Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта

Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области экспериментальной аэро- и гидродинамики, в частности к оптическим способам исследований структуры потока газа или жидкости на поверхности объектов. Визуализация поверхностных течений позволяет определять предельные линии тока, наличие и формы областей отрыва пограничного слоя, скачков уплотнения, положение линии перехода пограничного слоя, а также получать представление о распределении напряжения трения.

Известен и широко применяется в мире для визуализации поверхностных течений метод жидкой пленки ("Авиация: Энциклопедия", М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с.137). В данном методе визуализирующая жидкость равномерно наносится на поверхность исследуемой модели перед опытом. Под действием внешнего потока слой жидкости утолщается у линии отрыва пограничного слоя и становится тоньше у линии присоединения потока. Добавление в жидкость твердой примеси позволяет визуализировать предельные линии тока.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ визуализации течения жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, например незастывающей масляной краски, нанесения на поверхность краски оптически инородных частиц, например частиц сухого красителя, растворимого в краске, и помещения исследуемого объекта в поток (Watson Hugh M.L., "Method of fluid flow visualization", US 4915975, 1988). Под действием внешнего потока частицы красителя начинают двигаться по поверхности объекта, покрытого краской, растворяясь в краске и оставляя треки (следы) и, таким образом, визуализируя предельные линии тока.

Недостатком известных способов является их одноразовость, то есть, одна подготовка исследуемого объекта позволяет осуществить визуализацию поверхностного течения только для одного режима обтекания. Картина предельных линий тока, полученная в потоке, не может быть устранена иначе, чем смыванием визуализирующего слоя и повторной подготовкой исследуемого объекта к исследованию другого режима обтекания.

Недостатком является также необходимость достаточно большого времени удержания режима потока для визуализации картины обтекания, много большего времени выхода на режим для того, чтобы уменьшить вклад нерасчетного режима в итоговую картину обтекания. Указанные недостатки приводят к высоким затратам времени, сил и средств, необходимых для проведения полного цикла исследований одного объекта.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности способа визуализации течения газа или жидкости на поверхности объектов за счет обеспечения возможности исследования нескольких режимов течения на одну подготовку объекта.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в известном способе визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта, заключающемся в нанесении на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, нанесении оптически инородных частиц на поверхность вязкой жидкости, помещении объекта в поток газа или жидкости и получении треков частиц, образованных при перетекании вязкой жидкости под действием внешнего потока газа или жидкости, на поверхность вязкой жидкости или в ее толщу помещают нерастворимые в вязкой жидкости оптически инородные твердые частицы, которые не оставляют треков, а перемещаются вместе с вязкой жидкостью под действием внешнего потока, не меняя своего состояния, при интересующем режиме потока газа или жидкости регистрируют два или более последовательных изображения распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, анализируют зарегистрированную последовательность изображений, определяют параметры движения твердых частиц в слое вязкой жидкости и из полученных параметров движения частиц восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности объекта.

В связи с тем, что картина течения газа или жидкости на поверхности объекта восстанавливается из анализа последовательности изображений распределения частиц на поверхности объекта при интересующем режиме и на поверхности объекта не появляется остаточной картины поверхностного течения (частицы не оставляют треков в вязкой жидкости), объект может быть повторно использован без дополнительной подготовки для исследования другого режима обтекания.

На фиг.1 приведена схема реализации предлагаемого способа визуализации течения газа на примере исследования взаимодействия струи, вытекающей из плоского сопла, с плоской поверхностью.

На фиг.2 приведены результаты выполнения операций регистрации последовательности изображений распределения частиц на поверхности исследуемой пластины.

На фиг.3 приведена карта смещения частиц, найденная из анализа последовательности изображений.

На фиг.4 приведена картина предельных линий тока, образованных струей газа на поверхности плоской пластины, восстановленная из карты смещения частиц.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере визуализации взаимодействия струи, вытекающей из плоского сопла, с плоской поверхностью, как показано на фиг.1. Для реализации способа на поверхность плоской пластины 1 наносится тонкий слой вязкой жидкости 2, например силиконового масла. Вязкость жидкости выбирается такой, чтобы смещение свободной поверхности слоя под действием внешнего потока за время проведения регистрации серии последовательных изображений на исследуемом режиме обтекания составляло порядка 0.1-1% от размера регистрируемой поверхности (в зависимости от разрешения приемника изображений). Наиболее удобно наносить вязкую жидкость с помощью пульверизатора, предварительно разбавив ее до необходимой вязкости соответствующим растворителем. Толщина слоя вязкой жидкости после высыхания растворителя составляет порядка 20 мкм.

