ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Методы визуализации течений из "Пространственные пристенные турбулентные течения в угловых конфигурациях" Визуализация течения является важным приложением в инженерных исследованиях сложных полей течения и по-прежнему остается одним из самых необходимых инструментов в практике любого экспериментатора. Одна из основных целей визуализации— получить картину течения исследуемого объекта на качественном уровне. Но это далеко не единственное и, может быть, не главное предназначение визуализации. Можно привести убедительные примеры, где роль визуализации решающая. Заинтересованного читателя мы отсылаем к обзорной работе Рошко [971, где такие примеры демонстрируются. [c.33] Визуализация потока представляется особенно ценным инструментом на этапе выявления оптимальных аэродинамических или гидродинамических форм объекта. В частности, изучение аэродинамики автомобиля с помощью средств визуализации помогает заблаговременно обнаружить целый ряд неблагоприятных эффектов, таких как отрыв потока. Таким образом, без специальных количественных измерений можно уже на предварительном этапе внести соответствующие коррективы в форму автомобиля и в дальнейшем сконцентрироваться на более детальных экспериментах, обеспечивающих получение дополнительной информации о поле течения, которая в свою очередь может быть использована для последующих итераций при доводке внешнего облика автомобиля. Таким образом, визуализация позволяет исследователю наблюдать общую картину обтекания объекта, получение которой с помощью пневмоприемников или других зондов и датчиков часто оказывается крайне трудоемким процессом. [c.34] Для визуализации картины течения в плоскости, нормальной к основному потоку, в дозвуковых аэродинамических трубах нередко устанавливают проволочную сетку с закрепленными в ее узловых точках шелковинками. Такой способ визуализации весьма эффективен при изучении характера течения позади различных тел и используется в диапазоне малых дозвуковых скоростей потока. Картина поведения шелковинок наблюдается и фотографируется, как правило, из положения ниже по потоку . Будучи качественной визуализацией, этот метод, тем не менее, позволяет получать количественную информацию о распределении компоненты скорости в плоскости, перпендикулярной основному потоку. На рис. 1.4 приведен пример визуализации обтекания пятиугольного крыла, установленного под углом атаки а = 17.9 в аэродинамической трубе дозвуковых скоростей СибНИА им. С.А. Чаплыгина. Здесь шелковинки закреплены на тонких проволоках, натянутых в вертикальном направлении поперек основного потока. Области существования вихрей, индуцированных точкой излома передней кромки крыла, вполне четко просматриваются. [c.36] Если вязкость масла слишком большая, то смесь будет растекаться крайне медленно, отдельные фрагменты картины могут вообще не проработаться и время проведения эксперимента затянется на десятки минут. Конечно, если есть возможность зафиксировать картину течения непосредственно в процессе эксперимента, то часть этих проблем снимается. При удачном выборе консистенции смеси можно наблюдать многие детали структуры течения (зоны отрыва и присоединения потока, наличие особых точек типа седел, узлов и т.п.), зафиксировать признаки формирования вихрей над обтекаемой поверхностью. Для получения экспресс-информации выполненной визуализации необязательно использовать сложную фото- или кинотехнику. Хорошо зарекомендовала себя широкоформатная липкая лента, с помощью которой можно просто и быстро снять отпечаток с полученной картины течения. В случае дозвукового обтекания плоских или, по крайней мере, не сильно искривленных поверхностей такая лента может быть эффективной в качестве основы с нанесенными на нее перед экспериментом точками визуализирующего состава [118]. По окончании эксперимента лента аккуратно снимается, картина течения закрепляется фиксатором и используется как фотография. Есть и другие примеры, указывающие на то, что этот метод продолжает совершенствоваться [119]. [c.37] В последние годы наблюдается отчетливая тенденция к использованию комплексных подходов, удачно сочетающих в себе достоинства отдельных методов визуализации потока. На рис. 1.6 [120] приведена картина визуализации цилиндрического препятствия , установленного на тщательно подготовленной плоской поверхности при обтекании низкой дозвуковой скоростью потока. Путем применения несложной оптической схемы и подходящего для этой цели освещения можно в тонкой однородной масляной пленке получить отчетливо выраженную интерференционную картину. Причем с хорошим приближением интерференционные полосы можно интерпретировать как линии равных высот масляной пленки. Тогда, основываясь на законах растекания пленки, физических свойствах используемого масла и опираясь на соответствующий математический аппарат, можно получить дополнительную информацию об обтекании объекта, например о поле поверхностного трения. [c.38] С точки зрения улучшения эффекта восприятия и увеличения информативности метода большую пользу может оказать визуализация цветным дымом, который получается за счет добавления в