Автореферат (1103110), страница 3

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 3)

Материал главы поясняет мотивацию работыи выбор объектов исследования, аргументирует её актуальность.Во второй главе описываются условия, вэкспериментальные результаты, приводимые в работе.которыхбылиполученыВ параграфе 2.1 описывается основная экспериментальная установка,включающая в себя стенд УТРО-3 на базе однодиафрагменной ударной трубы,используемый для инициирования исследуемых явлений (см.

Рис. 1). Ударная труба ссекцией низкого давления прямоугольного сечения (24×48 мм) позволяет формироватьплоские УВ с числом Маха до М=5 в воздухе при атмосферном и пониженномдавлении. Кварцевые стёкла, формирующие две противоположные стенки ударнойтрубы в рабочей секции, обеспечивают оптический доступ к течению внутри ударнойтрубы на длине 160 мм вдоль оси трубы.

Разрядная секция, интегрированная в каналударнойтрубы,обеспечиваетинициациюскользящегоповерхностногонаносекундного разряда в геометрии прямоугольных листов размерами 30×100×1 ммна верхней и нижней стенках трубы. Напряжение, инициирующее разряд, составляет24–30 кВ, ток разряда достигает 1–2 кА. Длительность протекания разрядного токасоставляет около 200 нс. Разряд может быть инициирован при давлении воздуха от 5до 250 торр (при более высоком давлении разряд переходит в контрагированнуюформу), однако в экспериментах, описанных в данной работе, давление воздухасоставляло 110–250 торр.Рис.

1. Схема стенда УТРО-3. 1 – камера высокого давления, 2 – секциянизкого давления, 3 – разрядная секция, 4 – рабочая секция, 5 – датчикидавления в канале трубы, 6 – гасящий бакПараграф 2.2 описывает установку теневого фонового метода диагностикипотоков, применявшуюся в экспериментах.

Для ТФМ-визуализации использовалсяцифровой фотоаппарат Canon 550D c объективом EF-S 18-55 mm. Фотоаппаратработал в режиме длинной выдержки в затемнённом помещении, и эффективнаяэкспозиция визуализации определялась источником света. Источником в различныхэкспериментах служили либо импульсный твердотельный лазер (Nd:YAG, излучениевторой гармоники 532 нм), либо вспышка на основе газоразрядной лампы ИСШ-15. Впервом случае эффективная выдержка составляла 20 нс, во втором – ~2 мкс. Фоновоеизображение во всех случаях представляло собой напечатанный на лазерном принтереузор из чёрных квадратных точек, хаотически расположенных на белом фоне.Обработка экспериментальных изображений проводилась с помощью алгоритмовкросс-корреляционной обработки, реализованных в пакете DaVis фирмы LaVision.Параграф 2.3 посвящён модификации классического теневого фонового метода,разработанной автором в ходе выполнения диссертационной работы.

Модификацияпризвана сделать возможным прямое определение скачка плотности газа из данныхТФМ на фронте УВ и схожих высоких градиентах плотности. Сущностьпредложенной модификации заключается в визуализации УВ под заметным углом(10–20°) к её фронту, и изменённой обработкой полученных данных смещения.Предполагая, что смещение, регистрируемое на фронте УВ, является следствиемединичного преломления света на поверхности фронта как на поверхности разделапрозрачных сред, можно прямо связатьРис.

2. Схема рефракции лучей нафронте плоской УВ,распространяющейся внутри ударнойтрубы. Красным обозначен фронт УВрегистрируемоесмещениесизменением показателя преломления наэтой границе. При известном значениипостоянной Гладстона-Дейла это позволяетопределить скачок плотности газа нафронте УВ. Дополнительным требуемымпараметром является угол, под которымнаблюдается плоскость фронта УВ. Точноеопределениеэтогопараметравнестационарных экспериментах затруднено,чтоограничиваетпотенциальнуюприменимость описанной модификации.Параграф 2.4 описывает системуЦТА-диагностики,используемуювэкспериментах.

Система в виде аппаратнопрограммного комплекса поставлена фирмой LaVision. Подсветка трассирующихчастиц осуществлялась сдвоенным твердотельным лазером (Nd:YAG, излучениевторой гармоники 532 нм) с длиной импульса 9 нс и энергией импульса до 180 мДж.Съёмкаэкспериментальныхфотографийвеласьнаспециализированнуюдвухкадровую камеру с разрешением снимка 1600×1200 пк. Система позволялаполучать пары изображений частиц с эффективной экспозицией 9 нс, минимальнымвременным интервалом внутри пары 180 нс. Общее управление оборудованиемсистемы, а также обработка полученных изображений, осуществлялось насопряжённом персональном компьютере посредством пакета DaVis.В параграфе 2.5 рассматриваются аспекты ЦТА-визуализации течения внепосредственной близости от фронта УВ.

Cтроится аналитическая модель искаженияданных скорости ЦТА на фронте движущейся УВ. Приводится разработанная авторомметодика коррекции данных искажений.Искажение данных скорости ЦТА, отмечаемое во многих работах, в основномобусловлено инерционностью трассирующих частиц. Из-за неё в областях высокихградиентов скорость трассеров u p не совпадает со скоростью потока газа u f .

Теориявзаимодействия трассирующих частиц с потоком рассматривается в виде различныхформулировок коэффициента увлечения C D , определяющего силу, с которой потокгаза действует на частицу, имеющую не равную с ним скорость:FD  m pdu pdt u f  u p 2Sp f2CDВ качестве рабочего выражения для C D выбрана форма, полученная в работеТедеши и др (1999). В ней параметром, характеризующим инерционные свойствачастиц, является её эффективный газодинамический диаметр d p . Показано, что болеепростые формы коэффициента увлечения – например, использующие как параметрвремя релаксации частицы, – неадекватно отражают динамику увлечения частицы набольших градиентах скорости в потоке.На основе теоретической модели увлечения трассеров потоком строитсяпрофиль скорости трассирующих частиц за плоским участком фронта бегущей УВ.Затем рассчитывается вид этого профиля, регистрируемый ЦТА.

