Диссертация (1103111), страница 7
Текст из файла (страница 7)
2.1. Схема стенда УТРО-3: 1 – камера высокого давления, 2 – секциянизкого давления, 3 – разрядная секция, 4 – рабочая секция, 5 – датчикидавления в канале трубы, 6 – гасящий бакСекция низкого давлениясобрана из отрезков медноговолноводапрямоугольного сечения с внутренними размерами 24×48 мм (Z×Y1). Отрезкиволноводасоединеныспомощьютекстолитовыхвставок.Вовставкахрасположены два пьезоэлектрических датчика давления производства PCBPiezoelectronics (5 на Рис.
2.1), сигналы с которых использовались длясинхронизации оптических схем, разряда, и измерения скорости ударной волны.Длина секции низкого давления от переходной секции до разрядного промежутка– 2130 мм.В рабочей секции (4 на Рис. 2.1) канал трубы образован сверху и снизуплоскостями разрядных электродов и текстолитовой подложки, а по бокам прозрачными окнами для оптических исследований. Окна изготовлены изплоскопараллельных пластин кварцевого стекла толщиной 16 мм (Y) и длиной170 мм (X).1Здесь и далее координатой X обозначено измерение вдоль главной осиударной трубы, Y – горизонтальное измерение сечения установки, Z –вертикальное.36В 110 мм от конца разрядных электродов разрядная секция (3 на Рис.
2.1)стыкуется с продолжением секции низкого давления, ведущим к гасящему бакуобъёмом 15 л (6 на Рис. 2.1). Бак обеспечивает гашение и рассеивание ударныхволн, а также служит местом присоединения системы откачки. Системаобеспечивает откачку и напуск воздуха в объём ударной трубы при еёгерметичности. Откачка производится форвакуумным насосом.В серии экспериментов, имевшей целью визуализацию ударной волны послееёвыходаизударнойтрубы,частьтрубыпослеразряднойсекциидемонтировалась.Для инициирования поверхностного разряда на электроды подавалосьимпульсное напряжение 22–30 кВ.
Два поверхностных разряда в конфигурации«плазменный лист» инициировались симметрично на верхней и нижней стенкахразрядной камеры (Z×Y). Площадь зоны каждого разряда – 30×100 мм (Y×X) припоперечном размере камеры 48 мм, средняя толщина плазменного листа ≈0,5 мм(Z) при давлении (2-4)104 Пa [68]. Область разряда сформирована множествомканалов, направленных перпендикулярно стёклам камеры (в направлении Y).Каналы развивались за время ≈30 нс, их плотность на поверхности составлялаоколо 1 канала на 1 мм длины плазменного листа. Ток разрядов, регистрируемыйшунтом специальной конструкции, достигал 1–2 кА, при этом общее времяпротеканиясоставляломенее200 нс.Сточкизренияхарактерныхгазодинамических времён, развитие такого разряда и передача энергии газупроисходит мгновенно.Рис.
2.2. Свечение поверхностного разряда в оптическом диапазоне37В разряде выделяются отдельные каналы повышенной интенсивности,характеризующиеся также более ярким видимым свечением. Длительностьсвечения отдельных каналов разряда составляла от 100 нс до 4 мкс в зависимостиот их интенсивности [69]. В экспериментах разряд инициировался при давлении врабочей секции ударной трубы от 100 до 300 Торр.Последовательность генераторов сигнала и усилителей составляла схемусинхронизации, обеспечивающую согласование времени запуска оптическойсхемы и/или разряда с прохождением ударной волны и друг с другом.2.2 Измерения параметров разрывных течений теневым фоновымметодомДля ТФМ-визуализации использовался цифровой фотоаппарат Canon 550D cобъективом EF-S 18-55 mm. Фотоаппарат работал в режиме длинной выдержки взатемнённом помещении.
Фотоаппарат и фоновое изображение располагались поразные стороны от исследуемого течения.Модель фотоаппаратаCanon EOS 550DРегистрирующий элемент (матрица)КМОП, 22,3×14,9 мм (кроп-фактор 1,6)Максимальное разрешение съёмки, пк5184×3456 пк (17,9 Мпк)Используемый объективCanon EF-S 18-55 ISДиапазон значений диафрагмы1:3,5 — 1:5,6Источник света 1Импульсный Nd:YAG лазер(ИС1) Модель и производительULTRA CFR (Quantel/Blue Sky)(ИС1) Длина волны света532 нм(ИС1) Длительность светового импульса20 нсИсточник света 2Вспышка на базе лампы ИСШ-1538(ИС2) Модель и производительL-02 (BIFO)(ИС2) Длина волны светаСплошной спектр(ИС2) Длительность светового импульса2 мксТаблица 1.
Характеристики оборудования, применявшегося для ТФМвизуализацииИспользовалось чёрно-белое фоновое изображение, состоящее из хаотическирасположенных точек. Изображение распечатывалось на лазерном принтере, ифотографировалось в отражённом свете. Масштаб изображения был подобран так,чтобы размер одной точки на снимке составлял примерно 4-5 пк.При съёмке ударно-волновых конфигураций внутри ударной трубы вкачестве источника света с высоким временным разрешением использовалсяимпульсный Nd:YAG лазер с длительностью импульса 20 нс.