визуализирующую смесь специальных присадок. Наиболее контрастная картина течения наблюдается в случае лазерной подсветки в виде светового ножа. Перемещая световой нож по длине исследуемой области, можно установить положение центров вихрей, структуру вихревых систем и даже закономерности их развития в поле потока. Дополнительное расширение возможностей обеспечивается варьированием частоты и длительности импульсов, использованием многониточных генераторов дыма, одновременной съемкой процесса с разных ракурсов, последующей покадровой цифровой обработкой. Правда, в практических случаях эта методика, по-видимому, эффективна до скоростей потока не более 20—25 м/с. [c.40] Картина визуализации подобным методом при обтекании моделей двух тан-демно расположенных зданий в моделируемом в условиях трубы приземном пограничном слое представлена на рис. 1.7 [127]. Хорошо видны область формирования вихря перед первым зданием в его нижней части, зона присоединения и последующего растекания потока на фасаде второго здания и область формирования вихря под навесом (козырьком) этого здания. [c.40] На рис. 1.9 (см. цв. вклейку) приведен пример визуализации эллипсоида вращения, установленного под углом атаки, с помощью подкрашенных цветных струй, которые вводятся через систему специально изготовленных отверстий на поверхности модели [131]. Эксперимент выполнен при низком значении числа Рейнольдса в гидроканале Института экспериментальной аэродинамики (ОРУШ, Гёттинген). Видно, что за счет применения струек жидкости разного цвета (голубого, красного, желтого, оранжевого) особенности пространственного развития вихревой системы, формирующейся на подветренной стороне эллипсоида, наглядно наблюдаются. [c.42] Что касается аналогичной визуализации воздушных потоков, то здесь все чаще используются подкрашенные дымовые струи, которые получаются как продукты сгорания специальных смесей в дымовых генераторах. В принципе, понятие дым является более широким, поскольку в качестве трассеров, которые делают картину течения видимой, нередко применяют водяной пар, различные аэрозоли, туман и другие мелкие частицы, размер которых меньше или даже много меньше 1 мкм. Способ подачи дыма в исследуемую область определяется условиями эксперимента и, чаще всего, осуществляется или через тонкую трубку, или через отверстия в модели. Однако метод весьма чувствителен, в частности, к уровню турбулентности потока в аэродинамической трубе. Если труба с высоким качеством потока, то метод можно использовать для визуализации даже сверхзвуковых ламинарных областей потока. Большой опыт применения дыма для визуализации не только до-, но и сверхзвуковых течений накоплен в аэродинамических трубах Университета Нотр-Дам. Одним из наиболее характерных и удачных примеров выполненной дымовой визуализации является работа [132], результаты которой широко цитируются в литературе. [c.42] В традиционной схеме тонкая пульсирующая проволока, диаметр которой выбирается в пределах примерно 10—30 мкм, располагается в нужном месте потока и используется как катод (отрицательный электрод). В качестве материала чаще выбирают платину или сталь. Анод, к форме которого предъявляются не столь жесткие требования, размещается в другом месте потока. Рабочее напряжение обычно задается в пределах 20—60 В. В качестве электролитической жидкости может использоваться обычная питьевая вода, если она не слишком мягкая. В противном случае для повышения электролитической проводимости добавляется сульфат натрия. [c.43] Если катодная проволока размещена перпендикулярно вектору скорости набегающего потока и если в цепи постоянного тока генерируются короткие электрические импульсы определенной частоты, вдоль нити образуется ряд пузырьков. Срываясь с нити с определенным интервалом времени, они образуют в потоке ряды трассеров, и по их положению можно определить локальную скорость течения. Искомая величина находится как расстояние, измеренное между рядами пузырьков, поделенное на время чередования электрических импульсов. [c.43] Хотя этот метод ограничен использованием в водных средах, наиболее впечатляющие качественные и количественные результаты, отражающие тонкую структуру течения в турбулентном пограничном слое, в том числе в ламинарном подслое, были получены с помощью метода водородных пузырьков [137—1411. Яркие иллюстрации применения этого метода систематизированы в обзорной работе [1421. С точки зрения визуализации некоторых трехмерных явлений эффективность его использования продемонстрирована в [143]. [c.43] В качестве примера на рис. 1.10 представлена картина визуализации тонкого пятиугольного крыла с углом стреловидности по передней кромке 75° и изломом образующей, полученная в гидроканале АНТК им. А.Н. Туполева. Один из электродов в виде тонкой проволоки аккуратно заделан вдоль передней кромки крыла. Хорошо видна область формирования концевых спиралевидных вихрей, которые устойчивы на большей части крыла. Ниже по потоку наблюдаются область разрушения вихрей и последующее хаотичное развитие течения. [c.43] При изменении температуры происходит переориентация молекул кристаллов, в результате чего меняется длина волны отраженного от их поверхности света, т.