пристенного потоков (рис. 5) Определены составляющие интенсивностей турбулентных пульсаций (рис. 6) и полная степень турбулентности потока в гидроциклоне. Обнаружен анизотропный характер поля турбулентных пульсаций в большей части рабочего объема гидроциклона с преимущественным развитием тангенциальных Пульсаций скорости. Экспериментально установлено снижение степени турбулентности по всему объему гидроциклона на 5-1096 при увеличении числа Рейнольдса от 3-105 до 6-105.

В практическом и теоретическом плане изучены проблемы измерении в потоках с малой степенью турбулентности 118,19]. Рассмотрена задача восстановления функции плотности вероятности \у(и,) путем решения редуцированного интегрального уравнения лазерной спектроскопии турбулентности, представляющего собой интегральное уравнение Фред-гольма 1-го рода типа свергки. Задача восстановления подынтегральной функции по результатам измерения левой части этого уравнения и известном ядре относится к классу некорректно поставленных задач и требует применения методов регуляризации.

Проведено экспериментальное исследование типа ядра при различной настройке оптической системы Показано, что в оптимальных рабочих режимах ядро является приблизительно гауссовым и для регуляризации можно использовать простейшие стабилизирующие функции (регуляризация по методу А Н. Тихонова) произвольного достаточно высокого порядка. Представлены результаты измерений параметров турбулентности в начальном участке осесимметричной затопленной струи

(рис. 7): U0=5m/c; Re=l5000; x=0;3do (1); x-d„ <2). x=I,6d„ (3), x=3,3d0 (4); dc=3MM) и пример восстановления функции плотности вероятности w(u,) (рис. 8).

Варианты аппаратурной реализации. В качестве процессора сигнала в методе лазерной спектроскопии турбулентности наряду с простейшими системами последовательного анализа с наибольшей эффективностью могут быть использованы устройства параллельного и комбинированного типа, к которым можно отнести многоканальные анализаторы спектра, дисперсионно-временные устройства спектрального анализа, акустоопти-ческие устройства спектрального анализа, классические и фотонные корреляторы. В заключительном разделе главы 3 рассмотрена аппаратурная реализация метода с использованием 50-канального быстродействующего однобитового цифрового фотонного коррелятора, разработанного в НИИ КП [20]. Приведена структурная схема и описан принцип его работы. Разработано программное и аппаратурное обеспечение, позволяющее реализовать синхронный ввод данных с фотонного коррелятора в ЭВМ.

Для отработки методики измерений, программного обеспечения и отладки системы автоматизации проведена серия контрольных измерений в осевых точках турбулентной затопленной струи. На рис. 9 представлены примеры полученных фотонных коррелограмм в точках потока с низкой (а) и высокой (б) степенью турбулентности. Для обработки данных использовано парамстрмчсскос оценпнанис. Результаты по средней скорости и степени турбулентности хорошо согласуются с полученными ранее данными измерений панорамным анализатором спектра. При использовании фотонного коррелятора сокращается время и трудоемкость измерений. Проведенные исследования показали перспективность использования 50-канального фотонного коррелятора НИИ КП для измерений параметров турбулентных потоков в диапазоне доплсровских частот от I кГц до 20 МГц при степени турбулентное!и ог .! до

Глава 4. Основы метрологии лазерной диагностики турбулентности.

Фундаментальные ограничения точности ЛДТ. Методами теории информации в едином интерфсрометрическом и ансмомстричсском аспекте исследованы фундаментальные пределы точности, фотоэлектрической регистрации параметров интерференционного поля [211. Анализируется схема приема с движущейся рассеивающей частицей, что позволяет непосредственно применить результаты анализа к проблемам лазерной

анемометрии, исследошпъ влияние фазы ф и числа полос N на предельную точность измерения скорости частицы: Модель сигнала представлена в форме

ц(0=МоСХр(-р2»2)[ 1 +Усо5(2Мр<+ф)]:

Рассчитаны информационйые матрицы оценок параметров сигнала в ин-терферометрической постановке задачи, когда требуется определить амплитуду ц0, вндность V и фазу ф при известных параметрах р и N и в анемометрической постановке, когда определяются (} и щ, при известных V, К, ф. Для минимальной относительной среднеквадратичной погрешности измерения скорости частицы получено

еи = = ^ = ¡2п [1 + Ы2(1-ссвф +<х»ф

где п - среднее число фотоотсчетов за время пролета частицы через интерференционное поле. При этом одновременно учитываются как допле-ровский, так и времянролетный механизмы получения информации в лазерной анемометрии. При ф=0, N >0 получаем однопучковую времяпро-летную схему с еи = I / Т2п, а при N>>1 - классическую доплеровскую схему, для которой = \ / .

Детально сравниваются потенциальные характеристики точности времяпролетной схемы с одним пучком, времяпролетной схемы с двумя пучками и дифференциальной схемы доплеровского анемометра [22-24]. Рассмотрены случаи пуассоновской и нормальной статистики шума. Для всех моделей рассчитаны информационные матрицы. Из результатов следует, что при одинаковой локальности измерений и одинаковой энергии оптических сигналов доплеровский анемометр имеет преимущество по точности перед времяпролетным, если удается обеспечить большую глубину модуляции сигнала. В тех случаях, когда высокая локальность несущественна или невозможно обеспечить глубину модуляции сигнала, близкой к ( из-за потери когерентности, флуктуации показателя преломления среды, рассеяния на больших частицах и т. п., применение лазер-

ной. времяпролетной анемометрии » метрологическом отношении может оказаться оправданным.

Погрешности несоответствия скоростей частиц и потока. В лазерной диагностике турбулентности обычно отождествляют измеряемую скорость светорассеивающих частиц трассеров со скоростью окружающей среды. В действительности такое отождествление справедливо с определенной погрешностью, которая определяется в основном тремя факторами: инерционностью частиц, их броуновским движением и седиментацией [2,3,25]. Приведены удобные для практического использования соотношения для оценок методических погрешностей, связанных с указанными факторами.

Погрешности калибровки. При выполнении прецизионных измерений скорости при оценке константы калибровки Л необходимо учитывать кривизну волновых фронтов интерферирующих пучков, формирующих пробный объем [26,27]. Рассмотрен общий случаи интерференции гауссовых пучков, в том числе и расфокусированных (рис. 10). С помощью моделирования на ЭВМ изучены основные характеристики интерференционного поля в зависимости от типа и величины расфокусировки пучков. На рис. 11 показаны картины областей локаликшии и интерференционных полос для типичных случаев расфокусировок. Рассчитаны погрешности, вызванные кривизной интерференционных полос. Показано, что в зависимости от принципов действия процессора сигнала существенно меняется форма и размеры пробного объема лазерного анемометра. Приведены примеры расчетов аппаратной функции лазерного анемометра и ее моментов с учетом кривизны полос при разных расфокусировках.

