Развитие панорамных методов оптической диагностики пространственных течений тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

РГб од

1 Н АВГ 1995

На правах рукописи

Павлов Александр Алексеевич

РАЗВИТИЕ ПАНОРАМНЫХ МЕТОДОВ ОПТИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ

01.02.05 - механика жидкости газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Новосибирск 1995

Работа выполнена в Институте теоретической и прикладной механики Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Харитонов A.M.

доктор физико-математических наук, профессор Оришич A.M.,

доктор технических наук профессор Солодкин Ю.Д.

Институт автоматики и электрометрии СО РАН ( г. Новосибирск )

Защита состоится " " 1995 г. в 15 часов на

заседании диссертационного совета К. 003.22.01 по присуждению ученой степени кандидата наук в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН по адресу: 630090, Новосибирск 90, ул. Институтская, 4/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТПМ СО РАН

Автореферат разослан "

1995 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

д. ф-м. н. . 'ФтКс/ъ™^^ - В.И.Корнилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие авиационной и космической техники ¡ъявляет все более высокие требования к количеству и качеству ормации, получаемой при изучении трехмерного обтекания летательных :ратов в широком диапазоне параметров. Это ведет к необходимости, :ду с дальнейшим развитием и совершенствованием традиционных ериментальных методик, внедрения и развития новых или мало ространенных, но более производительных, как количественных, так и ственных методов исследований. Большой интерес в этом плане ¡лекают оптические методы. К их наиболее существенным достоинствам ует отнести бесконтактность и возможность получения за малые ■гежутки времени информации сразу в большом поле исследуемого объекта называемые панорамные методы). Использование панорамных методов получения количественных данных связано с необходимостью обработки .тих объемов информации, что в некоторой степени сдерживало их 1Льзованис в эксперименте. С развитием вычислительной техники и визионных фотоприемников, эта проблема несколько потеряла свою оту, однако, по-прежнему является актуальным проведение работ как но итиго непосредственно оптических методов диагностики, так и разработке ем сбора и обработки больших массивов данных получаемых с их >щью.

1ель диссертации состоит в развитии панорамных оптических методов иостики газовых потоков, таких как метод "лазерного ножа", панорамный 1С, оптический метод измерения поверхностного трения, и в разработке емы сбора и первичной обработки оптической информации. Научная нов из на.

1. Впервые внедрен метод "лазерного ножа" для визуализации сложных :транственных течений на сверхзвуковой аэродинамической трубе с :рой давления работающей на чистом осушенном воздухе с расходом уха до 100 кг/с. Для получения светорассеивающих частиц используется , вводимая в тракт трубы в количестве до 1.1 г на кг воздуха. Проведены эвые испытания, убедительно показавшие незначительное влияние .имого количества воды на неоднородность параметров потока. I. Предложен и апробирован новый метод панорамных измерений полей юсти. Даны основные принципы построения использующихся для этого [ческих интерферометров, позволяющих получать интерферограммы фузно рассеивающих объектов в прямолинейных эквидистантных полосах. 1 Предложена модификация оптического метода измерения ■рхностиого трения, основанного на регистрации в отраженном лазерном е изображений растекающейся под действием потока масляной пленки, ¡сенной на исследуемой поверхности. По сдвигу интерференционных >с равной толщины можно судить о скорости растекания и о величине

поверхностного трения. Получены соотношения позволяющие расширить метод для случая градиентных течений и криволинейных линий тока.

Достоверность результатов подтверждена сравнением с данными полученными другими методами, с численным расчетом и с данными из литературных источников.

Научная и практическая ценность.

Развитый метод "лазерного ножа" широко используется в аэрофизическом эксперименте для исследования картины течений при сверхзвуковом обтекании сложных моделей. Получено большое количество данных для различных конфигураций. Результаты могут использоваться при изучении характера обтекания моделей и их фрагментов и учитываться при разработке перспективных сверхзвуковых летательных аппаратов. Опыт и рекомендации полученные при внедрении данного метода на сверхзвуковой аэродинамической трубе с камерой давления Т-313 ИТПМ СО РАН, работающей на чистом осушенном воздухе, могут быть полезными для внедрения этого метода на других установках подобного типа.