е. участки поверхности с различной температурой принимают разный цвет. Положение максимума и полуширина линии спектра селективного отражения однозначно определяются температурой [144]. Поэтому по цветовой картине можно судить о таких особенностях течения в пограничном слое, как положение областей перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный, отрыва или присоединения потока и т.п. [c.45] Термочувствительные жидкокристаллические покрытия находят все более широкое применение для панорамной визуализации температурных полей не только в трубных, но и в летных испытаниях. Тонкий слой покрытия на поверхности модели практически не вносит возмущений в пограничный слой, а высокая чувствительность ЖК позволяет фиксировать малые градиенты температур. В аэродинамических испытаниях жидкие кристаллы подвергаются воздействию не только температурных изменений, но и механического сдвига, на который они также реагируют. Поэтому для измерения полей температур более предпочтительны кристаллы, закапсулированные в полимер. [c.45] В [145] разработан способ получения термоиндикаторного материала на основе закапсулированных в полимер термочувствительных кристаллов. Эти материалы характеризуются достаточно организованной структурой кристаллов в капсулах, что определяет высокую интенсивность селективно отраженного от их поверхности света. Температурная область их использования от -20 до + 170 С. В зависимости от состава пленки температурная чувствительность варьируется от долей градуса до 20°, пороговая чувствительность 5-10 Bт/ м постоянная времени 0.1—0.2 с. При практическом применении указанный материал в виде полимерного раствора наносится перед экспериментом на черную лакированную модель путем распыления. [c.45] Более удобным стало использование чувствительной к температуре тонкой пленки (толщиной 15—20 мкм) с заранее нанесенными на нее по специальной технатогии кристаллами, которая рассчитана на определенный диапазон температур. Такая пленка аккуратно наклеивается на модель в исследуемой области течения, как правило, в виде фрагмента. При этом модель предварительно (или в процессе опыта) должна быть нагрета до температуры, несколько превышающей максимально возможную, которая реализуется в анализируемой области. Подогрев можно выполнять двумя путями. В трубе с открытой рабочей частью это делается с помощью ламп большой мощности или, если модель небольшая, предварительно поместив ее в термостат. В трубе с закрытой рабочей частью хорошо зарекомендовал себя способ нагрева с помощью электронагревательного элемента, встроенного в конструкцию модели [146, 147]. [c.45] Процесс разработки эффективных ЖК продолжается вплоть до сегодняшнего дня, о чем свидетельствуют регулярные конференции и семинары, которые проводятся по этой проблеме (см., например, [148]). [c.45] В условиях дозвуковых скоростей изменение структуры течения сопровождается малыми градиентами температуры на поверхности. В [151 ] показано, что для ламинарного течения применение высокочувствительных ЖК покрытий с шириной области селективного отражения 1.5—2.0 °С и цветной видеорегистрацией оптического отклика позволяет по изменению цвета судить об особенностях вихревой структуры потока и локального теплообмена. Однако в области турбулентного течения влияние малых возмущений на структуру течения и теплообмен на поверхности менее выражено. Использование же более чувствительных покрытий (с шириной области селективного отражения менее 1°С) может быть непрактичным из-за более жестких требований к качеству поверхности, так как при этом наряду с особенностями течения могут визуализироваться и дефекты поверхности. В таком случае более предпочтительными являются менее чувствительные ЖК покрытия в сочетании с высокочувствительной черно-белой видеокамерой и методами цифровой обработки монохроматических изображений. По этой причине в [152] предложен достаточно простой метод регистрации полей температур и тепловых потоков с помощью ЖК. Суть его заключается в том, что для регистрации цвета ЖК покрытия исследуемая поверхность освещается пучком света, пространственно модулированным прямолинейными регулярными полосами. Причем изображение полос разлагается в спектр по координате, ортогональной их направлению. В этом случае изображение объекта при постоянной температуре представляет собой поле соответствующего данной температуре цвета, модулированное прямолинейными полосами с отвечающими этому цвету положениями максимумов. При неоднородности температуры по полю объекта изображение будет иметь разный цвет и соответственно разное положение модулирующих патос для участков с различающимися температурами, что визуально выражается в сдвиге этих полос. Применение черно-белых регистрирующих устройств позволяет четко фиксировать сдвиг полос даже тогда, когда различие цвета вообще не наблюдается или выражено слабо. [c.46] Использование техники ввода и обработки изображений и новых способов считывания цветовой информации даст возможность в процессе экспери- мента проводить не только качественные, но и количественные измерения [153, 154]. [c.46] Вернуться к основной статье