Диссертация (1103111), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Рис. 2.13). Малый размер исследуемого поля позволил использоватьсобственный объектив высокоскоростной камеры в качестве конденсора схемы,60не добавляя оптических элементов после исследуемого потока. Поворотнаяпризма использовалась в качестве зеркала для «складывания» оптической схемы иуменьшения габаритов установки. Результирующее теневое изображение имелопространственное разрешение 7–7,5 пк/мм3567124Рис. 2.13. Схема теневых измерений (вид сверху): 1 – внутренний объём ударнойтрубы, 2 – оптические стёкла, 3 – лампа-вспышка, 4 – высокоскоростная камера,5 – диафрагма, 6 – собирающая линза, 7 – поворотная призмаДля улучшения качества полученных цифровых теневых изображенийприменялась их компьютерная постобработка.
Для каждой из экспериментальныхсъёмок течения также проводилась реперная съёмка в отсутствие течения, сидентичными параметрами синхронизации. Затем поле интенсивности каждогоэкспериментального кадра подвергалось цифровой обработке: из него вычиталосьполе интенсивности соответствующего кадра реперной съёмки, и результатсохранялся с линейным преобразованием контраста.
Алгоритм был реализованавтором с помощью средств пакета Matlab. Такая обработка позволиласущественно снизить влияние неравномерности освещения поля и дефектовоптических поверхностей, улучшить визуальное восприятие газодинамических61структур, регистрируемых теневым методом. На Рис. 2.14 приведён примериспользования постобработки.абвРис. 2.14.
Пример постобработки теневых изображений: а – реперный кадр, б –рабочий кадр, в – рабочий кадр после вычитания и линейного измененияконтраста62Глава 3.Исследованиенестационарныхразрывныхтеченийвударной трубе панорамными оптическими методами3.1 Общая характеристика течения внутри ударной трубыРазрыв диафрагмы, разделяющей камеры низкого и высокого давленияударной трубы, даёт начало нескольким явно различимым феноменам, которые всовокупности образуют сложный поток внутри ударной трубы [97]. Газ,истекающий сквозь диафрагму, формирует ударную волну (УВ). Обычно нарасстоянии порядка 10 внутренних диаметров трубы она уже приобретаетплоскую форму и распространяется далее, практически не деформируясь (см.Рис.
3.1). За ней формируется контактная поверхность (КП), отделяющая рабочийгаз от толкающего. Волна разрежения (ВР) начинает распространяться отдиафрагмы в противоположную сторону, по направлению к концу камерывысокого давления. Затем она отражается от стенки камеры высокого давления иначинает двигаться по направлению потока.Рис. 3.1. Теневой снимок проходящей ударной волны на стенде УТРО-3 (см.п.2.6). Стрелкой показано направление распространения ударной волны63Впредставленнойсерииэкспериментовтечение имелонекоторыехарактерные особенности.
Во-первых, при выбранных числах Маха плоской УВпоток за ударной волной является трансзвуковым. Во-вторых, поперечное сечениеканала ударной трубы является прямоугольным, и формирование пограничногослоя за счёт вязкого взаимодействия потока с внутренней поверхностью трубыотличается от осесимметричного случая.На Рис. 3.2 приведена X-T диаграмма, полученная одномерным численныммоделированиемпроцессоввнутриударнойтрубы(выполненодоц. Ивановым И.Э.). За фронтом первичной ударной волны УВ газ имеетскорость, направленную к правому концу ударной трубы.
Рассмотрим эволюциюпотока в некоторой точке ударной трубы. В течение некоторого времени спутныйпоток за фронтом УВ будет иметь стабильные параметры в этой точке. Влитературе по аэродинамическим испытаниям это время часто называется«рабочим временем», поскольку в этом промежутке осуществляется эффективнаясимуляция постоянного потока газа. Затем в точку наблюдения прибывает волнаразрежения (если точка находится более чем в 75 см от диафрагмы), и скоростьпотока постепенно снижается.Контактная поверхность, взаимодействуя с отражённой волной разрежения,существенно замедляет своё распространение, и при условиях, использованных врасчёте, практически останавливается в одной точке ударной трубы.64Рис.
3.2. Схема течения внутри ударной трубы (X-T диаграмма), полученнаяодномерным компьютерным моделированием3.2 ТФМ-измерения на фронте движущейся плоской ударной волныДля проверки работоспособности модификации теневого фонового метода(см. 2.3) была проведена серия экспериментов по ТФМ-визуализации плоскихударных волн, распространяющихся по рабочей секции ударной трубы. НаРис. 3.3 приведены два примера экспериментальных результатов, полученных входе этих съёмок. Всего было проведено около 40 экспериментов. Исследоваласьстепень расхождения результатов ТФМ-обработки с теоретическими расчётами.Теоретическое значение скачка плотностиуравнениямРэнкина-Гюгонио10 на фронте УВ определялось поиз измереннойэкспериментальноскоростираспространения фронта.