- Внедрение панорамного метода регистрации полей скорости позволит получать информацию о распределении полей скорости в выбранном сечении за время регистрации одного кадра и важно как с точки зрения уменьшения времени эксперимента, так н с точки зрения увеличения объема полезной информации, получаемой за один эксперимент.

- Оптический метод измерения поверхностного трения использовался при исследовании турбулентных пограничных слоев и сложных отрывных течений при дозвуковых и сверхзвуковых режимах обтекания и позволяет регистрировать поверхностное трение в случаях когда использование других методов затруднительно или вообще невозможно.

- Разработанная система ввода и обработки оптических изображений позволяет автоматизировать измерения с помощью оптических методов, что очень важно в плане увеличения объема получаемой информации, упрощения процесса получения конечных результатов, удешевления эксперимента, позволит в некоторых случаях получать конечные данные непосредственно в темпе эксперимента. Возможность довольно простой адаптации системы исключает необходимость в создании для каждого метода отдельного программного обеспечения, за исключением разработки необходимых пользователю функций и алгоритмов.

На защиту выносятся:

- Методика получения картин визуализации с помощью метода "лазерного ножа" в сверхзвуковых аэродинамических трубах, работающих на чистом осушенном воздухе. Данные по влиянию на параметры потока вводимых светорассеивающих частиц и рекомендации по их концентрации и способу ввода в основной поток. Результаты тестовых экспериментов по применению метода в сравнении с результатами полученными другими способами.

Метод панорамного лазер-допплеровского измерения скорости, являющийся развитием метода "лазерного ножа". Оптические схемы интерферометра и экспериментальной установки, использующиеся для его реализации. Данные по измерению полей скорости в сверхзвуковой двухфазной струе.

- Оптический метод измерения поверхностного трения, основанный на регистрации процесса растекания масляной пленки, с помощью полевых интерферометров. Развитие метода на случай градиентных пространственных течений.

- Контроллер ввода в ЭВМ телевизионных изображений и программный пакет сбора и первичной обработки оптической информации. Результаты использования пакета для некоторых оптических методов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1982); IX Всесоюзной конф. по генераторам низкотемпературной плазмы (Фрунзе, 1983); 4 Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1986); 5 школе по методам аэрофизических исследований (Абакан, 1989); Всесоюзном семинаре по аэродинамике гиперзвуковых летательных аппаратов (Калининград Моск. обл., 1990); Всесоюзной школе по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1990); Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1992); Международной конференции по методам аэрофизических исследований (Новосибирск, 1994).

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 10 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации объемом 155 страниц включает введение, 3 главы и заключение. К тексту прилагается список использованной литературы из 92 наименований, 2 таблицы, и 66 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Дана краткая характеристика и достоинства оптических методов диагностики газовых потоков. Отмечена актуальность темы. Сформулированы выносимые на защиту положения. Дана структура и общая характеристика работы.

Глава 1. Развитие метода "лазерного ножа" для визуализации потока в сверхзвуковых аэродинамических трубах. В п. 1.1. дано общее описание метода, краткий обзор примеров его использования другими авторами и эсобенности его применения в аэродинамических трубах, работающих на чистом осушенном воздухе. Визуализация обусловлена рассеянием излучения эт плоского лазерного пучка на частицах, присутствующих в потоке. Интенсивность излучения от какой-либо области выделенного сечения

пропорциональна зависящей от параметров потока концентрации частиц в этой зоне, что и служит основой для визуализации картины обтекания.

Б пп. 1.2 - 1.3 приведены оптические схемы формирования лазерного ножа ( рис. 1) и схемы регистрации картины визуализации ( рис. 2 ) применительно к сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-313 ИТПМ СО РАН. Даны краткие характеристики различных схем и примеры их использования. В результате, наиболее приемлемым оказался вариант с установкой специально разработанного фотоаппарата непосредственно в потоке на саблевидной подвеске. Объектив фотоаппарата предохраняется от воздействия потока и светорассеивающих частиц защитным оптическим стеклом, которое, в свою очередь, защищено металлической заслонкой. Открытие заслонки осуществляется дистанционно с помощью электромеханического устройства только на время экспозиции. Это существенно увеличивает срок жизни защитного оптического стекла.