Влияние флуктуации оси диаграммы направленности лазера. В зависимости от типа схемы формирования зондирующего излучения угловая флуктуация оси диаграммы направленности лазера в плоскости зондирования может приводить к смещению измерительного объема вдоль нормали к биссектрисе угла пересечения пучков и повороту вектора чувствительности, либо к смещению измерительного объема вдоль биссектрисы и изменению угла пересечения пучков (рис. 12). Тип схемы определяется совпадением или несовпадением четности чисел отражений, испытываемых каждым из зондирующих пучков до пересечения в точке измерений [28]. Получены соотношения, связывающие смещение точки измерений, угол поворота вектора чувствительности и изменение угла пересечения

кодирующих пучком с линейными и угловыми флуктуациями оси диаграммы направленности лазера. Результаты аналитического рассмотрения проверены прямыми измерениями на двух рассмотренных типах схем. На основе выполненных исследований совместно с НИИ Теплоприбор разработано устройство формирования зондирующего излучения лазерного анемометра (рис. 13), которое в настоящее время используется в эталонных лазерных доплеровских расходомерах [29].

Погрешности обработки сигнала. Рассмотрены погрешности измерения частоты сигнала для процессоров различного типа в одночастич-ном и многочастечном режиме следования рассеивающих частиц {2,3]. Проанализированы вопросы оптимального планирования измерений в лазерной спектроскопии турбулентности [30].

Глава 5. Измерения пространственной структуры турбулентности.

Методы одноточечных и однокомпонентных измерений турбулентности, рассмотренные в главах 2-4, составляют основу для создания универсальных ЛДА, предназначенных для измерения пространственно-временных статистических характеристик векторного турбулентного поля скорости.

Многие практические задачи ограничиваются изучением статистических свойств турбулентного поля скорости второго порядка. Для этого необходимо измерять различные компоненты тензоров пространственной

корреляции скорости и структурной функции .

Измерения на основе амплитудной интерферометрии. Сигнал формируется в результате интерференции рассеянных лазерных пучков из двух измерительных объемов. Выходной ток фотоприемника содержит составляющие на частоте биений, равной разности частот интерферирующих рассеянных волн. Суммарный сигнал определяется суперпозицией сигналов от всевозможных пар частиц, пересекающих области фокусировок двух пучков. Он представляет собой последовательность импульсов фототока с высокочастотной модуляцией, причем частота этой модуляции определяется масштабированными разностями составляющих скоростей пар частиц:

Г* =<Ц/Л2>-(и{ / А,),

где Л|,Л2- периоды иир|у>ип>ны\ ппн'рферепкиоипич нолем п мерсссчс ниях зондирующих и рассеянных лазерных пучков (Л;=2к/К;, рис. 14). При Л^Лз—Л по измерениям Г^ можж> определить мгновенную разность проекций скоростей и2'-И||=Д(Гче-Г|2). Прополи статистическую обработку,массива измеренных значений Г^ по пролетам многих пар частиц, можно дать оценку компоненты структурной функции турбучентно-сти О К2 = Л20^, где Ог - оценка дисперсий частоты Для определения компоненты тензора двухточечной пространственной корреляции скорости И.^ =< у}у2 > Требуются дополнительные локальные измерения интенсивности пульсационных составляющих <(У|')2> й Их нетрудно осуществить, меняя направления приема рассеянных волн. Перенастройка оптической схемы может осуществляться автоматически с помощью электрооптического коммутатора |31|. Применение спекграль-ного анализа в двухточечных Л ДА амплитудной интерферометрии основано на подобии между $д(0 и У.(И2,-И|1) с учетом сопряжения аргументов этих функций эффектом Доплера.

Представлены результаты разработки устройств согласования рассеянных из двух точек потока волн со свстоволоконными элементами, плоскопараллельными пластинами и дифракционными решетками с переменным. периодом, которые могут быть реализованы голографическими элементами и в виде ультразвуковой ячейки |32|. В некоторых случаях можно обойтись без специального устройства рекомбинации рассеянных волн. Примером может служить оптический доплеровский измеритель двухточечных корреляций скорости турбулентного потока [31]. На рис. 15 приведены результаты измерений по схеме амплитудного интерферометра пространственных корреляций скорости при исследовании турбулентного потока в цилиндрическом вихревом смесителе ]33|. Конфигурация оптической схемы и винта показана в верхнем правом поле рис. 15. Характерные осцилляции кривых коэффициентов корреляции указывают на присутствие когерентных структур в вихревом закрученном потоке.

Проанализированы особенности аппаратных эффектов в двухточечных анемометрах на основе амплитудной интерферометрии. Разработан метод экспериментального контроля эффективности согласования рассе-

ямпых интерферирующих волн [34]. Рекомендовано измерение нормированного уширения У=Оп2/(и12"^и2^) ПРИ X—0 и Х=2, где Х=|0| - а212/(и12+и22)- ПРИ совпадении результатов в пределах заданной погрешности анемометр можно использовать для измерений турбулентности, в противном случае измерения в. турбулентном потоке будут некорректными. На базе идей амплитудной интерферометрии рассеянных волн разработан способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды [35], который может найти эффективное применение, например, при изучении гетерогенных потоков.

На основе численных расчетов взаимных (двухчастичных и двухпуч-ковых) дифференциальных сечений рассеяния Ми рассмотрены метрологические аспекты работы двухточечных анемометров с амплитудными интерферометрами [36].

Измерения на основе интерферометрии интенсивности. Вариант оптической схемы двухточечного лазерного анемометра на основе интерферометрии интенсивности показан на рис. 16 [37]. В основе схемы - формирование из луча лазера 1 двух пар пучков системой призм и зеркал 2,3,5-8 и двух модуляторов 4,4'. Сканирование одной из точек измерений осуществляется поворотом пластины 9 и движением верхней части би-линзы 10'. Для приема рассеянных волн 12,12' используются две призмы 11,1 Г, два объектива 13,13' и два фотоприемника 14,14'. Для оценки параметров турбулентного потока могут использоваться устройства следящего и счетного типов, осуществляющие частотную демодуляцию сигналов, и устройства непосредственного статистического анализа сигналов.

