Голографическая диагностика двухфазных потоков в задачах высокоскоростного разрушения материалов

Диссертация посвящена исследованию существующих и разработке новых голографических методов диагностики дисперсных фаз запре-градных двухфазных потоков, сопровождающих высокоскоростное ударное разрушение твердых тел.

Актуальность темы

и состояние вопроса.

Ситуации, в которых происходят соударения, т. е. столкновение двух или более твердых тел, изучаются целым рядом классических дисциплин. включая механику деформируемого твердого тела (МДТТ). В последнее время по мере усложнения техники к поведению материалов под воздействием интенсивного импульсного нагружения предъявляются все более жесткие требования. Глубокое понимание поведения материалов в этих условиях необходимо для решения целого ряда задач. примерами которого могут служить:

1) безопасность оболочек различного рода реакторов, включая ядерные, в случае попадания в них предметов извне (самолетов, крупных метеоритов, обломков конструкций несомых ураганом и перемещаемых взрывом и т. д.),.

2) безопасность транспортных средств при столкновениях в аварийных ситуациях,.

3) устойчивость защитных экранов космических аппаратов к попаданию в них метеоритов и частиц космического происхождения,.

4) эрозия и разрушение твердых тел под действием многократных ударов жидких и твердых частиц,.

5) обработка и сварка металлов взрывом и т. п.

Достаточно частым, а в ряде случаев непременным компонентом явлений высокоскоростных соударений, сопровождающихся разрушением агентов взаимодействия и сквозным пробитием одного из них (преграды), является выброс в запреградное воздушное пространство продуктов разрушения, т. е. образование запреградного двухфазного потока (ЗДП) типа «газ-твердо-и/или жидкофазные частицы «.

Образование ЗДП находится в поле зрения МДТТ как проявление общей картины ударного взаимодействия, и потому позволяющие в определенной мере судить о механизме явления, так и как источник вторичных взаимодействий с другими телами (слоями конструкции, в частности).

Традиционно для моделирования процессов соударения в экспериментальной МДТТ используется техника высокоскоростного удара (баллистические копры, баллистические газовые и пороховые разгонные установки), обеспечивающие импульсное нагружение преграды высокоскоростным ударником [1.2]. Отличительной особенностью ЗДП, моделируемых техникой высокоскоростного удара, является ''взрывопо-добие", выражающееся в наличии кратковременной (~ 10б — 10~4 с) начальной стадии зарождения в ограниченной области пространства с последующим его расширением (часто в ограниченном по углу секторе запреградного пространства) с наблюдающимися неоднородностью поля скоростей и размеров и многообразием форм частиц. Размеры и скорости частиц, находящиеся в поле изучения МДТТ, составляют п-Ю-5 Ю-1 м и О^п-103 м/с. Задача определения пространственных полей параметров дисперсной фазы ЗДП представляет значительную сложность и не имеет удовлетворительного решения в рамках традиционно применяемых в экспериментах МДТТ методов. Последние условно могут быть подразделены на три группы: а) методы контактной фиксации траектории [1,3] или времени пересечения заданного сечения запреградного пространства (путем размыкания/замыкания электрических цепей, прерывания лучей света) — б) импульсной рентгенографии [1,3−5]- в) импульсной фотографии [1,2,3], включая высокоскоростную кинорегистрацию.

Контактные методы, даже при пренебрежении влиянием на исследуемый поток, обеспечивают изучение ограниченного числа параметров частиц. Так например, фиксация траектории частиц легко пробиваемыми экранами или экранами-уловителями используется для получения пространственного распределения частиц по углам разлета (с определением формы одной из проекций частицы) или оценки (по конечному результату взаимодействия с уловителем) векторного поля скорости частиц и размеров (при условии неразрушаемости частиц при их улавливании). В последнем случае результат взаимодеиствия существенно зависит от формы и ориентации частицы и потому метод не может претендовать на удовлетворительную точность измерения скоростей. Кроме того принципиально неустранимы погрешности, обусловленные суммированием эффектов воздействия на экраны при их последовательном и групповом поражении несколькими частицами.