В пп. 1.4-1.5 обсуждаются вопросы выбора светорассеивающих частиц и их влияния на параметры потока. Эксперименты проводились с использованием в качестве запылителя углекислого газа или ларов воды, которые при адиабатическом расширении в сверхзвуковом сопле успевают конденсироваться в частицы необходимых размеров в виде тумана. Минимальный весовой расход, необходимый для начала конденсации, определяется выражением ^^з^Шц^Р,, 3.)/ ({.1вРСт). где ц3 и РН ЗГ молекулярный вес и давление насыщенных паров используемого вещества, цв, Рст и \У„ молекулярный вес, статическое давление и весовой расход воздуха. К минимальному расходу необходимо добавить некоторое количество вещества для получения непосредственно светорассеивающих частиц. Величина этого расхода определялась экспериментально. Было показано, что использование СО2 позволяет осуществить визуализацию потока только при числах Маха М > 2.75 при локальном запылении потока. Наиболее приемлемым запылителем является вода, вводимая в тракт подвода трубы перед форкамерой. Конденсация воды в количестве до -1.5 г на кг сухого воздуха, что всего в 2-3 раза превышает количество остаточной влаги в осушенном воздухе (~0.5 г/кг воздуха), достаточно для визуализации картины течения и не приводит к значительному изменению неоднородности параметров потока в рабочей части аэродинамической трубы ( рис. 3,4 ).

В п. 1.6 приводятся результаты сопоставления картин визуализации с данными пневмометрических измерений. Показано хорошее совпадение этих результатов. В этом же параграфе приводится несколько примеров картин визуализации сверхзвуковых пространственных течений ( рис. 5 ) и обсуждаются их особенности, выявленные в результате визуализации.

П.1 7 посвящен развитию метода лазерного ножа для панорамных измерений полей скорости. Оптическая схема измерений включает фокусирующую часть, обеспечивающую, как и в методе лазерного ножа, освещение выбранного сечения и приемной части, основным компонентом

которой служит полевой интерферометр с локализацией интерференционных полос в плоскости изображения исследуемого объекта.

Для регистрации допплеровского сдвига по полю изображения необходимо соблюдение следующих условий:

1. Изображения объекта, создаваемые интерферирующими пучками, должны точно совпадать друг с другом. Это необходимо в связи с диффузным характером рассеяния зондирующего излучения частицами в измерительной плоскости, приводящей к нарушению пространственной когерентности регистрируемого излучения по полю объекта.

2. Для регистрации сдвига частоты необходима отличная от нуля разность хода интерферирующих лучей. При этом сдвиг интерференционной картины на одну полосу будет соответствовать допплеровскому сдвигу частоты на А\=С/ДЬ, где Ду - область свободной дисперсии интерферометра, С -скорость света, АЬ - оптическая разность хода интерферирующих лучей.

Традиционный интерферометр Фабри - Перо с полосами равного наклона, локализованными в плоскости изображения объекта, использовался для измерения поля скорости у среза сверхзвукового сопла диаметром 1 мм. Струя содержала частицы алюминия диаметром -10 мк. По полученным интерферограммам было рассчитано поле скоростей. Данные результаты подтверждают принципиальную возможность использования интерферометра Фабри -Перо для панорамных измерений скорости. Однако, существенным недостатком этих интерферометров является криволинейность и неравномерность шага интерференционных полос по полю изображения. Для его устранения необходимо соблюдение третьего условия, а именно:

3. Для получения интерферограмм диффузно рассеивающих объектов в прямолинейных эквидистантных полосах необходимо обеспечить совпадение кривизны волновых фронтов интерферирующих пучков.