В [37,38] предложен и реализован способ совместной статистической обработки, основанный на спектральном анализе результата перемножения сигналов с выходов двух фотоприемников.. Спектральный анализ в данном случае лает плотности вероятностей разносш и суммы скоростей и^.и^, что позволяет рассчитать соответствующую компоненту тензора пространственной корреляции Я|2Ч- Следует заметить, что при таком методе анализа используются статистические характеристики рассеянного светового поля 8-го порядка, в то время как лазерная спектроскопия на основе амплитудной интерферометрии связана с анализом статистических характеристик рассеянного поля 4-го порядка.:

На рис. 17(а, б) приведены, полученные описанным методом, результаты измерений на оси затопленной струи воды (1<е= 15000 по ё0=3 мм) продольных в сечениях го=Юс10 (1), 20<1() (2), 30<3<> (3) и поперечных вдоль оси х (4) и вдоль оси у (5) в сечении г0=20<1о корреляций. Наблюдаются заметные осцилляции корреляционных функций, свидетельствующие о наличии когерентных структур. Высокие потенциальные возможности лазерной анемометрии реализуются при исследовании мелкомасштабной структуры турбулентности. На рис. 18 представлены измерения структурных функций турбулентности Р^САя) " струе воды (1) и

водного раствора полиокензтилена с несомой концентрацией с=510 5 (2); с=10^, свежий (3), деградированный (4). Полученные данные свидетельствуют о гашении высокочастотной части турбулентных пульсаций скорости длй свежего раствора по мере увеличения концентрации полимера.

Глава 6. Измерения турбулентных напряжений.

Информационный анализ двухкомпонентных схем (39]. Рассчитаны информационные и дисперсионные матрицы оценок параметров турбулентного поля скорости 1-го и 2-го порядков для двухканальных и трех-канальных измерений. Показано, что обусловленность измерений по скорости возрастает пропорционально квадрату площади треугольника разностных векторов лазерного анемометра, а но торим моментам пульсаций скорости - шестой степени этой площади. Для показанных на рис. 19 наиболее информативных типов двухкомпонентных схем А,В,С,О рассчитаны минимальные дисперсионные матричные границы оценок параметров турбулентности. Например, минимальные дисперсии оценок моментов 2-го порядка определяются безразмерными коэффициентами, представленными следующей таблицей:

Тип схемы А В С Э

А - Од/2 л/4 -л/4 Од/2 • л/4 Од/2 А л/4

0{Ё>1Ко"/о02 1/9 1/4 9/16 1/16 1/4 00 1/8 00

0{ЁуЯС/о02 1/9 1/4 1/16 9/16 1/4 со 1/8 ОС

0{Ё}К04/оо2 4/27 1/2 1/2 1/2 1/2 1/2 1/4 1/4

о{<;} ки4/о02 2/27 3/16 1/8 1/8 00 1/8 оо 1/16

В таблице: Ёх,Ёу,Ё,5 - оценки параметров Ех=<ух2>, Еу=<уу2>,

Е^^Ех+Еу, 8=<ухуу>; 0{Р} - дисперсия оценки параметра Р; Ор2 - диспе-сия оценки дисперсии частоты сигнала; К<, - радиус окружности, описанной вокруг треугольника разностных векторов. Данные расчетов свидетельствуют о преимуществе метрологически изотропной трехканальной схемы типа А. Вместе с тем, оправдано использование и двухканальных схем типов Си Д которые легче реализовать на практике.

Для лвухкомпонентных измерений среднего течения, и характеристик турбулентности стратифицированного потока газа в прямоугольном канале на установке ИПМ РАН (рис. 20) разработан автоматизированный (на основе 1ВМ РС с интерфейсом в стандарте КАМАК) четырех-пучковый лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) по схеме типа й с интегрально-адаптивным процессором сигнала спектрального типа [40]. На рис. 20: 1-измерительная секция; 2-сопло; 3-окно; 4-плита; 5-лазер; 6-луч; 7-двухкоординатный модулятор; 8-передающая оптика; 9-приемная оптика. В системе использован панорамный анализатор спектра (ПАС). Структурная схема системы автоматизации ЛДА-КАМАК-ПАС показана на рис. 21. Оценка спектральной плотности сигнала производится по классической схеме: фильтрация — возведение в квадрат — осреднение. На схеме: УПЧ1, УПЧ2 - усилители промежуточных частот; М1, М2 -модуляторы; УГ, Г - управляемый-по частоте и стабилизированный генераторы; Д - детектор; ОУ - операционный усилитель; СД1, СД2 - согласующие делители; ЭЛТ - электроннолучевая трубка; ЦЧ - цифровой частотомер; ОС - оптическая система ЛДА с датчиком координаты, ШУ -широкополосный усилитель. Задействованы следующие блоки КАМАК: крейт-контроллером КК, цифро-аналоговый и аналогово-цифровой преобразователи ЦАП и АЦП, входной регистр 1*305, выходной регистр И350, мультиплексор МП.

Начальные области сканирования по частоте задаются по априорным данным о режиме течения. При последующих сканированиях области адаптируются к реальному режиму. Для удобства эксплуатации системы разработан универсальный программный продукт - пользовательский интерфейс. В нем реализованы алгоритмы управления системой и обработки результатов с получением графиков профилей параметров турбулентности.

Проведенные эксперименты позволили получить необходимую информацию о величине компонент тензора турбулентной вязкости в экспериментах по обтеканию тел в канале. ЛДА интегрально-адаптивного спектрального типа работоспособен при низких отношениях сигнал/шум, в одночастичном и многочастичном режиме следования частиц. Разработанная система позволяет проводить измерения двух компонент средних скоростей потока в диапазоне от долей см/с до сотен м/с с погрешностью 1-2%; двумерной интенсивности пульсаций и корреляций пульсаци-онных компонент в диапазоне степеней турбулентности от 1 до 100% с погрешностью 2-5%.

Для двухкомпонентных измерений в затопленной струе воды на установке МЭИ разработан трехпучковый (схема типа С) аналог описанной выше системы [41]. В разработке использованы более простая одномерная ультразвуковая ячейка и вместо громоздкого интерфейса в стандарте КАМАК компактная плата аналогового и цифрового ввода-вывода данных NVL-02, помещаемая в слот шины IBM PC. Схема ЛДА показана на рис. 22 (1 - лазер; 2 - модулятор; 3 - зеркало; 4 - блок формирования пучков; 5 - фокусирующая линза; 6 - приемная оптика; 7 - фотоэлектронный умножитель; 8 - широкополосный усилитель; 9 - ПАС; 10 - IBM PC с платой сопряжения NVL-02). Применена частотная привязка измерений с использованием меток внутреннего калиброванного генератора ПАС. Кроме упрощения и повышения надежности эти модификации обеспечили повышение коэффициента использования лазерного излучения и увеличение быстродействия системы по сравнению с чстырехпуч-ковым аналогом с системой КАМАК. Единым для обеих систем является программное обеспечение.