Методы, основанные на контактной фиксации моментов пересечения заданных сечений запреградного пространства, применимы лишь для измерения скорости лидирующей группы частиц, поскольку именно для этой группы реализуется наибольшая вероятность запуска одними и теми же частицами датчиков, размещенных в разных сечениях траектории. Аналогичным недостатком обладают и бесконтактный метод измерения скоростей, базирующийся на фиксации моментов прохода заданного сечения путем перемыкания световых лучей.

Более информативным при исследовании ЗДП является сочетание методов улавливания частиц и двукратного импульсного рентгенографи-рования в нескольких, как правило, в двух взаино-ортогональных направлениях, применяемое для определения пространственного распределения крупной (> 1СГ3 м фракции дисперсной фазы по скоростям, углам разлета и размерам и массам (при условии неповреждения частиц уловителями). Двукратное ренгенографирование, как правило, выполняется на одну кассету, что приводит к потере информации и/или трудностям установления взаимно-однозначного соответствия между частицей и парой ее рентгенографических изображений с соответствующей погрешностью определения поля скоростей и углов разлета. При определении координат, как правило, не используется фотометрирования рентгенограмм, что закрывает возможности идентификации материалов частиц, потенциально заложенные в рентгенографии и реализуемые, например, в рентгеновской томографии. Диагностике мелкодисперсной фракции частиц ЗДП препятствует недостаточная разрешающая способность, обуславливаемая в основном геометрической и отчасти экранной составляющими нерезкости рентгенограмм.

Лучшего разрешения ДФ ЗДП удается достигать методами импульсной фотографии (исключая применение стандартных высокоскоростных кинокамер и устройств, реализующих схему Дворжака) но в пределах малых по глубине регистрационных сцен, что ограничивает их применение для диагностики ЗДП.

В связи с достижением экспериментальными исследования ЗДП ограничений своих недостаточно информативных традиционных методов регистрации представляется целесообразным обновление арсенала диагностических возможностей за счет применения голографии, продемонстрировавшей свою высокую информативность в целом ряде приложений, обеспечивших возможность определения пространственных полей параметров разнообразных грубодисперсных сред.

Цель работы.

Из вышеизложенного вполне естественно вытекает цель диссертационной работы: адаптация существующих, а также разработка новых голографических методов и средств диагностики дисперсных фаз ЗДП, сопровождающих высокоскоростное ударное разрушение твердых тел, обеспечивающих одновременное (за один опыт) определение пространственных распределений частиц и кинетических параметров ДФ. .

Научная новизна и практическая ценность.

1. Выполнен анализ применимости метода на основе регистрации голограмм Фраунгофера с последующим увеличением для диагностики ЗДП. Для описания диагностических возможностей дисдрометров с регистрационной сценой сферической формы введен обобщенный диагностический параметр V. пропорциональный предельному разрешению сферических частиц, выраженному в длпнах волн регистрирующего излучения, и отношению ширины области однородности фотоматериала к размеру рабочего поля.

2. Применительно к традиционным двухлучевым схемам записи голограмм Фраунгофера установлено, что основным фактором, лимитирующим пространственное разрешение частиц ЗДП, является ширина области однородности фотоматериала. В частности, выявлена их неэффективность для диагностики мелкодисперсной (менее 100 мкм) фракции ЗДП. Показано, что реализация значений параметра С/, близких к его нижнему пределу в схемах с нормальным падением (на голограмму) объектных волн сопряжено со съемкой при больших углах голографирования и, следовательно, со значительным падением ДЭ голограмм, восстанавливаемых в условиях несовпадения длин волн записи и реконструкции.