На рис. 6-а приведена оптическая схема панорамных измерений скорости с применением специального двухлучевого интерферометра, удовлетворяющего необходимым условиям. Излучение, рассеянное от выделенного сечения потока 1 объективами 2 и 3, подается в интерферометр. Диафрагма 4 ограничивает угловую апертуру принимаемого излучения и, тем самым разброс в допплеровском сдвиге частот. Интерферометр образован светоделительным кубиком 6 и зеркалами 7-9. В большем плече помещена линза 5. Зеркала 7 и 9 расположены в фокальных плоскостях линзы 5 и Р2. Плоскость Р1 по отношению к светоделительному кубику расположена симметрично с плоскостью расположения зеркала 8 В коротком плече излучение просто отражается от зеркала 8 и, пройдя светоделительный кубик 6, выходит из интерферометра. Во втором плече излучение проходит через верхнюю половину линзы 5, отражается от зеркала 9 и проходит через нижнюю половину этой линзы до зеркала 7. После отражения излучение проходит по тому же пути назад и выходит из интерферометра.

Изображение исследуемого сечения, модулированное

интерференционными полосами, объективом 10 фокусируется в плоскости

регистрации 11. Очевидно, что такой интерферометр аналогичен

интерферометру с двумя идентичными линзами в большем плече,

расположенным на двойном фокусном расстоянии друг от друга. Применение

промежуточного зеркала 9 и использование при каждом проходе излучения

только одной половины поля линзы позволило существенно сократить

габариты прибора, упростить его настройку и обойтись без дополнительной

довольно дорогой линзы.

Пусть А1(Х,У) распределение комплексной амплитуды в плоскости Р1

( такая же амплитуда с точностью до постоянного множителя будет и в П ).

Для тонкой линзы комплексные амплитуды излучения в фокальных

плоскостях связаны между собой через преобразование Фурье:

ЫяЕУ

а>(х,у) = :(А.(х,¥)) е с ,

где И - фокусное расстояние линзы, - оператор фурье преобразования. Аналогично, комплексная амплитуда отраженного от зеркала 9 излучения в плоскости зеркала 7

¡4п1'\ ШлКУ

Аз(х,¥) = ~(а2(х,у)) е С = (-(А,(х,¥)))е С .

Из свойств преобразования Фурье следует, что (А(Х,У))) = А(-Х,-¥). Таким образом,

йдЕк

Аз(Х,У) = А1(-Х,-У)е

Отразившись от зеркала 7, излучение опять дважды проходит через линзу 5. В итоге в плоскости Р1 для комплексной амплитуды выходящего из интерферометра излучения имеем:

ЩяЕУ ЦзаЛЬ

А(Х,У) =А»(Х,У)е С =А1(Х,У)е С

Таким образом, мы имеем на выходе из интерферометра в обоих плечах совпадающую с точностью до постоянного для данной частоты фазового ' множителя комплексную амплитуду. Это позволяет наблюдать интерференционную картину между выходящими пучками. Фокусировка изображения исследуемого объекта в плоскости зеркала 8 позволяет получать интерферограммы и конечных полосах, так как это плоскость локализации интерференционных полос. Изменяя в небольших пределах наклон зеркала 8, можно менять их шаг и наклон.

В качестве тестовых экспериментов производилось измерение скорости вращения диска диаметром 100 мм ( рис. 6-6 ) с одновременным измерением частоты модуляции светового пучка на отверстиях в диске. Различие в

еряемых скоростях не превышало 2% при «г =240 об/сек. Были ведены измерения скорости частиц алюминия диаметром -10 мк в «звуковой струе. Полученные результаты убедительно показали ггоспособность и перспективность метода.

