Диссертация (1103111), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Работа [19] формально применяет ТФМ кисследованию взрыва заряда, окружённого оболочкой из частиц, но фактическицифровые алгоритмы применяются для определения положения облака частиц, ане для определения поля плотности потока.Обширныйобзорактуальногосостоянияметода,результатовегоприменения и ограничений представлен в статье [3].ТФМ зарекомендовал себя как исключительно удобный по организацииметод визуализации и оптического исследования потоков.
При относительнопростой аппаратной схеме метод позволяет визуализировать структуру течения,эффективно заменяя в этой роли шлирен-метод. При этом в случае тщательнойнастройки, использования многоракурсной визуализации, метод позволяетполучать надёжные количественные поля термодинамических параметровбесконтактным способом.1.1.2 Цифровая трассерная анемометрияДля исследования был применён метод цифровой трассерной анемометрии(далее ЦТА) (англ. Particle Image Velocimetry, PIV). Данный метод позволяетопределить скорость потока в оптически прозрачной среде путём анализадвижения трассирующих частиц, внедрённых в этот поток.
Этим ЦТА схожа страссерной визуализацией. Коренное отличие ЦТА заключается в том, чтосмещение трассирующих частиц фиксируется не на одном изображении, а на двух23последовательных снимках одной и той же области потока с короткимиэкспозициями;затемэтидваизображениясопоставляютсяпосредствомпрецизионных цифровых алгоритмов. Подобная процедура позволяет определитьреальные скорости трассирующих частиц с высокой точностью.
Цифровойхарактеробработкисущественноснизилтрудоёмкостьколичественногоопределения смещения. При правильном подборе трассеров, параметров съёмки иобработки можно с высокой точностью восстановить поле скорости самогопотока газа или жидкости на снимке.В русскоязычной литературе для обозначения метода также используетсяназвание АИЧ (анемометрия по изображениям частиц), являющееся в некоторойстепени калькой с распространённого англоязычного обозначения. В даннойработе автор придерживается обозначения «цифровая трассерная анемометрия»поскольку считает, что оно точнее раскрывает особенности метода и отделяет егоот классических методов трассирования.ЦТА широко используется в последнее десятилетие для получения полейскорости газа в дозвуковом, трансзвуковом [49] и сверхзвуковом диапазонахскоростей.АктивноисследуютсявозможностииспользованияЦТАдляисследования течений газа c разрывами.
В этой области большинство работсвязано с применением ЦТА на сверхзвуковых аэродинамических трубахразличных типов [23, 50] в стационарных и квазистационарных режимах потока.Исследуются вопросы сверхзвукового и трансзвукового обтекания [1, 22, 76],взаимодействие сверхзвуковых потоков и струй [52], нестационарные процессы[117].Наблюдениенестационарныхиимпульсныхпотоковвноситдополнительные сложности в измерения – так, усреднение данных ЦТА помножествуизмерений,повсеместноиспользуемоевэкспериментахсостационарными потоками для улучшения качества получаемых результатов [54],становится существенно сложнее. Однако количество работ, в которых ЦТА24применяется для анализа импульсных сверхзвуковых течений, растёт.
Так, запоследнее десятилетие появился ряд работ, в которых истечение ударных волн изканалов различного (в основном, осесимметричного) сечения исследовалось сиспользованием ЦТА. В большинстве таких работ основное внимание уделеноизучению формирования и эволюции крупномасштабных вихревых структур,возникающих в истекающем газе [110, 134]. Приводятся данные по скоростираспространения и расширения вихревых колец, а также о возникновениивторичных вихрей и внутренних скачков уплотнения [81, 115].
В работах [43, 44]продемонстрированавизуализацияметодомЦТАпрофилейскоростизавзрывными (ударными) волнами, образующимися при взрыве проволочкиэлектрическим током. С помощью 8-импульсной лазерной системы полученыпоследовательные изображения полей скорости за фронтом сферическойвзрывной волны.