При измерениях п струе, чтобы исключить аппаратные искажения формы профилей параметров турбулентности, был выполнен тщательный анализ влияния погрешностей юстировки оптической схемы и внесены соответствующие поправки. После этого осуществлялась параметрическая идентификация результатов, заданных точечными данными измерений. Для обработки профилей средней скорости и интенсивности пульсаций была выбрана нелинейная модель в виде первых членов разложения одномерной функции rio полиномам Урмига. Для обработки профилей сдвиговых напряжений использовалась производная от гауссовой модели. Параметрическая идентификация выполнялась с помощью программы, основанной на методе наименьших квадратов с взвешиванием и алгоритме»

ме Марквардта поиска экстремума целевой функции [24,41]. Программа позволяет определять оптимальные значения параметров моделей, а также погрешности этих значений по получаемой в ходе расчета ковариационной матрице оценок искомых параметров и остаточной невязке результатов измерений. Приведены результаты измерений характеристик турбулентности <их> (рис.23), Е1/2=[<ух2>+<уу2>]1/2 (рис.24), ±|5|'/2=±|<УхУу>| (рис. 25) и их параметрической обработки для сечений 5,10 и 20 калибров от среза сопла при различной начальной скорости струи. На рис. 26 приведены примеры реконструкции двумерных поперечных профилей Е'/2 и 5хг|//2=<ухуг>|/2 в сечении 5 калибров от среза сопла при начальной скорости струи 5м/с. Сопоставляя, в целом, данные, полученные в затопленной струе воды (с10=3мм, Ле=1,5104) методом лазерной доплеровской спектроскопии, с классическими термоанемомет-рическими измерениями в спутных воздушных струях большего диаметра (Ке=105), можно отметить хорошее совпадение результатов по большинству характеристик при минимальном значении параметра спутности и одинаковом начальном уровне турбулентности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассмотрены тенденции развития лазерной диагностики турбулентности, включающей методы: доплеровской и времяпролетной анемометрии, анемометрии изображений частиц, светорассеяния и индуцированной флуоресценции, дифракционной и рефракционной диагностики, интерферометрии, визуализации. Отмечена эффективность компьютеризованных измерений трехмерной динамической структуры турбулентного поля на основе сканирования, голографии и томографии.

2. Разработана теория лазерной спектроскопии турбулентности для диагностики трехмерного нестационарного, неоднородного турбулентного течения с неоднородным распределением рассеивающих частиц, основанная на введении обобщенных понятий комплексной амплитуды пробного объема и вектора чувствительности лазерного анемометра.

3. Выведено интегральное уравнение, связывающее спектральную плотность сигнала лазерного анемометра (в случае стационарного локально однородного турбулентного течения) с эйлеровой трехмерной

плотностью вероятности скорости и пространственной спектральной плотностью комплексной амплитуды пробного объема измерителя. Получены соотношения между моментами указанных характеристик.

4. На основе анализа полного уравнения обоснована практическая целесообразность использования редуцированного уравнения лазерной спектроскопии турбулентности, представляющего собой одномерный интеграл свертку функции плотности вероятности проекции скорости на вектор чувствительности анемометра и аппаратной функции анемометра.

5. Рассчитаны моменты спектральной плотности сигнала лазерного анемометра до 4-го порядка включительно при параболических распределениях средней скорости и дисперсии скорости по измерительному объему. Проанализированы искажения аппаратной функции при статистически неоднородном распределении частиц в потоке.

6. Разработаны принципы лазерных измерений компонент тензора пространственной корреляции скорости турбулентного потока на основе анализа статистических характеристик рассеянного излучения 4-го и 8-го порядков. Дан анализ особенностей аппаратных эффектов в двухточечных лазерных анемометрах. Предложен способ определения концентрации частиц в потоке, основанный на особенностях статистики двухчастичного рассеяния.

7. Методом расчета дисперсионных матричных границ оценок параметров сигнала исследованы фундаментальные метрологические ограничения лазерной доплеровской и времяпролетной анемометрии, выявлены области их преимущественного использования. Разработан пакет 'программ расчета характеристик сигналов, моделирования сигналов и шумов лазерных анемометров с использованием формул рассеяния Ми. На этой основе разработана методика оптимизации параметров одноточечных и двухточечных анемометров по критерию минимума погрешностей измерения скоростей отдельных частиц и разности скоростей пар частиц.

8. Аналитически, методами компьютерного и физического моделирования исследованы методические погрешности лазерной диагностики турбулентности, связанные с кривизной волновых фронтон гауссовых пучков, флуктуациями оси диаграммы направленности лазера, несоответствием скоростей частиц и потока. Выработаны критерии оптимального

выбора частиц и параметров оптической схемы. Разработан прецизионный оптический блок дли эталонного лазерного расходомера, исполыус мый в настоящее время в системе метрологического обеспечения установок энергетического и нефтегазового комплекса.

9. Выявлены наиболее информативные конфигурации схем двухка-нальных и трехканальных двухкомпонентных измерений характеристик турбулентности 1-го и 2-го порядков, для которых рассчитаны коэффициенты погрешностей, представляющие ценную количественную информацию для планирования измерений. Дан анализ искажений профилей параметров турбулентности, связанных с погрешностями юстировки и задания калибровочных констант.

10. Принципы лазерной спектроскопии турбулентности реализованы в измерительных системах с панорамным анализатором спектра и фотонным коррелятором. Созданы лазерные системы двухточечных измерений на основе амплитудной интерферометрии и интерферометрии интенсивности. На основе принципов лазерной доплеровской спектроскопии созданы компьютеризованные системы с эффективным программным обеспечением и удобным пользовательским интерфейсом для измерений турбулентных напряжений, апробированные в ИПМ РАН и МЭИ.

11. Методами лазерной доплеровской спектроскопии обнаружены и исследованы когерентные турбулентные структуры в цилиндрическом вихревом смесителе и в турбулентной струе воды; эффект гашения высокочастотных пульсаций в струе воды под влиянием малых добавок некоторых полимерных растворов. В результате исследований характеристик турбулентности в газовом потоке, в затопленной струе воды, в потоке жидкости при конденсации струи пара и др. получены данные, необходимые для построения полуэмпирических моделей сложных турбулентных течений. Выполнены практические исследования турбулентности в моделях промышленных аппаратов, способствовавшие разработке методов повышения эффективности их работы.

12. Разработанные методы и созданные на их основе автоматизированные системы лазерной диагностики турбулентности могут найти эффективное применение в натурных исследованиях и при физическом моделировании широкого круга задач динамики жидкости й газа, энергетики, теплофизики, химической технологии, экологии й других.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО TI.Mf ДИСЧ 1ПЛЦИИ

1. Смирнов В.И. Теория оптических измерении эйлеровых характеристик турбулентности: спектральный метод. // Теплофизика высоких температур. 1983. Т. 21. № 2. С. 335-342.