С этим значением сравнивались результаты расчёта поформуле (3) и экспериментальным данным ТФМ. Для оценки использоваласьвеличина: 10 Рэнкин 10 ТФМ 10 Рэнкин 65абРис. 3.3. Примеры поля смещения (верхний ряд) и соответствующихгоризонтальных профилей смещения (нижний ряд) для визуализации плоскихударных волн, распространяющихся в ударной трубе. Число Маха УВ М=2,2.а) угол съёмки =19,7°, б) угол съёмки =7,8°На Рис. 3.4 приведены результаты сравнения.
Во избежание загроможденияграфика,погрешностиэкспериментальныхметодаточек.приведеныРезультатытолькопоказывают,длянесколькихчтоточностьмодифицированного ТФМ зависит от угла наблюдения. При угле наблюденияменьше некоторой минимальной величины (примерно 4° в данной серииэкспериментов)наблюдаетсязначительноеухудшениеточностиметода.Исследования эффективности кросскорреляционного алгоритма показывают, чтонаилучшая точность определения смещений достигается при отношениисигнал/шумболее5-7.В даннойсерииэкспериментов такиеусловиясоответствовали смещению на фронте величиной 4-5 пикселей, и углунаблюдения в 8-11°. Действительно, наилучшее совпадение результатов метода ирасчёта наблюдается в этом интервале углов.
При больших углах наблюденияуменьшается абсолютная величина регистрируемого смещения, что приводит кувеличению погрешностей расчёта. Также заметную погрешность вносит ошибкаопределения угла наблюдения ударной волны, т.к. значение угла используется для66расчётавеличиныc.Ошибкаопределениявидимойшириныфронтаувеличивается при уменьшении угла наблюдения.абРис. 3.4. Результаты измерения скачка плотности на фронте плоской ударнойволны: а – данные относительного скачка плотности, б – относительная ошибкамодифицированного ТФМ3.3 ЦТА-измерения на фронте движущейся плоской ударной волныТечение, развивающееся внутри ударной трубы за проходящей ударнойволной, исследовалось методом ЦТА. На Рис.
3.5 приведены результаты ЦТАвизуализации плоских ударных волн, распространяющихся по рабочей секции67трубы, и полученные обработкой поля скоростей. На экспериментальных снимкахможно выделить область фронта УВ как границу между областями снимка сразличной плотностью рассеивающих частиц.Обработка экспериментальных изображений проводилась двухступенчатымкросс-корреляционным алгоритмом. Размеры окна опроса устанавливались как24×24 и 12×12 пк на первом и втором шаге соответственно, с перекрытием оконопроса 50%. Для получения более качественных данных в условиях однороднонаправленного потока к окнам опроса применялась эллиптическая гауссовскаявесовая функция с соотношением полуосей 2:1, длинная полуось ориентированапо направлению потока.
После каждого шага обработки к промежуточномурезультату применялась отсеивание векторов по значению отношения пиковкорреляции Q 1, 5 , затем медианный фильтр отклоняющихся значений смаской 3×3 и сглаживание с той же маской. На полях скорости, полученных врезультате, фронт волны фиксируется очень отчётливо. Область за фронтомударной волны представляет собой поток газа с весьма однородной скоростью,направленнойвсторонураспространенияударнойволны.Областисотсутствующим или нулевым значением вычисленной скорости практическиполностью обусловлены недостатками засева.На соответствующих этим снимкам профилях приведена зависимостьгоризонтальной скорости от координаты по направлению движения ударнойволны.
Скорость усреднена по вертикали в пределах приведённых снимков.Чёрными точками обозначены величины усреднённых значений, а областьюзелёного цвета обозначен доверительный интервал размером.68абРис. 3.5. ЦТА-визуализация плоской ударной волны, распространяющейсясправа налево: а) M=1,7, p0=30 кПа; б) M=2,0, p0=13 кПа. Вверху –экспериментальный снимок, посередине – поле скорости течения(цветокодирование и векторное поле), внизу – профиль горизонтальнойскорости на фронте УВСкорость спутного потока газа за фронтом ударной волны – одна изудобных величин, которые можно измерить непосредственно, и затем сравнить срасчётными значениями, вычисленными с помощью (9). Для экспериментальногоопределения этой величины выбиралась область однородного потока примерно в2-4 см за фронтом УВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
