Корреляционные методы измерения скорости и температуры высокоскоростного воздушного потока и реагирующих смесей, страница 3

Показано, что сужение интервалаожидаемых скоростей к реальному диапазону приводит к уменьшениюколичества ошибок автоматической обработки результатов эксперимента (т.е.значений, более чем на 25% отличающихся от средней величины). Увеличениедлительности интервала разбиения с 0,2 мс до 1 мс влияет аналогичнымобразом. Необходимо отметить, что дальнейшееувеличение интерваларазбиения не уменьшает количество ошибок обработки, однако при этомухудшается временное разрешение корреляционного метода.Вразделе3.3представленырезультатыизмеренийскоростисверхзвукового потока.

Для потока без предварительного нагрева проведеносравнение результатов: для канала с М = 2 скорость потока, определеннаяпредложенным методом, составила V = 49530 м/с, что хорошо согласуетсяс результатом V = 4877 м/с, полученным через газодинамические функции поизмеренному статическому давлению.При использовании в ИАДТ-50Н подогревателя воздуха измеренаскорость потока предварительно нагретого газа. В нормальном режиме работыподогревателя нагрев газа приводил к увеличению скорости до 550 – 750 м/с.В данных опытах температура предварительно нагретого газа находилась13в интервале 360 − 670 K. В отдельных случаях использования подогревателянагрев приводил к ускорению газа до скорости 1200 м/с (нестационарныйрежим работы).

Зависимость скорости от времени при работе подогревателяпредставлена на Рис. 6.1300нормальный режимСкорость, (м/с)1100нестационарный режим9007005003000,080,090,10,110,120,130,140,150,160,17Время, (с)Рис. 6. Скорость потока при работе подогревателяВ разделе 3.4 представлен лазерный рефракционный метод определенияспектра возмущений, вызываемых в потоке электрическим пробоем: какодиночным импульсом, так и последовательностью импульсов искровогоразряда. Показано, что электрический пробой приводит к повышениюамплитуды спектра в широком диапазоне частот от 100 до 400 кГц. В случаепоследовательности из трех электрических разрядов (с интервалами междуимпульсами 110 – 140 мкс) повышение амплитуды на указанных частотахпроисходит в более широком временном интервале и возмущения практическисливаются в одно.

Графики зависимости среднего значения десятичногологарифма амплитуды в заданной полосе частот 2f от времени показанына Рис. 7.Скорость набегающего потока известна и составляет 495 м/с, поэтому пополученным данным можно оценить характерные масштабы возмущений.Указанныйт.е. таковыдиапазончастотхарактерныепоток.соответствуетразмерыПроведеноразмерампорядка1 – 5 мм,возмущений,вносимыеразрядомсравнениеполученныхразмероввсверхзвуковойсрезультатами обработки теневой фотографии.140,60,50,2Log(Amp)Log(Amp)0,4140 кГц220 кГц300 кГц0-0,2-0,4150 кГц225 кГц300 кГц0-0,5-1-0,6-0,849,8(а)5050,250,4Время, (мс)50,6-1,549,8(б)50,0550,350,55Время, (мс)50,8Рис. 7.

Повышение амплитуды колебаний при прохождении возмущенийа - Один разрядный импульс (2Δf = 40 кГц); б - три импульса (2Δf = 25 кГц)В четвертой главе представлен метод определения скорости потокавоздуха с помощью корреляционной обработки шлирен-изображения в области,частично занятой плазмой разряда постоянного тока, и в области плазмоинициированного взаимодействия воздуха с водородом.Вразделе4.1приведеноописаниедополнительныхэлементовэкспериментальной установки и используемого в данной главе оборудования.Получениеизображенийосуществлялосьсдляпомощьюдальнейшегооптическойкорреляционногошлирен-системы,анализарегистрацияпроводилась с помощью камеры линейного сканирования (КЛС), т.е.

за одинкадрполучаласьоднастрочкапикселей.ПодизображениемсКЛСподразумевается набор строк, расположенных в хронологическом порядке.Шлирен-система позволяет обнаружить в потоке достаточно малые градиентыплотности, в результате чего получаемые изображения КЛС представляют собойнаборы линий, визуализирующие перемещение неоднородности вдоль линейнойматрицы КЛС во времени.В разделе подробно описана схема расположения трубок подачи топливаи электродов.