Отмечается, что на фронте волны зафиксировано значительноеуширение профиля скорости, по-видимому, обусловленное преимущественноинерционным запаздыванием жидких трассирующих частиц. Отмечено, чтопозади фронта ударной волны формируется значительная по размерам зона,содержащаямелкомасштабнуютурбулентность,вкоторойизображениятрассирующих частиц практически неразличимы.
Этот эффект, отмечаемый и вдругих работах, ограничивает применимость ЦТА к исследованиям полей теченийпри взрывах. В работе [28] высокоскоростная ЦТА использовался для изученияразлёта взвешенных в воздухе частиц, ускоренных ударно-волновым воздействиемот подрыва взрывчатого заряда. Использованные твёрдые частицы имели размерот 13 до 113 мкм, что существенно больше размеров трассеров, используемыхобычно для исследования высокоскоростных течений. Зафиксированные в работескорости частиц в основном лежали в диапазоне 5-10 м/с.
Фактически,исследованию подверглось не само течение газа, создаваемое взрывом, аускорение, сообщаемое взвешенным частицам.Визуализация сверхзвуковых потоков с помощью ЦТА остаётся сложнойпроблемой. Течения, включающие в себя ударные волны, вносят дополнительные25сложности, связанные с неравномерной плотностью частиц на снимке,обусловленнойбольшимиразличиямивплотностигаза.Неодинаковоеколичество частиц в разных областях снимка может существенно затруднитьработу наиболее простых вариантов алгоритмов сравнения изображений.
В связис этим визуализация сверхзвуковых течений требует особенно тщательногоподбора трассирующих частиц, механизмов засева потока, алгоритмов ипараметров обработки изображений ЦТА.Другой вопрос, тесно связанный с предыдущим – корректировка данныхЦТА в потоках с большими градиентами скорости. Из-за запаздывания частиц,немгновенного характера измерений в ЦТА, влияния алгоритмов цифровойобработки данные ЦТА в таких течениях могут существенно отличаться отистинных. Однако в некоторых случаях удаётся учесть эти погрешности ивосстановить истинное поле скорости газа.Основной причиной расхождения данных ЦТА и реальной скоростипотоковявляетсяинерционноезапаздываниетрассирующихчастиц.Запаздывание является следствием того, что трассирующие частицы, жидкие илитвёрдые, никогда не следуют потоку абсолютно точно. Сила вязкого трения,действующая на частицы со стороны газа, стремится уравнять их скорость соскоростью потока, ускоряя или замедляя их в зависимости от их относительнойскорости.В ЦТА используется большое разнообразие частиц, используемых кактрассеры в различных потоках [112].
Трассеры для газовых сред могут бытьжидкими каплями [30] размером 1-100 мкм; как правило, используютсяразличные натуральные и синтетические масла. Для высокоскоростных потоковиспользуются твёрдые частицы [126], чаще всего из оксида титана и алюминия.Они могут иметь меньшие размеры (порядка сотен нм), и за счёт этого лучшеследовать потоку.26Основной способ описания трассирующих характеристик частиц – этоопределение их коэффициента сопротивления в потоке. Обширный массив работпосвящёнэкспериментальному определению коэффициента сопротивленияразличных типов частиц при различных условиях обтекания [20, 27]. Несмотря нато, что аналитические выражения для коэффициентов увлечения частицсуществуют и разрабатываются довольно давно, экспериментальные данныепоказывают, что трассеры демонстрируют существенно более инерционноеповедение, чем это можно ожидать из теоретических моделей.
Для твёрдыхчастиц – например, оксида титана TiO2, – это частично можно объяснитьвлиянием сложной формы частиц, а также агломерацией. Однако подробныеисследования поведения жидких частиц [11] показывают, что их поведение такжелишь частично соответствует аналитическим оценкам.Достаточно надёжным способом определения трассирующих характеристикчастиц в заданных условиях эксперимента является измерение их скорости припрохождении ударной волны [26, 49].
