способ визуализации предельных линий тока и распределения напряжения трения на поверхности объекта в газе или жидкости

Формула изобретения

1. Способ визуализации предельных линий тока и распределения напряжения трения на поверхности объекта в потоке газа или жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, содержащей твердые оптически инородные частицы, помещения объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определения направления и величины смещения частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановления из полученных параметров движения частиц картины предельных линий тока газа или жидкости на поверхности объекта, отличающийся тем, что дополнительно определяют распределение толщины слоя вязкой жидкости на поверхности объекта и нормируют распределение величины перемещения частиц на распределение толщины слоя вязкой жидкости, восстанавливая таким образом картину распределения напряжения трения на поверхности объекта.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что распределение толщины слоя вязкой жидкости на поверхности объекта находят по распределению поверхностной плотности твердых частиц.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на поверхность объекта наносят люминесцирующую вязкую жидкость, освещают поверхность исследуемого объекта излучением, возбуждающим люминесценцию вязкой жидкости и имеющим известное распределение интенсивности на исследуемой поверхности, регистрируют в каждой точке поверхности объекта интенсивность люминесценции вязкой жидкости и по отношению ее интенсивности к интенсивности возбуждающего излучения находят распределение толщины слоя вязкой жидкости.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что поверхность объекта перед нанесением люминесцирующей вязкой жидкости покрывают люминесцирующей краской, люминесценция которой отличается от люминесценции вязкой жидкости спектрально или кинетически, освещают исследуемый объект излучением, возбуждающим люминесценцию как краски, так и вязкой жидкости, и дополнительно регистрируют распределение люминесценции краски на поверхности объекта, которое пропорционально распределению интенсивности возбуждающего излучения.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что выбирают люминесцирующую краску, спектр возбуждения которой не перекрывается со спектрами возбуждения и люминесценции вязкой жидкости.

Описание изобретения к патенту

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 утоньшается там, где на поверхность действуют большие силы трения, и, напротив, жидкость собирается там, где трение отсутствует - в зонах отрыва потока. Добавление в жидкость твердой примеси позволяет визуализировать предельные линии тока. Визуализирующая жидкость может наноситься не сплошным слоем, а точками. Направление растекания точек совпадает с предельными линиями тока, а величина растекания дает представление о распределении напряжения трения по поверхности.

Недостатком метода жидких точек является то, что на результаты визуализации распределения напряжения трения оказывает влияние неравномерность толщины точек вязкой жидкости, нанесенных на поверхность. Общим недостатком известных классических методов жидкой пленки 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.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ визуализации течения газа или жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости с введенными в нее нерастворимыми твердыми оптически инородными частицами, помещения объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определения направления и величины смещения частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановления из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта (В.Е.Мошаров, А.А.Орлов, В.Н.Радченко, "Использование корреляции в методе визуализации поверхностных течений масляной пленкой", труды конференции "Оптические методы исследования потоков", г.Москва, 2005).

По направлению смещения частиц восстанавливаются предельные линии тока, а по величине смещения можно судить о распределении напряжения трения. Так как твердые частицы не растворяются в вязкой жидкости, они не оставляют треков, а перемещаются вместе с вязкой жидкостью под действием внешнего потока не меняя своего состояния. 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, объект может быть повторно использован без дополнительной подготовки для исследования другого режима обтекания.

Недостатком данного способа является невозможность получения распределения напряжения трения.

Под действием сил трения вязкая жидкость, нанесенная на объект, движется по поверхности с линейным профилем скорости (течение Куэтта), скорость на внешней границе вязкой жидкости V зависит от напряжения трения в потоке и вязкости жидкости , а также от толщины слоя вязкой жидкости h и определяется формулой

Скорость перемещения частиц и, следовательно, величина смещения частиц l между кадрами, зарегистрированными через промежуток времени t, прямо пропорциональна напряжению трения и толщине слоя вязкой жидкости, если частицы плавают на поверхности вязкой жидкости.

Если частицы равномерно распределены в слое вязкой жидкости, то среднее смещение частиц также пропорционально толщине слоя вязкой жидкости. Таким образом: ˜l/h, причем направление величины напряжения трения совпадает с направлением смещения частиц.

В известном способе толщина слоя вязкой жидкости не анализируется.

Задачей предлагаемого изобретения является визуализация не только предельных линий тока, но и распределения напряжения трения на поверхности объекта.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта, заключающемся в нанесении на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, введении на поверхность или в толщу вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещении объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определении параметров движения твердых частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановлении из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, дополнительно определяют распределение толщины слоя вязкой жидкости на поверхности объекта и нормируют распределение величины перемещения частиц на распределение толщины слоя вязкой жидкости, восстанавливая таким образом картину распределения напряжения трения на поверхности объекта.