3. Изучена возможность повышения диагностических возможностей вышеуказанного голографического метода применительно к исследованию ЗДП. Предложены приемы снижения значения параметра II, заключающиеся в применении двухракурсного противонаправленного голографирования и раздельном освещении независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемой голограммы. Показано, что использование этих приемов для построения схем дисдрометров, а также их совмещение не сопровождается увеличением углов голографирования, а следовательно и снижением ДЭ голограмм, восстанавливаемых волнами с длиной, отличной от длины волны записи. Предложены варианты схем дисдрометра, удовлетворяющих условиям диагностики мелкодисперсной фракции частиц ЗДП при применении реальных голо-графических фотоматериалов.

4. Исследованы условия применимости одноэкспозиционной гологра-фической регистрации для измерения поля скоростей дисперсной фазы ЗДП. Показано, что относительная погрешность определения скорости поддается верхней оценке, которая может быть улучшена на основе информации о механизме разрушения преграды.

5. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе одноэкспозиционной регистрации голограмм Фраунгофера, подтвердившие пригодность метода для диагностики дисперсной фазы ЗДП в пределах ограниченных (до 100 мм) регистрационных сцен. При этом зарегистрированы принципиально новые явления, сопровождающие высокоскоростное ударное сквозное пробития металлических преград. В частности, впервые установлен факт противонаправленного (относительно вектора удара) движения частиц ЗДП, инициированного одиночным компактным ударником, даны возможные объяснения зарегистрированного явления.

6. Разработан метод диагностики ЗДП на основе их двухэкспозици-онной двухракурсной регистрации совмещенными ГСИ с кодированием одномоментных нодголограмм по углу падения опорных волн. Метод позволяет определять координаты, векторы скоростей частиц и приближать их размеры, форму и объемы с использованием двухракурс-ных стереомоделей и таким образом, обеспечивает возможность верхней оценки их кинетических параметров. Геометрические параметры частиц определяются обмером их голографических изображений в двух взаимно-ортогональных плоскостях наблюдения, что допускает применение объективных критериев визуального контроля точности наводки измерительного прибора.

7. Разработана и успешно опробована реализующая метод регистрационная установка, включающая двухракурсный голографический дис-дрометр с рабочим полем диаметром 252 мм, с осветительными и приемными коллиматорами с центрированными сферическими зеркалами 700 мм) в качестве основных объективов, осуществляющая в каждом из двух ракурсных каналов двукратную регистрацию совмещенных ГСИ (?3 = 0.1) с кодированием одномоментных подголограмм по углам падения опорных волн, и обеспечивший пространственное разрешение не хуже 40 мкм на оси.

8. Экспериментально установлено существование ограничений контраста голографических изображений сверзвуковой фракции ДФ ЗДП фоном как теневой, так и прямотеневой картины ударно-волнового возмущения сплошной фазы, возрастающих с ростом в поле зрения локальных счетной концентрации и скоростей частиц.

9. Разработана и опробована методика визуализации ЗДП с апостериорной фильтрацией восстановленных объектных волн, обеспечивающая улучшение разрешения мелкодисперсной (до 40 мкм на оси) фракции дозвуковых частиц и отличающаяся использованием вспомогательной кодированной сдвигом подголограммы для постановки/формирования фильтрующей маски и юстировки схемы восстановления.

10. Впервые выполнено теоретическое обоснование, оценка эффективности метода диагностики ДФ гетерогенных ДЗП, основанного на совместном импульсном рентгенографировании и многоракурсной двукратной голографической регистрации потока и использовании данных регистрации для получения пространственных полей геометрических параметров частиц, идентификации материалов (фаз) последних, и определения парциальных пространственных распределений массы и кинетических параметров ДФ.

11. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе двухракурсной регистрации ГСИ в режиме кадрированной съемки Тем самым показана пригодность разработанного метода для одновременного (по данным одного опыта) определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров дисперсной фазы ЗДП в пределах регистрационной спены размером до 252 мм при разрешении частиц не хуже 40 мкм для дозвуковой фракции на оси. Для более скоростных частиц разрешение ограничивалось известными скоростными ограничениями записи голограммы и локальными снижениями их контраста вследствие дифракционных искажений, вносимых ударно-волновыми возмущениями сплошной фазы.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Приемы улучшения разрешения метода диагностики дисперсной фазы на основе регистрации голограмм Фраунгофера с последующим увеличением, не приводящие к увеличению угла голографирования и снижению дифракционной эффективности голограмм в условиях неравенства длин волн записи и восстановления, заключающиеся а) в двухракурсной противонаправленной регистрации голограмм, б) в раздельном освещении независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемой голограммы, в) в совмещении вышеперечисленных приемов.