2. Смирнов В.И. Лазерная анемометрии турбулентных потоков. /В кн. Б.С. Ринкевичюса "Лазерная диагностика потоков".М.:МЭИ. 1990. С.235-272.

3. Смирнов В.И., Янина Г.М. Расчет и проектирование лазерных анемометров. // М.: Моск. энерг. ин-т. 1996. 84 с.

4. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И., Фабрикант В.А. Аппаратная функция лазерного анемометра с дифференциальной оптической схемой. // Оптика и спектроскопия. 1976. Т. 40. № 5. С. 885-892.

5. Смирнов В.И. Исследование турбулентных потоков методом ЛДА. // Методы лазерной доплсровской диагностики в гндроаэродинамике. Минск: ИТМО АН БССР. 1978. С. 121-126.

6. Смирнов В.И.,Терентьев А.П. Особенности применения лазерного анемометра для исследования неоднородных турбулентных потоков. // Физическая оптика: Тр. Моск. энерг. ин-та. М.: МЭИ. 1975.Вып 222.С.71-76.

7. Смирнов В.И. Анализ спектра доплеровского сигнала при непуассо-новской статистике следования рассеивателей. // Цифровые и оптические методы обработки сигналов: Тр.Моск.энерг.ин-та. М.: МЭИ. 1981. Вып. 535. С. 60-68.

8. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И. Оптический доплеровский метод исследования турбулентных потоков с использованием спектрального анализа сигнала. // Квантовая электроника. 1973. № 2 (14). С. 86-89.

9. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И. Исследование турбулентных потоков лазерным анемометром со спектральным анализом сигнала. // Теплофизика высоких температур. 1975. Т. 13. № 3. С. 591-600.

10. Применение эффекта Доплера в измерителыюй технике. / Б.С. Ринкевичюс, В.М. Кулыбин, В.И. Смирнов и др. // Приборы и системы управления. 1976. № 9. С. 18-20.

11. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И. Исследование турбулентности жидкости с помощью дифференциальной схемы ОДИС. // Журнал прикладной механики и технической физики. 1972. № 4. С. 182-185.

12. Измерение параметров турбулентности в аппарате с мешалкой лазерным анемометром. // В.Я.Щутеев, В.Ф.Воловод, В.И.Смирнов. В.Н.Соловей // Теоретические основы химической технологии. 1980. Т. 14. № Г. С. 148-150.

13. Солодов А.П., Спассков М.В., Смирнов В.И. Экспериментальное исследование конденсации струи пара в потоке жидкости с помощью доплеровского анемометра. // Оптическая диагностика потоков жидкости и газа: Тр. Моск. энерг. ин-та. М : МЭИ. 1979. Вып. 422. С. 48-54.

14. Investigation of the fluid dynamics of gas flow in large diameter columns. / S.A. Volkov, V.l. Reznikov, V.l. Smirnov et al. // Amsterdam: Journal of Chromatography. 1978. № 156. P. 225-232.

15. Применение лазерной анемометрии в исследовании гидродинамики хроматографических колонн. / С.А. Волков, В.И. Резников, В.И. Смирнов и др. // Автометрия. № 3. 1982. С. 87-91.

16. Исследование скоростного поля трехпродуктового гидроциклона методом лазерной анемометрии. / М.А.Шевелевич, А.С.Тимофеев,

B.И.Смирнов и др. //Цветные металлы. 1981. № 10. С. 103-106.

17. Экспериментальное исследование турбулентных характеристик потока в гидроциклоне методом лазерной анемометрии. / М.А.Шевелевич, A.C. Тимофеев, В.И.Смирнов и др. // Цветные металлы. 1983. № 4.

C. 91-95.

18. Крайнева Н.В., Кузнецова С.А., Смирнов В.И. Исследование типа ядра интегрального уравнения оптической доплеровской анемометрии. Ц Прикладная физическая оптика: Тр.Моск.энерг.ин-та. М.: МЭИ. 1980. Вып. 450. С. 38-42.

19. Крайнева Н.В., Смирнов. В.И. Алгоритм восстановления характеристик турбулентности по спектру доплеровского сигнала. // Оптическая диагностика потоков жидкости и газа: Тр. Моск.энерг. ин-та. М..МЭИ. 1980. Вып.465. С. 34-42.

20. Дука С.И., Смирнов В.И., Тимофеев A.C. Применение фотонного коррелятора в качестве процессора ЛДА для измерения турбулентности. // Прикладная физическая ошика: Сб.научн.'трудов. М.:МЭИ. 1987. Вып. 134. С.84-89.

21. Смирнов В.И. Фундаментальные пределы точности фотоэлектрической регистрации излучения: интерферометрический и анемометрический аспекты. // Измерительная техника. 1996. № 8. С. 26-30.

22. Смирнов В.И. Оценки потенциальной точности лазерной доплеровской и времяпролетной анемометрии. //Теоретические и прикладные вопросы фотометрии и светотехники. Сб.науч.трудов №106. М.: Моск. эперг. ин-т. 1986.С.64-68.

23. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И. Потенциальная точность лазерных методов измерения скорости ч<7стш<.//Измерительная техника. 1989.№5.С.56-60.

24. Ринкевичюс B.C., Смирнов В.И. Вопросы метрологии лазерных /мерительных систем // М.: Моск. »iicpi. ин-т. 1989 84 с.

25. Смирнов В.И. Анали) и расчет на ЭВМ статистических моделей оптических полей. М.: Моск. энерг. ин-т. 1986. 92 с.

26. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И., Соколова E.JI. Исследование петрологических характеристик оптической схемы догыеровского анемометра с гауссовыми пучками. // Автометрия, 1982. № 3. С. 30-34. 4

27. Ринкевичюс Б.С., Смирнов В.И., Федянина ЕЛ. Интерференция •ауссовых пучков.//Оптика и спектроскопия. 1987. Т.63. Вып.З. С. 579-584.

28. Смирнов В.И., Федянина Е.Л. Влияние флуктуации оси диаграммы направленности лазера на параметры оптических схем лазерных анемометров. // Прикладная физическая оптика. Межвуз. тем. сб. № 60. М.: Моск. энерг. ин-т. 1985. С. 90-96.

29. А. с. 1654754 СССР. Устройство формирования зондирующих пучков лазерного доплеровского измерителя скорости и расхода. /В.И. Смирнов и др. // Открытия. Изобретения. 1991. № 21.