С помощью схемыпреобразования (см. Рис. 2.3) пучок лазерного излучения превращался врасходящийся, проходил сквозь диффузор, и затем направлялся на фоновоеизображение. Наличие диффузора, нарушавшего когерентность лазерногоизлучения, обеспечивало равномерное освещение фонового изображения иотсутствие интерференции лазерного излучения на поверхности фона.3986751234Рис. 2.3.
Оптическая схема ТФМ-измерений внутри ударной трубы (вид сверху):1 – внутренний объём трубы, 2 – оптические стёкла, 3 – импульсный лазер, 4 –фотоаппарат, 5 – зеркало, 6 – рассеивающая линза, 7 – диффузор, 8 – фоновоеизображениеПри съёмке ударной волны, выходящей из ударной трубы в атмосферу, фоносвещался вспышкой на базе импульсной лампы ИСШ-15 (см.
Рис. 2.4). Длинасветового импульса составляла ≈2 мкс, что позволяло визуализировать движениеотносительномедленныхдифрагированныхударныхволн.Параметрыисточников света и регистратора приведены в Таблице 1.Запуск источника света синхронизировался с ударной волной с помощьюсигналов от пьезодатчиков давления, установленных в секции низкого давленияударной трубы. При проведении экспериментов помещение с экспериментальнойустановкой затемнялось, затвор фотоаппарата открывался, происходил запускударной волны, во время которого срабатывал импульсный источник света, изатем затвор фотоаппарата закрывался.4051234Рис.
2.4. Схема ТФМ-визуализации на открытом торце ударной трубы: 1 –внутренний объём ударной трубы, 2 – открытый срез ударной трубы, 3 – лампавспышка, 4 – фотоаппарат, 5 – фоновый экранОбработка полученных экспериментальных изображений, как и дляцифровой трассерной анемометрии, производилась с помощью пакета DaVis 8фирмы LaVision. Пакет использует кросс-корреляционный алгоритм сравненияизображений, имеющий большое количество доступных опций и дополнений. Всилу специфики ТФМ-подхода, не все опции и возможности пакета былиприменимы к обработке ТФМ изображений. Для последующей обработки ианализа результирующихвекторныхполейприменялисьдополнительныеалгоритмы, реализованные автором с помощью пакета Matlab.
Конкретныепараметры обработки для различных серий экспериментов приведены всоответствующих разделах.2.3 Модификация ТФМ-метода для больших градиентов плотностиНа фронте плоской ударной волны с числом Маха М=2 в воздухе давлением75 торр плотность газа скачком увеличивается примерно в 2,6 раз. При этомвеличина показателя преломления газа n увеличивается во столько же раз, с4152,96·105 до 7,8·10 . Ширина фронта УВ при данных условиях имеет порядок10-6 см, градиент показателя преломления газа в направлении, перпендикулярномее плоскости, имеет величину порядка 10-2 см-1.
Рассматриваемый градиентпоказателя преломления превышает возможности метода, во-первых, поабсолютной величине, и, во-вторых, по степени локализации. Верхний пределфиксируемого смещения изображения определяется ограничениями кросскорреляционного алгоритма (как правило, не превышает размера области опроса,используемой при обработке). При этом область пространства, в которой имеетместо смещение изображения, также весьма мала: область изображения,занимаемая фронтом ударной волны, при малых углах между плоскостью УВ иоптическим лучом имеет толщину меньше размера характерной области опроса, ив пределе стремится к субпиксельному размеру.
Таким образом, при съёмкеударной волны под малым углом или параллельно к плоскости её фронтарегистрация осуществляется вне границ применимости теневого фоновогометода.Для преодоления указанных ограничений была предложена модификациятеневого фонового метода. Съёмка плоской ударной волны производилась поднекоторым углом к плоскости фронта. Это позволило уменьшить регистрируемыйэффект смещения и ввести его в рамки чувствительности схемы ТФМ, иодновременно расширить область локализации исследуемого градиента. Так, присъёмке ударной волны, распространяющейся в ударной трубе, под углом 20 ирасстоянии от камеры до исследуемого объекта Lс 65 см, угловой размер фронтаударной волны равен использованияhsin 2 0, 024 рад.
Следует заметить, что идея2 Lcзондирующегоизлучения,направленногоподугломкисследуемому градиенту, не является принципиально новой. В интерферометриидля исследования ударных волн используются оптические схемы, известные подобщим названием "метода наклонных пучков", где благодаря отклонениюобъектного пучка от плоскости фронта волны происходит видимое растягивание42областифазовогоскачкаинтерферометрическую[138].схемуподСветовойугломпучок,кпроходящийоптическойсквозьоси,даётинтерферограмму с уширенным фронтом ударной волны, которая позволяетдостаточно надёжно проследить ход интерференционных полос и с их помощьюопределить исследуемый градиент.Рефракция светового луча на фронте плоской ударной волны может бытьпредставлена как преломление луча на границе раздела двух сред, в каждой изкоторых показатель преломления остаётся неизменным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