Глава 2. Развитие оптического метода измерения поверхностного трения. Одним из важнейших параметров при изучении пристенных течений 1ется поверхностное трение. В п.2.1 дается краткое описание известного пеского метода измерения это параметра, основанного на регистрации гнепия толщины масляной пленки, нанесенной на исследуемую ;рхность. Однако, традиционная реализация метода обладает рядом остатков: громоздкость конечных формул, используемых при вычислении зрхностного трения; необходимость постоянной регистрации во времени шюв с фотоприемников и, как следствие, ужесточение требований к устимым уровням вибраций; возможность одновременного измерения гия только в одной точке, что связано со сложностью оптической схемы; ьное влияние на результаты измерений запыленности потока. В п.2.2 дается описание методики исключающей эти недостатки. При этом штрируется изображение масляной пленки в зеркально отраженном :рном свете. Интерференция пучков, отраженных от поверхности пленки и ели, приводит к пространственной модуляции изображения полосами той толщины. Изменение интерференционной картины позволяет судить о цессе растекания масла. Для вычисления поверхностного трения эльзуется соотношение т = -ру(с! ^(у)/сЮ, где х - поверхностное трение, I V - плотность и кинематическая вязкость масла, у - угол между грхностью пленки и модели. Угол у находился из регистрируемых ерферограмм.

В пп. 2.3 и 2.4 приводится оптическая схема и результаты измерений в зуковом и сверхзвуковом потоках (рис. 7, 8, 9 ). Сравнение результатов с ленными расчетами и данными полученными с использованием группы эдов базирующихся на информации об экспериментальном распределении эостей говорит о достоверности полученных результатов и о возможности ежного использования метода.

Одним из достоинств использовавшейся схемы является возможность ерения трения одновременно в нескольких точках ( до 8 ). Все лтьтаты, приведенные на рис. 8, 9, получены из подобных серий. Приведенное выше соотношение (далее дифференциальный алгоритм) учено в предположении постоянства поверхностного трения на всем тяжении масляной пленки, линейности ее профиля и параллельности дельных линий тока на поверхности исследуемой области модели и яется частным случаем более общего соотношения (далее интегральный эритм) вывод, которого дается в п.2.5:

2 jd<Pd?

= ТсТТГТзТёТ—--z-. w = AS(0)-eods - ширина струйки

тока масляной пленки, Ь, - координата вдоль предельной линии тока, L(^) -толщина пленки, dtp/ds изменение угла наклона предельной линии тока по координате, ортогональной ее направлению.

Для проверки возможности применения модифицированного метода были проведены измерения поверхностного трения на плоской пластине со ступенькой ( рис. 10 ). Данное течение интересно в методическом плане наличием отрывной зоны с большим градиентом коэффициента поверхностного трения в ее окрестности, а также зоны возвратного течения в которой другими методами измерить трение практически невозможно. Измерения проводились на сверхзвуковой аэродинамической трубе Т-325 ИТПМ при М=3, Re8=75000, Р0=375 кПа, Т0=283К. Для перекрытия всего диапазона координаты X было произведено несколько пусков аэродинамической трубы.

Анализ результатов измерений, представленных на рисунке, в сравнении с данными расчетов на основе осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса и по методу Спеллинга - Чи, выполненных Борисовым А.Б., показывает их хорошее совпадение. Однако, расчетная длина области отрыва (Cf=0) заметно меньше, определенной экспериментально. Наблюдается также заметное отличие расчетных и экспериментальных данных в зоне значительных отрицательных градиентов (171<Х<184 мм). Возможные причины этого несоответствия, связанные, например, с точностью расчетов, определяемой порядком используемой схемы и /или физическими факторами, не учтенными в расчетной модели, такими как наличие сильных нестационарных эффектов, более подробно обсуждаются в работе /8/.

Тем не менее эксперименты убедительно показали работоспособность метода как при дозвуковых, так и сверхзвуковых режимах обтекания и хорошее совпадение полученных результатов в сравнении с данными измерений другими методами и результатами численных расчетов.

Глава 3. Интерактивная система ввода и первичной обработки на ЭВМ результатов измерений г помощью панорамных оптических .методов. Применение панорамных оптических методов связано с регистрацией и обработкой больших массивов информации. Решение этой задачи возможно с помощью применения современной телевизионной и вычислительной техники. В главе приводятся результаты работ- по разработке и созданию интерактивной системы ввода и первичной обработки оптической информации.