30. Смирнов В.И., Терехова Д.С., Янина Г.М. Погрешности оценок параметров турбулентности по спектру доплеровского енгнялд.//Приклад-ная физическая оптика: Сб.науч.трудов. М.: МЭИ. 1988. №164. С. 65-71.

31. А. с. 1113747 СССР. Оптический доплеровский измеритель двухточечных корреляций скорости турбулентного потока. / Б.С.Ринкевичюс,

B.И. Смирнов, A.C. Тимофеев. // Открытия. Изобретения. 1984. № 34.

32. А. с. 1672374 СССР. Лазерный доплеровский измеритель скорости в двух точках потока. / В.Ю. Насонов, В.И. Смирнов. // Открытия. Изобретения. 1991. № 31.

33. Ринкевичюс B.C., Смирнов В.И., Тимофеев A.C. Лазерные методы измерения пространственной структуры турбулентности. Ц Теплофизика высоких температур. 1984. Т. 22. № 5. С. 956-963.

34. Смирнов В.И., Насонов В.Ю. Особенности аппаратной функции лазерного двухточечного измерителя турбулентности. // Прикладная физическая оптика: Сб. науч. трудов. М.: МЭИ. 1989. №. 223. С. 130-136.

35. А. с. 1492242 СССР. Способ определения концентрации частиц в потоке прозрачной среды. / Ь.С. Ринкевичюс, Н И. Смирной, L.JI. Федянина. //Открытия. Изобретения. 1989. № 25.

36. Смирнов В.И. Ддвухточечные лазерные доплеровские измерения турбулентности на основе фотосмешения рассеянных аолн Ми. // Измерительная техника. 1997. № 6. С. 39-43.

37. Смирнов В.И., Тимофеев A.C. Даухканалиный оптический доплеровский измеритель пространственной структуры турбулентности. // Физическая оптика. Тр.Моск.энерг.ин-та. М..МЭИ. 1981. Вып. 519. С. 41-47.

38. Смирнов В.И., Тимофеев A.C. Измерение пространственных корреляций двухканальным оптическим доплеровским анемометром. // Автометрия. 1982. № 3. С. 102-105.

39. Смирнов В.И. Ин^юрмацшшный ашит <)«у\компош'нпшых схем лазерной доплеровской анемометрии турбулентных потоков. // Измерительная техника. 1996. № 1. С. 18-21.

40. Смирнов В.И. Автоматизированный двухкомпонентный лазерный доплеровский анемометр для измерений параметров турбулентности в трубе газовой стратификации.// Измерительная техника. 1996. № 6. С. 40-46.

41. Логинов A.A., Смирнов В.И. Трехпучковые двухканалыше компьютеризованные лазерные доплеровские измерения характеристик турбулентности в струе жидкости. // Измерительная техника. 1996. № 8.

C. 35-40.

и. гм/'С

Рис. 7 Рис. 8

Рис. 12 Рис. 13

___D

Рис. 14

0,75

0,5

0,25

1 1 / \ ¡к л ^рГч y

о-500 off/мин t о- 300 \ч

Рис. 15

Рис. 16

à ^л/» а-4 --- -----

-----

/ oQ Лх/d Ay/¿

I z s сГ

0.J

Рис. 17

а - з

А-4

0,в 1,0

Рис. 18

1,5 г.0

Рис. 22 38

HSJ'/'.M/C ~ :

m/c---- i^ST""""

i

,m/c xM,=5

z/d„

Phc. 26

/

Президиум ВАК.Россини

'¡¿ví решение от '

№

¡ %йсудил ученую степень ДОКТОРА

Ьмильаик управления ВАК России |

&

1 I и 0..... / / 7 _ ч

/ ?

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

СМИРНОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

УДК 532.517.4

ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ТУРБУЛЕНТНОСТИ

01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

СОДЕРЖАНИЕ

ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 3

ВВЕДЕНИЕ 6

1. ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ТУРБУЛЕНТНОСТИ: ДОСТИЖЕНИЯ 11 И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

1.1. ЛАЗЕРНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ АНЕМОМЕТРИЯ ТУРБУЛЕНТ- 11 НЫХ ПОТОКОВ

1.2. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ЛДА ДИАГНОСТИКИ ТУРБУЛЕНТ- 24 НОСТИ

1.3. ДРУГИЕ ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ТУРБУЛЕНТ- 35 НОСТИ

2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛДА 47

2.1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ МЕТОДОМ ЛДА 47

2.2. РАСЧЕТ СИГНАЛА ЛДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОРМУЛ МИ 53

2.3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК 69

3. ЛАЗЕРНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТУРБУЛЕНТНО- 83 СТИ

3.1. ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЙЛЕРОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУР- 83 БУЛЕНТНОСТИ

3.2. АППРОКСИМАЦИИ ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ 96

3.3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ 109

4. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ГУРБУ- 127 ЛЕНТНОСТИ

4.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЛДТ 127

4.2. ПОГРЕШНОСТИ КАЛИБРОВКИ 149

4.3. ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА 159

5. ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТУРБУЛЕНТ- 172 НОСТИ

5.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ 172

5.2. ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АМПЛИТУДНОЙ ИНТЕРФЕРО- 174 МЕТРИИ

5.3. ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ИНТЕН- 195 СИВНОСТИ

6. ИЗМЕРЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ 203

6.1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ 203 СХЕМ ЛДА

6.2. ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ЛДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ТРУБЕ ГА- 213 ЗОВОЙ СТРАТИФИКАЦИИ

6.3. ТРЕХПУЧКОВЫЕ КОМПЬЮТЕРИЗОВАННЫЕ ЛДА ИЗМЕРЕ- 230 НИЯ В СТРУЕ ЖИДКОСТИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 243

ЛИТЕРАТУРА 246

Основные обозначения

ЛДТ - лазерная диагностика турбулентности; ЛДСТ - лазерная доплеровская спектроскопия турбулентности; ЛДА - лазерная доплеровская анемометрия (лазерньш доплеровский анемометр); СФЗИ - система формирования зондирующего излучения; ПОС - приемная оптическая система; ФП - фотоприемник; П - процессор сигнала ЛДА; ПК - персональный компьютер; ПАС -панорамный анализатор спектра; ФК - фотонный коррелятор; ФЭУ - фотоумножитель; ГП - гауссов пучок;

ИП - интерференционное поле; ИК - интерференционная картина; и(0 - вектор локальной скорости потока; < й(1) >= й0 (I) - среднее значение й(0 ;

- вектор пульсационной составляющей й(1:); и^) - проекция й(1) на вектор чувствительности ЛДА;

Л? - интегральный масштаб турбулентного вихря;

Лк - колмогоровский микромасштаб турбулентности;

е - скорость диссипации энергии;

Х1=<у12>1/2/11о - составляющая степени турбулентности вдоль К;

Ех=<ух2>, Еу=<уу2>, Е=Ех+Еу Е'=Ех-Еу, Б=<ухуу>;

О(<0 - спектральная плотность флуктуации скорости потока; Ор(0 - спектральная плотность флуктуаций скорости частицы.