При этомучитываются разнесённая во времени механика ЦТА-измерений, движение фронта УВи течения за ним, принцип работы кросс-корреляционного алгоритма сравненияизображений. Таким образом, получена модель размывания скачка скорости на фронтеУВ, зависящая от реальных параметров течения и параметра инерционноститрассирующих частиц. Если теперь провести численную аппроксимациюэкспериментальных данных скорости этой моделью с некоторыми известнымипараметрами, можно восстановить неизвестные параметры течения и, следовательно,истинную форму профиля скорости. В этом и состоит предлагаемая методикакоррекции.В параграфе 2.6 описывается методика теневой визуализации, применённая вэкспериментах. Использовалась классическая оптическая схема теневого метода впараллельных лучах. В качестве источника света теневой схемы использоваласьимпульсная вспышка на базе лампы ИСШ-15.

Однако, в отличие от упомянутых вышеэкспериментовпоТФМ-визуализации,втеневойсхемеприменяласьвысокоскоростная камера Photron FastCam SA5. Камера регистрировала теневыеизображения с частотой 100 000–300 000 с-1. При этом длительность световогоимпульса вспышки (~3 мс) существенно превышала длительность исследуемоготечения.

Экспозиция каждого кадра определялась камерой и составляла 10-6 с.В качестве фокусирующих элементов оптической схемы использовались линзы.Малый размер исследуемого поля позволил использовать собственный объективвысокоскоростной камеры в качестве конденсора схемы, не добавляя оптическихэлементов между камерой и рабочей секцией.

Результирующее теневое изображениеимело пространственное разрешение 7–7,5 пк/мм.Существенным добавлением к схеме метода явилась цифровая постобработкаэкспериментальных изображений. Во-первых, из снимков исследуемого течениявычиталось «фоновое» поле засветки, что существенно уменьшало влияниенеравномерности светового потока, изъянов многочисленных оптическихповерхностей и т.д.

Затем изображения подвергались сжатию динамическогодиапазона, что позволяло сделать итоговые поля течения существенно болееконтрастными, чётко выделить на них фронты УВ и менее интенсивные элементытечения.Третья глава объединяет массив результатов, полученных при исследованииимпульсных течений, содержащих УВ.В параграфе 3.1 кратко описывается течение, развивающееся внутриоднодиафрагменной ударной трубы. После разрыва диафрагмы формируется наборгазодинамических возмущений, распространяющихся вдоль канала трубы.

Плоскаяударная волна движется в секции низкого давления, за ней следует контактнаяповерхность, отделяющая рабочий газ от толкающего. Волна разрежения начинаетраспространяться от диафрагмы в противоположную сторону, по направлению кконцу камеры высокого давления. Затем она отражается от стенки камеры высокогодавления и начинает двигаться по направлению потока. Одномерное моделированиеэтих процессов для параметров трубы, использованных в эксперименте, (проведенодоц.

И.Э.Ивановым) показывает, что веер волн разрежения, отразившись от концасекции высокого давления, сравнительно быстро нагоняет контактную поверхность.Последняя в результате взаимодействия существенно замедляется и практически непродвигается вдоль канала трубы за последующее время развития течения.В параграфе 3.2 собраны результаты ТФМ-визуализации плоской УВ,движущейся в канале ударной трубы. Было проведено около 40 экспериментов, вкоторых с помощью модификации ТФМ, описанной в п.2.3, определялся скачокплотности на фронте УВ.

Результаты показывают, что при достаточно больших углахнаблюдения смещение, регистрируемое на фронте УВ, достаточно однородно (см. 0, а)и постоянно на всей площади эффекта.Поскольку число Маха бегущей УВ определялось с хорошей точностью поскорости прохождения ею датчиков давления в канале ударной трубы, можно былосравнить величины, определяемые ТФМ, и результаты расчёта по уравнениямРэнкина-Гюгонио. Для оценки использовалась величина: 10  расчёт  10 ТФМ , где10  расчёт10 1– скачок плотности на фронте УВ.0Результаты сравнения приведены на Рис. 3, б.

Для диапазона углов наблюденияв 7°–16° ТФМ даёт довольно точные результаты при определении скачка плотности.При малых углах наблюдения (4° и меньше в данной серии экспериментов) точностьметода быстро падает. Это обусловлено тем, что эффект рефракции становитсяслишком большим и выходит за пределы применимости метода. С другой стороны,при увеличении угла наблюдения ошибка определения скачка плотности и егопогрешность постепенно растут, т.к. регистрируемое на фронте УВ смещениестановится всё меньше, и с большей ошибкой регистрируется алгоритмом обработки.Таким образом, следует заключить, что для эффективного применения предложенноймодификации ТФМ следует выбирать угол наблюдения, исходя из параметровоптической схемы и предполагаемой интенсивности УВ.

Например, при съёмке УВбольшей интенсивности оптимальная величина угла наблюдения будет увеличиваться.аба) поле смещения (сверху) горизонтальный профиль смещения (снизу)число Маха УВ М=2,2. Угол съёмки =19,7°;б) ошибка определения скачка плотности с помощью ТФМ.Рис. 3. Результаты ТФМ-визуализации плоской ударной волныДополнительную ошибку в результаты определения скачка плотности вноситпогрешность определения самого угла наблюдения.

Характеристики

Список файлов диссертации