Одной из важнейших составляющих подобной системы является контроллер ввода телевизионных изображений в ЭВМ. В п.3.1 дается описание такого контроллера и программного обеспечения для его работы. Разработанный контроллер позволяет вводить непосредственно в оперативную

память ЭВМ до 100 телевизионных изображений подряд или с заданным промежутком времени. Обеспечивается разрешение по полю 512x256 пикселей при 64 градациях яркости. Необходимая скорость ввода информации ( 10 Мбайт/сек ) обеспечивается использованием режима прямого доступа к памяти с захватом системной шины с помощью сигнала MASTER. Разработана резидентная программа, устанавливаемая по вектору прерывания 0x61, позволяющая управлять работой контроллера из любой пользовательской программы. При вызове функции {asm int 0x61} в регистрах AL, АН и ВХ передается необходимое количество вводимых изображений, адрес буфера используемой для этого памяти и количество пропускаемых телевизионных полей между вводимыми изображениями (скважность).

При работе с изображениями многие функции ( такие как ввод изображений в ЭВМ, сохранение изображений в файлах и их загрузка из файлов, прорисовка примитивов, ввод масштабов и т.п. ) являются общими для большинства методов. Что касается алгоритмов получения конечных результатов, то они могут существенно отличаться для различных задач. В этой связи представляется актуальной разработка базового программного пакета, предоставляющего пользователю общие для всех методов возможности и позволяющего подключать функции и алгоритмы обработки специфические для конкретной задачи. В п. 3.2 дано описание подобного пакета ITAM_VID.

Пакет содержит два исполняемых ЕХЕ файла и несколько дополнительных служебных файлов, несущих информацию о конфигурации системы. Часть этих файлов являются графическими файлами формата BMP без расширения и содержат изображения используемых окон, другая часть в двоичном виде содержит информацию о расположении этих окон, о координатах рабочих нолей для данного окна и наборе выполняемых в этих полях функций. С помощью соответствующего редактирования служебных файлов можно модифицировать базовый пакет без изменения исполняемых файлов. При этом пользователь может использовать как набор базовых функций, так и самостоятельно разработанные функции Для работы с конкретным методом.

В пп. 3.3 рассмотрены возможности базовой конфигурации системы ввода и обработки изображений. Дано описание рабочих окон и функций реализуемых в них. .. • .

В п. 3.4 приведен ряд примеров использования системы применительно к различным оптическим методам. Даны примеры маслосажевой визуализации на поверхности продольно обтекаемого двугранного угла и результаты компьютерной обработки полученных изображений в плане построения предельных линий тока и повышения местных контрастов по методу скользящей эквализации ( рис. 11 ). Приводятся результаты использования системы для визуализации структуры гиперзвуковых течений с помощью электронного пучка ( рис. 12. ); регистрации полей температур и

поверхностного трения с помощью жидких кристаллов ( рис. 13 ); визуализации изотерм на поверхности модели, обтекаемой гиперзвуковым потоком с помощью термоиндикаторных покрытий; исследования процессов горения ( рис. 14 ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Приведены основные результаты диссертации и выводы: 1. Развит и внедрен метод "лазерного ножа" для визуализации сложных течений в сверхзвуковой аэродинамической трубе с закрытой рабочей частью Т-313 ИТПМ СО РАН, работающей на чистом осушенном воздухе. Показано, что для визуализации течений на подобных установках, наиболее приемлемым "запылителем" потока является вода, вводимая в небольших количествах в тракт подвода воздуха. Проведены тестовые испытания, убедительно показавшие незначительное влияние вводимого количества . воды на неоднородность параметров потока. Проведено сопоставление различных способов исследования пространственной структуры некоторых сверхзвуковых течений и доказана достоверность результатов получаемых методом "лазерного ножа".

2. Предложен и обоснован способ панорамных измерений скорости и продемонстрирована возможность использования для этой цели как многолучевых, так и двухлучевых интерферометров. Опробовано несколько способов панорамного лазер - допплеровского измерения нолей скорости. Предложена конструкция полевого интерферометра для панорамных измерений скорости, позволяющего получать интерферограммы диффузных объектов в прямолинейных эквидистантных полосах.