Распределение толщины слоя вязкой жидкости может находиться путем подсчета поверхностной плотности частиц при их равномерном распределении в объеме вязкой жидкости.

Если частиц мало (велика статистическая погрешность подсчета количества частиц), или, наоборот слишком много (отдельные частицы не разрешаются), то можно применить люминесцирующую вязкую жидкость для визуализации ее толщины. Интенсивность люминесценции слоя такой жидкости пропорциональна ее толщине и интенсивности возбуждающего излучения. Интенсивность возбуждения должна быть постоянной во всех точках исследуемой поверхности или известной, например измеренной независимым образом.

Если обеспечить постоянство или измерение распределения возбуждающего излучения на поверхности исследуемого объекта невозможно или затруднительно, то для нахождения распределения возбуждающего излучения на поверхности поверхность исследуемого объекта предварительно окрашивается люминесцентной краской оптически толстым слоем. Тогда распределение люминесценции данной краски будет являться распределением интенсивности возбуждающего излучения. Исследуемый объект, в данном случае, освещают излучением, возбуждающим люминесценцию как краски, так и вязкой жидкости, раздельно регистрируют распределения люминесценции краски и слоя вязкой жидкости на поверхности объекта и из отношения интенсивности люминесценции вязкой жидкости к интенсивности люминесценции краски в каждой точке поверхности объекта находят распределение толщины слоя вязкой жидкости. Раздельная регистрация распределений интенсивности люминесценции вязкой жидкости и краски на поверхности объекта возможна, если люминесценция вязкой жидкости и краски различаются спектрально или кинетически (по времени затухания люминесценции).

Для исключения влияния слоя вязкой жидкости на возбуждение краски на поверхности объекта предпочтительно выбирать краску так, чтобы ее спектр возбуждения не перекрывался со спектрами возбуждения и люминесценции вязкой жидкости.

На фиг.1 приведено изображение модели крыла в воздушном потоке с нанесенным на ее поверхность слоем вязкой жидкости, содержащим оптически контрастные частицы.

На фиг.2 приведена картина предельных линий тока на поверхности крыла, восстановленная из двух последовательных изображений распределения частиц.

На фиг.3 приведена картина предельных линий тока на поверхности крыла, совмещенных с распределением напряжения трения, представленного в градациях серого цвета (большая яркость соответствует большему напряжению трения).

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере визуализации течения на верхней поверхности модели прямоугольного крыла, помещенного в воздушный поток (фиг.1). Для реализации способа на поверхность прямоугольного крыла 1 наносится тонкий слой вязкой жидкости 2, содержащей твердые оптически инородные частицы, например, силиконового масла, содержащего частицы кристаллофосфора. 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, содержащую частицы, с помощью пульверизатора, предварительно разбавив ее до необходимой вязкости соответствующим растворителем. Толщина слоя вязкой жидкости после высыхания растворителя составляет порядка 20 мкм. С целью увеличения контрастности изображения частиц целесообразно использовать частицы кристаллофосфора, например, К-430 (Сульфид цинка активированный серебром). Этот кристаллофосфор возбуждается ультрафиолетовым излучением с длиной волны менее 400 нм и излучает синий свет с максимумом 430 нм. Типичный размер частиц кристаллофосфора 3-5 мкм. Количество частиц подбирается таким, чтобы обеспечить их визуальное разделение на регистрируемых изображениях.

После высыхания растворителя модель устанавливают в воздушный поток 3. После установления стабильного режима потока производится регистрация серии последовательных изображений распределения частиц (фиг.1). 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. 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. Анализ направлений векторов матрицы смещений элементов изображения позволяет восстановить траектории движения частиц, т.е. получить предельные линии тока (фиг.2) (известный способ).

Если распределение толщины слоя вязкой жидкости известно (например, толщина одна и та же для всей исследуемой поверхности) или измерено каким-либо независимым способом (например, с помощью интерферометра), то распределение напряжения трения находится путем нормирования величин (модулей) векторов матрицы смещений элементов изображения на толщину слоя вязкой жидкости. Направление напряжения трения касательно к предельной линии тока. Обычно не удается при напылении получить слой вязкой жидкости одной толщины или измерить распределение толщины. Тогда для каждого участка изображения (например, того же окна 32*32 элемента) производится подсчет количества твердых частиц. Толщина слоя вязкой жидкости прямо пропорционально количеству частиц. Отношение величин (модулей) векторов матрицы смещений элементов изображения к количеству частиц в этом элементе дает величину, прямо пропорциональную напряжению трения (модулю вектора напряжения трения), т.е. позволяет визуализировать поле напряжения трения. На фиг.3 представлено поле напряжения трения на профиле, совмещенное с предельными линиями тока. Поле напряжения трения изображено в виде градаций серого цвета (большая яркость соответствует большему напряжению трения).