Скорость газа на фронте ударной волныпретерпевает существенный скачок, что позволяет проследить увлечение частицыпотоком при различных относительных скоростях. Подобные измерения,проводимые в процессе подготовки к собственно эксперименту, могут бытьвесьма полезны в планировании ЦТА-измерений и оценке их результатов [15, 85].Кроме инерционного запаздывания частиц, некоторые другие эффектывносят искажения в данные скорости, полученные ЦТА.
Наиболее частоупоминается эффект оптического искажения экспериментальных изображений,вызванного отклонением и преломлением света на оптических неоднородностях всжимаемых потоках [88, 124]. Так, при съёмке ударных волн с криволинейнымифронтами преломление света на фронте УВ приводит к увеличению видимогосмещения частиц. Этот эффект может быть использован для определения точногоскачка скорости на неплоских ударных волнах [44].27В большинстве случаев, когда проводятся подобные оценки трассирующиххарактеристик частиц, используются стационарные или квазистационарныеударные волны [102, 120]. Однако в недавней работе [10] проведён анализповедения трассирующих частиц на бегущей плоской ударной волне. Несмотря насущественнуюценностьэкспериментальныхданных,навзглядавтора,используемая в работе теория увлечения трассеров потоком имеет недостатки, ине вполне подходит для моделирования течения на фронте ударной волны (см.п.
2.5). Отчасти эти недочёты исправлены в более поздней работе той же группы[71].Течения, создаваемые электрическими газовыми разрядами, находятприменение в различных областях техники, и поэтому ЦТА также регулярноприменяется к исследованию подобных течений. Так, в работе [42] с помощьюцифровой трассерной анемометрии получены данные об усреднённых поляхскоростейсобственноготечения,создаваемоговысокочастотнымдиэлектрическим барьерным разрядом. функционирующим в контрагированной(шнуровой) форме. Применение ЦТА к подобным течениям связано сдополнительными сложностями – взаимодействием вещества трассеров сплазмой, влиянием свечения разряда на экспериментальные изображения.Однако при этом наиболее распространённые типы разрядов (ДБР,коронный, тлеющий и др.) создают сравнительно малоэнергетические течениягаза, скорости которых не превышают нескольких десятков м/с. Течения,создаваемыесильноточнымиразрядами(искровой,дуговой,оптический),осложнены дополнительно большими величинами скоростей газа и присутствиемударных волн.В силу этого открытые публикации, демонстрирующиеисследования сильноточных разрядов методов ЦТА, весьма немногочисленны[12].
В данной работе экспериментально методом цифровой трассернойанемометрии (ЦТА) исследованы нестационарные поля скоростей, возникающиепри развитии течения за ударными (взрывными) волнами, инициированными28импульсным поверхностным разрядом, скользящим по поверхности диэлектрика(плазменным листом) на стенке замкнутого объёма прямоугольного сечения.1.2 Импульсные ударно-волновые процессыИмпульсные сверхзвуковые течения с разрывами представляют собой классявлений, одновременно интересный с точки зрения практических применений и сточки зрения фундаментальной теории нестационарных процессов. Сочетаниемалых времён протекания и наличия сильных разрывов создаёт ряд сложностейдля экспериментального и теоретического изучения, численного моделирования.Большую часть этого класса явлений составляют т.н.
стартовые процессы,или импульсные течения расширения, чаще всего связанные с начальнымиэтапами формирования сверхзвуковых струй газа или плазмы. В.В. Голуб иТ.В. Баженова [64] выделяют два основных класса стартовых процессов. Первыйиз них образуют течения, образующиеся при выходе ударной волны из канала илиотверстия произвольной формы во внешнюю среду или объём. В моментдостижения ударной волной отверстия на нём реализуются условия распадатрёхмерного разрыва, порождающие новую ударно-волновую конфигурацию.Образуется дифрагированная ударная волна, начинающая своё распространениево внешней среде. Спутный поток за первоначальной ударной волной формируеткартину истечения газа во внешнюю среду, включающую вихревые образования иударные волны.Второй вариант реализуется, когда два объёма газа с существенноразличающимися давлениями приводятся в соприкосновение путём внезапногораскрытия заслонки, разрыва диафрагмы и др.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