3. Развит и реализован оптический метод измерения поверхностного трения, основанный на регистрации процесса растекания масляной пленки с помощью панорамных интерферометров. Метод, по сравнению с ранее известным, обладает рядом преимуществ такими как: ослабление влияния на результаты измерения запыленности потока; отсутствие необходимости постоянной регистрации сигналов с фотоприемников, что уменьшает требования к уровням допустимых вибраций; возможность измерения трения одновременно в нескольких точках. Предложена методика обработки экспериментальных данных, позволяющая проводить измерения в случаях наличия градиентов поверхностного трения, нелинейности профиля масляной пленки и криволинейности предельных линий тока. Тестовые эксперименты убедительно показали работоспособность метода как при дозвуковых, так и при сверхзвуковых режимах обтекания и приемлемое совпадение результатов с данными численных расчетов и измерений другими методами.

4. Создана система ввода и первичной обработки изображений в ПЭВМ. Для этого разработан и изготовлен контроллер ввода изображения, позволяющий вводить до 100 телевизионных полей с заданным временным интервалом. Разработан базовый пакет программ для работы с оптическими методами измерений. Пакет имеет набор общих функций для работы с изображениями. Заложена возможность изменения конфигурации пакета и

подключения специфических для конкретного оптического метода функций обработки оптических изображении в зависимости от требований пользователя. Приведены примеры использования системы для различных задач визуализации и оптических методов измерений, доказывающие ее работоспособность и хорошую адаптацию к требованиям пользователя.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Максимов А.И., Павлов A.A. Развитие метода "лазерного ножа" для визуализации потока в сверхзвуковых аэродинамических трубах. / Ученые записки ЦАГИ, том XVII, N 5, 1986. 5.18.

2. Васенев Л.Г., Максимов А.И., Павлов A.A., Шевченко A.M. Развитие метода лазерного ножа для визуализации потока в классических сверхзвуковых аэродинамических трубах. / В сб.: 4 Всесоюзная школа по методам аэрофизических исследований. Тезисы докладов. Новосибирск, 1986.

3. Бердюгин А.Е., Павлов A.A., Рудницкий А.Л. Панорамные измерения полей скорости. / В сб. "Оптические методы исследований газовых потоков и плазмы", Минск, 1982, с. 30-35.

4. Павлов A.A., Фомичев В.П., Бердюгин А.Е., Казанцев A.B. Панорамное измерение полей скорости частиц в гетерогенных струях. / IX Всесоюзн. конф. по генераторам низкотемпературной плазмы. "ИЛПМ", Фрунзе, 1983.

5. Павлов A.A. Интерферометр для панорамных измерений скорости его варианты. / Авторское свидетельство N 1304565, 1986.

6. Kornilov V.l., Pavlov A.A., Shpak S.I. On the Techniques of Skin Friction Measurement Using Optical Method. / International Conference on the Methods of Aerophysical Research, Novosibirsk 1992.

7. Корнилов В.И., Павлов A.A., Шпак С.И. К методике измерения поверхностного трения оптическим методом в сверхзвуковом потоке. / Сибирский Физико-Технический Журнал, Новосибирск, 1991, вып. 6, с. 4752.

8. Борисов A.B., Желтоводов A.A., Павлов A.A., Шпак С.И. Развитие экспериментальных и расчетных методов исследования сверхзвуковых отрывных течений. / Препринт N9-93, ИТПМ СО РАН, Новосибирск, 1993.

9 Павлов A.A.. Шпак С.И. Развитие системы ввола и обработки на ЭВМ результатов измерений с помощью панорамных оптических методов. Часть 1. Система ввода изображений в ПЭВМ типа IBM PC. / Отчет ИТПМ N2206, 1992.