Затем на поверхность вязкой жидкости наносятся оптически инородные твердые частицы 3, нерастворимые в используемой вязкой жидкости. Удобно наносить частицы с помощью пульверизатора из взвеси частиц в легко испаряющейся жидкости. Количество наносимых частиц подбирается таким, чтобы обеспечить их визуальное разделение на регистрируемых изображениях. С целью увеличения контрастности изображения частиц, целесообразно использовать частицы кристаллофосфора. Типичный размер частиц кристаллофосфора 3-5 мкм, при этом на поверхности присутствуют как отдельные частицы, так и их конгломераты, образованные на стадии нанесения частиц.

Альтернативным способом нанесения частиц является их предварительное замешивание в вязкой жидкости до нанесения этой вязкой жидкости на исследуемую поверхность. При этом частицы будут распределены в толще слоя вязкой жидкости, что приведет к некоторому снижению чувствительности предлагаемого способа визуализации к параметрам внешнего потока, однако не повлияет на работоспособность способа в целом.

После высыхания растворителя, над поверхностью пластины устанавливается плоское сопло 4, создающее поток газа 5. После установления стабильного режима истечения газа производится регистрация серии последовательных изображений распределения частиц (фиг.2). При использовании частиц кристаллофосфора регистрируют изображение люминесцирующих частиц. Люминесценция частиц возбуждается источником ультрафиолетового света, в частности лампой-вспышкой, снабженной ультрафиолетовым светофильтром. Регистрацию изображений удобно проводить с помощью цифровой ПЗС-камеры и изображения сохранять в цифровом виде на компьютере.

Для нахождения параметров движения частиц производится кросскорреляционный анализ двух изображений, снятых в разные моменты времени, при этом из кросскорреляционных функций для малых участков изображения (например, окна 32·32 элемента) находится матрица смещений отдельных элементов изображения (фиг.3). Каждый элемент этой матрицы представляет собой смещение соответствующего элемента изображения за время между экспозициями, при этом величина смещения пропорциональна напряжению трения в соответствующей точке поверхности, а вектор направления смещения касателен к предельной линии тока в данной точке. При исследовании поверхностных течений с большим диапазоном напряжения трения целесообразно проводить аналогичную обработку нескольких пар изображений, снятых с разными интервалами времени с целью более точного определения параметров движения частиц в различных областях исследуемой поверхности.

Анализ получаемой матрицы смещений позволяет восстановить картину поверхностного течения, например восстановить предельные линии тока от струи газа, истекающей из плоского сопла, на плоской пластине (фиг.4). Так как частицы выбираются твердыми и нерастворимыми в вязкой жидкости, они не оставляют треков на исследуемой поверхности. Кроме того, для нахождения матрицы смещений достаточно относительно малых смещений частиц, а значит, и слоя вязкой жидкости. Таким образом, состояние слоя вязкой жидкости с твердыми частицами изменяется несущественно за время исследования одного режима обтекания, и этот слой может быть использован для исследования следующего режима обтекания без необходимости остановки потока и повторной подготовки исследуемой поверхности.

Описанный пример иллюстрирует применение предлагаемого способа для визуализации течения газа на поверхности объекта. С равным успехом данный способ может быть применен и для визуализации поверхностных течений жидкости при условии, что вязкая жидкость, наносимая на исследуемую поверхность, не растворяется в жидкости внешнего потока.

Предложенный способ позволяет исследовать несколько режимов течения без необходимости каждый раз останавливать поток и проводить подготовку исследуемой поверхности, в то время как прототип требует полного цикла подготовки исследуемой поверхности для визуализации одного режима течения. Также предложенный способ исключает влияние нерасчетного режима течения (например, во время запуска установки и установления режима течения) на конечный результат, что позволяет сократить время проведения исследования одного режима течения по сравнению с прототипом. Указанные преимущества предложенного способа позволяют существенно сократить затраты сил, средств и времени на проведение полного цикла исследований объекта.

Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта, включающий размещение на исследуемой поверхности объекта слоя вязкой жидкости с оптически инородными частицами, помещение объекта в поток газа или жидкости и получение картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, отличающийся тем, что в качестве оптически инородных частиц используют нерастворимые в вязкой жидкости оптически инородные частицы, которые помещают на поверхности вязкой жидкости или в ее толщу, а для получения картины течения газа или жидкости на поверхности объекта регистрируют при интересующем режиме потока газа или жидкости два или более последовательных изображения распределения частиц на исследуемой поверхности объекта так, чтобы смещение свободной поверхности слоя вязкой жидкости под действием внешнего потока за время проведения регистрации серии последовательных изображений на исследуемом режиме обтекания составляло порядка 0,1-1% от размера регистрируемой поверхности, и этот слой мог быть использован для визуализации другого режима течения газа или жидкости, определяют параметры движения частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и из полученных параметров движения частиц восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности объекта.