В нижней стенке рабочей секции была установлена керамическаявставка с пятью отверстиями  4 мм для подачи топлива – водорода илиэтилена. Вставка также содержала 7 медных электродов  2 мм, торцы которых15располагались в одной плоскости с поверхностью вставки выше по потокуотносительно трубок на 15 мм. С помощью конденсаторов высокой емкости исистемыбалластныхсопротивлениймеждуэлектродамисоздавалсяэлектрический разряд постоянного тока.В разделе 4.2 представлено описание корреляционного метода обработкиизображений. Метод основан на определении смещения dx неоднородностиплотности в потоке за известное время dt, т.к. известна частота работы камерылинейного сканирования (50 или 100 кГц). Для определения смещения dx былаиспользованадвумернаявзаимная∬корреляционнаяфункция, где U1 и U2 – фрагментыисходного изображения, смещенные друг относительно друга по времени наодну строку. Типичный вид исходного изображения КЛС и двумерная взаимнаякорреляционная функция представлены на Рис.

8 и Рис. 9 соответственно.Время ТХ (вдоль потока)Рис. 8. Типичный вид изображения КЛС(по вертикали последовательные моменты времени)Рис. 9. Типичный вид двумерной ВКФ для фрагментов (два ракурса)16Сдвиг между двумя соседними максимумами по a и есть искомое dx.Скорость определялась с помощью программы, реализованной в программномкомплексе LabVIEW. В общем случае результат представлял собой изменениепрофиля скорости во времени.

Приведены результаты измерений скорости надпрофилем крыла в дозвуковом потоке, а также в зоне плазмо-инициированногогорения топлива (этилена или водорода) в сверхзвуковом потоке воздуха.Вразделе4.3приводитсяописаниеирезультатычисленногомоделирования горения водорода в потоке в присутствии объемного источникатепла, имитирующего плазму разряда постоянного тока. Расчеты выполнены впрограммном комплексе FlowVision. Полученная с помощью численногомоделирования структура потока сопоставляется с шлирен-визуализациейтечения. Затем для зоны плазмо-инициированного горения водорода проводитсясравнение профиля скорости, полученного с помощью корреляционного анализашлирен-изображения, с результатом численного моделирования (Рис.

10).Координата со значением 0 мм на Рис. 10 соответствует центру трубки подачитоплива. Полученные профили скорости качественно совпадают, однакоколичественные значения незначительно расходятся.350область присутствия топливаСкорость, (м/с)300250200150область присутствия разряда100Численное моделирование50Корреляционная обработка изображения0-20-100X, (мм)1020Рис. 10. Продольный профиль скорости в областиплазмо-инициированного горения водорода1730В заключении сформулированы основные выводы диссертационнойработы (положения, выносимые на защиту): Проведено исследование зависимости продольной длины импульсногоэлектрического разряда в высокоскоростном воздушном потоке отпараметров разряда. Показано, что при длительности импульса 20 – 30 мксразряд может быть применен для измерения скорости потока. Разработан иуспешно применен метод определения скорости по протяженностиимпульсного разряда для холодного и предварительно нагретого (до ~950 К)воздушных потоков, а также в потоке реагирующей смеси газов.

Значенияскоростей, измеренных предложенным методом, находились в диапазонеот 250 до 850 м/с. Разработана новая модификация корреляционного метода определенияскорости сверхзвукового потока, позволяющая проводить измерения поестественным маркерам (без внесения искусственных возмущений в поток).Метод успешно применен для холодного и предварительно нагретоговоздушных потоков в диапазоне скоростей от 490 до 1200 м/с. С целью количественного описания смешивания впервые проведеноэкспериментальное изучение влияния искрового разряда на спектрвозмущений плотности сверхзвукового потока.

Показано, что разряд создаетв потоке неоднородности с характерными размерами 1 – 5 мм. Разработан новый метод определения скорости потока в присутствии плазмыэлектрического разряда и в области химических реакций в потокепосредством корреляционного анализа шлирен-изображений с камерылинейного сканирования. Впервые проведены прямые измерения скоростиреагирующего газа при плазмо-инициированном горении газообразныхтоплив в сверхзвуковом потоке воздуха.

Показано, что при скоростисверхзвукового потока 495 м/с скорость газа в области разряда составляет180 – 230 м/с, а в области горения – 100 – 150 м/с.Лицензия на программный комплекс вычислительной аэро-гидродинамикиFlowVision предоставлена компанией ТЕСИС в рамках программы поддержкиучащихся высших учебных заведений «Учись, студент!».18ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИСтатьи в журналах, входящих в перечень ВАК:1) Ершов А.П., Каменщиков С.А., Колесников Е.Б., Логунов А.А., Фирсов А.А.,Черников В.А.

– О возможности измерения скорости потока с помощьюмаломощного импульсно-периодического разряда // Изв. РАН. МЖГ. 2008.№ 4. С. 119-127.2) Ершов А.П., Каменщиков С.А., Колесников Е.Б., Логунов А.А., Фирсов А.А.,Черников В.А. – Измерение скорости потока с помощью поперечного разряда// Вестн. МГУ. Сер. 3. Физика, астрономия. 2008. №. 3.