Я12 - компоненты тензора пространственных корреляций скорости; О|2 - компоненты тензора структурной функции турбулентности; X - длина волны зондирующего лазерного излучения;

к;,к5- волновые векторы зондирующего и рассеянного излучения; К (Кх) - разностный волновой вектор (вектор чувствительности)

ЛДА;

а - угол пересечения зондирующих пучков ЛДА;

Л - период ИК в области пересечения зондирующих пучков ЛДА; N - эффективное число интерференционных полос в пробном объеме; 8(0 - спектральная плотность сигнала лазерного анемометра;

В(т) - корреляционная функция сигнала лазерного анемометра;

- частота сигнала ЛДА; ^ - доплеровский сдвиг частоты;

АГ - ширина спектра сигнала;

\у(х) - плотность вероятности случайной величины х; w - радиус гауссова пучка по уровню поля е"1;

5х - абсолютная погрешность оценки величины х;

ех - относительная погрешность оценки величины х;

оси (I; - начальные и центральные моменты распределений;

Ть 42 ~ коэффициенты асимметрии и эксцесса распределений;

8Х, Бц - амплитудные функции рассеяния; П11 - показатель преломления частицы; Ш2 - показатель преломления среды;

х = кг - относительный размер частицы с радиусом г (к = 2лт2Д0); 13 - угол рассеяния;

Ф - азимутальный угол, фаза сигнала, фаза волны;

о(д,ф) - дифференциальное сечение рассеяния;

£(й,ф)=к2о(й,ф), ¥(й,ф)=]§[к2о(Ф,ф)] - индикатрисы рассеяния;

Ох - полное сечение рассеяния;

До - интегральное сечение рассеяния; Р]^ - мощность исходного лазерного пучка;

I - интенсивность (плотность мощности излучения); i - ток, угол падения;

Kd= | Kd | exp(ißd) - дифференциальный коэффициент согласования; а и - взаимное дифференциальное сечение рассеяние; Y}2=lg[|Re(k2ci2)|] - взаимная индикатриса рассеяния; Д012=|д°121ехР(Ф12) - интегральное взаимное сечение рассеяния I1C12I = |Асгх2| /(Ас! Ag2)1,/2 - интегральный коэффициент согласования;

Y^4 - взаимная индикатриса рассеяния двух пучков на двух частицах;

H(X,Y,Z) - весовая функция измерительного (пробного) объема; F(X,Y,Z) - весовая функция поля зрения ПОС; V - измерительный объем, видность И К;

Ах, Ау, Az - линейные размеры измерительного объема по уровню е-2;

R - спектральная разрешающая способность ЛДА;

rj - квантовая эффективность фотокатода, динамическая вязкость;

v - частота излучения, кинематическая вязкость;

(S/N) - отношение сигнал/шум по мощности;

Gm - спектральная плотность шума;

к - постоянная Больцмана, волновое число;

Q0 (?) - комплексная амплитуда пробного объема;

с(г) - распределение локальной концентрации рассеивателей;

Н(К) - нормированная спектральная плотность Q0 (г);

Лу, Лцк, Хуи - моменты Н(К) второго, третьего и четвертого порядков; D - дисперсионная матрица; I - информационная матрица;

Введение

Лазерная диагностика турбулентности (ЛДТ) представляет собой интенсивно развивающееся научно-техническое направление, связанное с разработкой и применением лазерных оптико-электронных приборов и систем для изучения сложнейших стохастических процессов, определяющих широкий круг ключевых физических явлений в гидроаэродинамике, теплофизике, энергетике, метеорологии, химической технологии и ряде других областей.

Особая актуальность ЛДТ как совокупности бесконтактных прецизионных экспериментальных методов измерения статистических характеристик турбулентного движения потоков жидкости и газа связана с принципиальными трудностями аналитического исследования турбулентности, начало которому было положено еще в прошлом веке. Только достоверные экспериментальные данные позволяют замыкать разрабатываемые полуэмпирические методики расчета, проверять теоретические модели и углублять представление о турбулентности [1-5].

Среди методов ЛДТ безусловно приоритетное значение имеет лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), обладающая наилучшими характеристиками по точности, локальности, быстродействию, возможностью измерения всех трех пространственных компонент вектора скорости и компонент тензора пространственно-временных корреляций турбулентных пульсаций скорости. Развитие ЛДА в последние годы привело к серийному7 производству за рубежом (фирмами ТЭ1 и О АКТ ЕС) широкодиапазонных лазерных измерителей скорости и дисперсности потоков жидкости и газа, концентрирующих в себе новейшие достижения оптического и электронного приборостроения, микропроцессорной техники. Аналогичные приборы созданы и доведены до практического использования в нашей стране. Достижения ЛДА, как важного научно-технического направления, отражены в ряде отечественных и зарубежных монографий и изданий [6-12], огромном числе научных статей.

Хотя проблема изучения турбулентности затрагивается во многих работах по ЛДА, ее особая актуальность и специфика, обусловливают необходимость проведения целенаправленного исследования, посвященного ЛДТ.

Направление такого исследования состоит не только в систематизации и обобщении накопленного опыта, в разработке методов расчета, проектирования и использования систем ЛДТ и их элементов для различных приложений, не только в детальном исследовании фундаментальных метрологических ограничений ЛДТ и погрешностей конкретных систем, но и в изучении и реализации принципиально новых возможностей и подходов, заключенных в лазерных методах диагностики турбулентности. Существенные перспективы в этом плане открывает лазерная доплеровская спектроскопия турбулентности (ЛДСТ), которую можно рассматривать как одну из модификаций метода ЛДА, связанную с непосредственной статистической обработкой (спектральным, корреляционным, фотон-корреляционным анализом) трижды стохастического (на уровне дробового шума фотоэлектрической регистрации излучения, на уровне дробового шума и интерференции высокочастотных элементарных импульсов фототока от частиц трассеров, на уровне случайного движения турбулентных вихрей потока через измерительный объем) сигнала, несущего информацию о скорости потока в частоте заполнения элементарных импульсов. Практическая реализация автоматизированных систем ЛДСТ с компьютерной поддержкой на основе современных ПК позволяет создавать системы лазерной диагностики турбулентности с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, которые по многим показателям не уступают существующим дорогостоящим зарубежным системам ЛДА с процессорами счетно-импульсного, следящего и импульсно-спектрального типов; превосходят их по ряду функциональных возможностей и значительно снижают стоимость проведения исследований.