Если частиц много и не удается их разделять для корректного подсчета их количества, то распределение толщины слоя вязкой жидкости можно определить по люминесценции вязкой жидкости, при условии, что поверхность исследуемого объекта освещают излучением, возбуждающим люминесценцию вязкой жидкости, с интенсивностью, имеющей известное распределение или равной для всех точек поверхности. С этой целью в вязкую жидкость можно специально ввести растворимый в нем органический люминофор, например в силиконовое масло может быть введен краситель «Кумарин-6». Этот краситель светится в зеленой области спектра (530 нм) и возбуждается излучением с длиной волны менее 500 нм, что позволяет легко разделить люминесценцию частиц и люминесценцию силиконового масла с помощью светофильтров. Для определения матрицы смещения частиц поверхность объекта освещается излучением с длиной волны 300-400 нм и регистрируются люминесцирующие твердые частицы через синий светофильтр. Изображение частиц высоко контрастно. Для измерения толщины пленки силиконового масла поверхность объекта освещается излучением с длиной волны в диапазоне 400-500 нм, при этом светится в основном силиконовое масло, окрашенное с помощью «Кумарина-6». Свечение частиц не мешает определению толщины слоя силиконового масла.

В качестве люминофора окрашивающего вязкую жидкость можно использовать частицы кристаллофосфора, уже содержащиеся в вязкой жидкости. В этом случае для каждого участка изображения в окне производится интегрирование интенсивности свечения частиц и вычисляется средняя интенсивность свечения окна. Отношение данной интенсивности к интенсивности возбуждения будет пропорционально толщине слоя вязкой жидкости.

Если невозможно знать распределение возбуждающего излучения на поверхности исследуемого объекта, то для определения данного распределения поверхность объекта перед нанесением люминесцирующей вязкой жидкости покрывают люминесцирующей краской. Такая краска может быть изготовлена путем добавления к обыкновенной краске, например ЭП-140, кристаллофосфора Y₂O₂S:Eu. Этот кристаллофосфор возбуждается УФ-излучением с длиной волны менее 400 нм и излучает красный свет 640 нм при времени затухания люминесценции около 1 мс. При освещении поверхности объекта излучением с длиной волны 300-500 нм одновременно люминесцирует и данная краска и силиконовое масло на поверхности объекта, причем толщина пленки силиконового масла не влияет на интенсивность люминесценции краски, т.к. силиконовое масло, окрашенное «Кумарином-6», не поглощает свет, возбуждающий краску, и люминесценция «Кумарина-6» не возбуждает краску. Регистрируется раздельно люминесценция краски и силиконового масла, а отношение интенсивности люминесценции силиконового масла к интенсивности люминесценции краски пропорционально толщине пленки силиконового масла. Разделение люминесценции краски и силиконового масла может осуществляться спектрально с помощью светофильтров: КС-11 для регистрации люминесценции краски и комбинация СЗС-22 и ЖС-18 для регистрации люминесценции силиконового масла. Разделять люминесценцию краски и силиконового масла можно так же и по времени послесвечения при импульсном возбуждении. Кумарин-6 имеет очень короткое время послесвечения, порядка 10 нс, в то время как кристаллофосфор Y₂O₂S:Eu - 1 мс. Во время импульсного возбуждения регистрируется суммарное свечение силиконового масла и краски, а после окончания возбуждающего импульса регистрируется только свечение краски.

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.

Благодаря тому, что 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. Кроме того, так как картина течения восстанавливается из анализа ряда изображений, снятых на исследуемом режиме течения, исключается 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 классическими методами визуализации. Указанные преимущества предложенного способа позволяют существенно сократить затраты сил, средств и времени на проведение полного цикла исследований объекта по сравнению с классическими методами визуализации.

В то время как прототип дает картину только предельных линий тока, предложенный способ позволяет визуализировать еще и распределение напряжения трения на поверхности объекта. Предельные линии хорошо визуализируют области отрыва и присоединения потока, в то время как напряжение трения визуализирует переход пограничного слоя и в случае транс- и сверхзвуковых потоков скачки уплотнения.