10. Корнилов В.И., Меклер Д.К., Павлов A.A. К методике измерения поверхностного трения одполучевым лазерным интерферометром. / В сб. трудов 5 школы по методам агрофизических исследований, с. 144 - 151, Новосибирск, 1990.

Вид сверху

1 4

-в-а-

Вид сбоку

(Г

Рис.1. Схема формирования лазерного Рис. 2. Схема регистрации. 1 - лазер, 2 ножа. 1 - лазер, 2,3 - цилиндрические - оптическая система, 3 - исследуемое линзы, 4 - сферическая линза. сечение, 4 - модель, 5 - саблевидная

подвеска. 6 - (Ьотоаппаоат.

и (Г ¿л а.»

—гзг^мо з-4> аз*-*-»« «!»—и* *а.м

1 им ь г п®1 в

4,0

*Х а) ч- «X тЬ 'X б) '+ .X

Рис. 3. Поле местных чисел Маха в рабочей части Т-313 при работе на сухом воздухе (□ , ^ ) и при подаче воды (■ ). Сечение Х=675 мм от среза

сопла, а) М„ = 2.25, б) М„ = 4.

0.1 о

-СХ1

• ■ л

ч

••1 Г» к' *ч

"1-12.5"

;шшп1

1 5 9 13 17 21 25 29 31 35 39 <3 41

Рис. 4. Распределение давления на поверхности клина на сухом воздухе (П ^ ^ ^ ) и при подаче воды ( ^ ).

4

4 М »

1

Рис. 5. Пример визуализации с помощью метода "лазерного ножа" картины

2 4 3 8

— — — -7

обтекания треугольного крыла при Мэо-4

/

10 11

\7

а)

Рис. 6. Оптическая схема двухлучевого интерферометра для панорамных измерений скорости а) и примеры интерферограммы вращающегося диска и сверхзвуковой струп б).

3 4

М1

угу

Рис. 7. Схема измерения поверхностного трения и типичные интерферограммы растекающейся масляной пленки. 1 -лазер, 2.3 - сферические линзы, 4 -поворотное зеркало, 5- масляная пленка, 6 - модель, 7- телекамера.

С.(С,

ж

10 м

О.............20.............40 $ !50.?..мм

1.0 и 1.4 1.6 2.0 15 3.0 4.0 4.5 5.5

"Рис. 8. Распределение коэффициента поверхностного трения по размаху продольно обтекаемого двугранного угла при и„ = 30 м/с, Ие* = 1.8 106. • - лазерный интерферометр, О - Б = 1.08 мм

Л - Б =

Престона.

1.61

+ - Б = 2.01 мм

мм

- Метод

Рис. 9. Распределение коэффициента поверхностного трения на стенке рабочей части трубы при М«, = 3. О - лазерный интерферометр, • - Сполдинг и Чи (числ. расч.), х - Муур и Хоркнесс (эксн.).

0.2

Рис. 10. Распределение коэффициента поверхностного трения на пластине со ступенькой. ■ , ф , • - Эксперимент. Расчеты : -

уравнения Навъе - Стокса,----- метод Сполдинга - Чи.

Рис. 11. Фрагмент изображения масло-сажевой визуализации взаимодействия падающего косого скачка уплотнения с турбулентным пограничным слоем на вертикальной грани двугранного угла, обработанный по методу скользящей эквализации ( повышение местных контрастов ). Поток слева.

а) б)

Рис. 12. Визуализация методом электронно-пучковой флюоресценции гинерзвукового обтекания двух тонких пластин наклоненных симметрично относительно оси потока под углом атаки: а) 0°, б) 20°. Поток справа.

Рис. 13. Визуализация поверхностного трения с помощью термохромных ЖК покрытий на вертикальной поверхности двугранного угла в окрестности установленных на поверхностях цилиндров. Поток справа, а) - до включения потока, б) - поток включен. Отчетливо просматриваются область отрыва 1 и присоединения потока 2, области возвратного течения до цилиндра 3 и после 4. 5 - горизонтальная поверхность угла, 6 - граница ЖК покрытия.

Рис. 14. Процесс горения гексогеновой таблетки.