Таким образом, главная цель представляемой работы состоит в разработке принципов построения и создании автоматизированных систем ЛДТ с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками, применение их в фундаментальных научных и прикладных производственных исследованиях аппаратов, приборов и систем, работа которых связана с гидроаэродинамической турбулентностью. Достижение этой цели предполагает решение следующих основных задач:

- развитие теоретических основ построения систем ЛДТ, включающих

исследование соотношений между измеряемыми статистическими характеристиками сигнала ЛДА и параметрами турбулентного потока, теоретическое обоснование метода ЛДСТ при измерении локальных и пространственных статистических характеристик векторного турбулентного поля скорости;

- фундаментальные метрологические исследования ЛДТ на основе теории информации, анализ составляющих погрешности измерений частоты и констант калибровки;

- разработка и реализация в практических исследованиях действующих систем ЛДСТ;

- получение методами ЛДТ новых экспериментальных данных о структуре турбулентных течений, необходимых для построения полуэмпирических моделей расчета турбулентных потоков и модернизации устройств прикладного назначения.

Теоретические исследования, разработка принципов измерений и построения систем ЛДТ, разработка алгоритмического обеспечения систем автоматизации и программных продуктов, а также разработка общей методики исследований осуществлены автором.

Компьютерное моделирование, практическая реализация разработанных принципов в действующих установках, разработка систем автоматизации, программного обеспечения и пользовательских интерфейсов, а также измерения проводились в основном сотрудниками кафедры физики МЭИ и частично сотрудниками ИПМ РАН и МИФИ под руководством и при непосредственном участии автора.

Работы специального прикладного характера выполнялись совместно с представителями заинтересованных организаций, которые отмечены в автореферате и диссертации.

В диссертации использованы методы статистической гидродинамики, статистической, геометрической и волновой оптики, полуклассичекая теория фотоэлектрической регистрации, методы статистической радиотехники и радиофизики, теории информации, теории измерений и оптимального нелинейного параметрического оценивания, метод обобщенного многомерного анализа Фурье, машинное моделирование и физический эксперимент.

Результаты работы были представлены на ряде международных и отечественных конференций и семинаров: Использование оптических квантовых генераторов в современной технике, Ленинград, 1971, 1973, 1975. Всесоюзная конференция по тепло- и массопереносу, Минск, 1972. Теоретические и прикладные аспекты турбулентных течений, Таллин, 1976. Методы лазерной доплеровской диагностики в гидроаэродинамике, Минск, 1978. Применения лазеров в приборостроении, машиностроении и медицинской технике, Москва, 1979. Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения, Новосибирск, 1980. Экспериментальные методы и аппаратура для диагностики турбулентности, Новосибирск, 1979, 1981. Опыт применения лазеров в приборостроении и машиностроении, Ленинград, 1983. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение, Москва, 1984. Всесоюзная конференция по турбулентности, Жданов, 1984. Турбулентные двухфазные течения и техника эксперимента, Таллин, 1985. Физические методы исследования прозрачных неоднородностей, Москва, 1977, 1983, 1986. Применение лазеров в технологии и системах передачи и обработки информации, Ленинград, 1984; Таллин, 1987. Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов, Нальчик, 1982; Севастополь, 1985; Гродно, 1988. Лазеры в народном хозяйстве, Москва, 1986, 1988. Всесоюзная школа по оптике рассеивающих сред, Минск, 1990. Оптические методы исследования потоков, Новосибирск, 1989, 1991, 1993; Москва, 1995, 1997.

По результатам проведенных исследований лично и в соавторстве опубликовано 97 работ, в том числе 3 учебных пособия, получено 10 авторских свидетельств на изобретения. Подавляющее большинство этих публикаций представлены в списке литературы [13-104].

Начато исследований было положено кандидатской диссертацией [21] «Анализ рассеянного турбулентным потоком излучения в приложении к задачам лазерной анемометрии», выполненной в МЭИ и защищенной в 1976 г. во ВНИИОФИ (научные руководители: В. А. Фабрикант, Б. С. Рин-кевичюс). Однако, если на начальном этапе работы над темой акцент делался в основном на оптических проблемах и демонстрации возможностей методов ЛДА, в дальнейшем вопросы, связанные с изучением объекта

диагностики - гидродинамической турбулентности, определяющие конечную цель исследования и его прикладную значимость, приобрели основополагающее значение. В этой связи в обзор работ по ЛДТ включены, в основном, те публикации, которые печатались в специализированных изданиях по разделам механики жидкости и газа.

В отличие от [21] вопрос взаимодействия лазерного излучения с частицами трассерами исследован на основе расчетов рассеяния по формулам Ми [105-106] с учетом поляризационно-фазовых эффектов. Создана строгая теория ЛДСТ с детальным анализом методических погрешностей при измерении статистических характеристик турбулентных пульсаций скорости различных порядков. Проведены исследования турбулентных полей потоков в аппаратах и устройствах широкого спектра применений. На основе теории информации изучены фундаментальные ограничения метода и специфические погрешности при исследовании профилей турбулентных параметров потоков. Разработаны принципы и созданы практические автоматизированные системы для измерений компонент тензора пространственных корреляций скорости. Использование этих систем позволило получить новые данные, углубляющие представления о физике турбулентного движения потоков жидкости и газа, а также количественные характеристики по энергии турбулентности, турбулентным напряжениям и др., необходимые для построения полуэмпирических моделей турбулентного переноса.

1. Лазерная диагностика турбулентности достижения и перспективы развития

Среди экспериментальных методов исследования турбулентности особое место занимают оптические лазерные методы, обладающие такими важными преимуществами как бесконтактность измерений, высокая точность, быстродействие, локальность.

Анализ достаточно представительной выборки публикаций последних лет [107-179], посвященных данной тематике, позволяет сделать вывод, что основными современными методами лазерной диагностики турбулентности являются: лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА); лазерная времяпролет-ная анемометрия; лазерная анемометрия изображений частиц; лазерные светорассеяние и люминесценция; лазерная дифракционная и рефракционная диагностика; лазерная интерферометрия; лазерная визуализация.

Среди перечисленных методов с точки зрения развития аппаратурного обеспечения, значимости полученных результатов и высоких метрологических характеристик при измерении параметров турбулентности потоков безусловно исключительное значение имеет лазерная доплеровская диагностика, причем другие методы зачастую эффективно используются для количественных измерений лишь в комбинации с ЛДА. Естественно поэтому основную часть обзора посвятить лазерной доплеровской анемометрии турбулентны