2. Метод и средства регистрации для определения на основе одного опыта пространственного распределения ДФ ЗДП с одновременным определением векторов скорости и геометрических параметров частиц, включая размеры и формы их двухракурсных стереомоделей, на основе их двухэкспозиционной двухракурсной регистрации совмещенными ГСИ с кодированием одномоментных подголограмм по углу падения опорных волн.

3. Возможность визуального контроля погрешности оптического сопряжения с восстановленным голографичеекпм изображением микрочастицы неизвестной формы на основе объективных критериев, реализуемая при последовательном наблюдении двух ее изображений, восстановленных с голограмм, зарегистрированных в пересекающихся направлениях.

4. Возможность идентификации материалов частиц гетерогенной дисперсной фазы на основе интервальной оценки их удельного ретге-новского ослабления, реализуемая на основе одновременной ренгеногра-фической и многоракурсной голографической регистрации, проводимой во взаимно-пересекающихся направлениях, а также возможность верхней оценки их кинетических параметров при условии реализации двукратного режима многоракурсной регистрации голограмм.

Распределение материала по главам.

В первой главе выполнен обзор литературных источников по методам голографической визуализации ансамблей микрочастиц, включая двухфазные потоки, и определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров их дисперсной фазы, а также обзор их практических приложений и аппаратурного обеспечения.

Во второй главе применительно к задачам исследования ЗДП на основе единого описания параметров выполнена теоретическая оценка диагностических возможностей четырех основных разновидностей двухлуче-вой схемы регистрации голограмм Фраунгофера и предложенных приемов их совершенствования. Исследованы границы применимости одно-экспозиционной импульсной регистрации для определения поля вектора скорости.

В третьей главе приведено описание разработанного метода регистрации ЗДП на основе голограмм сфокусированного изображения (ГСИ) и адаптированной к нему методики апостериорной фильтрации объектной волны, а также выполнена теоретическая оценка возможности повышения диагностической (применительно к исследованию гетерогенных ЗДП) эффективности разработанного метода — в частности, и голографической регистрации — в целом, за счет совмещения с импульсной рентгенографией.

В четвертой главе описано применение рассмотренных в гл. 2 и 3 методов голографической регистрации для исследования запреградных двухфазных потоков (ЗДП), сопровождающих сквозное пробитие металлических преград высокоскоростным ударом.

Благодарности.

Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, ведущему научному сотруднику ГИПО Черных В. Т. за полезное сотрудничество в проведении совместных экспериментальных работ и помощь в аппаратурном оснащении экспериментов, профессору, зам. директора ИФПМ Зуеву Л. Б. за постоянную поддержку и интерес к работе автора.

Автор признателен коллегам, сотрудникам НИИПММ при ТГУ Заха.

15 рову В.Т., Зайцеву В. Г., Поляковой Е. С. и другим за полезное сотрудничество в проведении совместных экспериментальных работ.

Основные результаты работы заключаются в следующем.

1. Выполнен анализ диагностических возможностей голограмм Фра-унгофера применительно к регистрации ЗДП. Для описания возможностей дисдрометров. осуществляющих такого рода регистрацию, введен обобщенный диагностический параметр II, пропорциональный предельному разрешению сферических частиц, выраженному в длинах волн регистрирующего излучения, и отношению ширины области однородности фотоматериала к размеру рабочего поля.

2. Установлено, что основным фактором, лимитирующим пространственное разрешение частиц ЗДП. является ширина области однородности фотоматериала. Применительно к традиционным двухлучевым схемам записи голограмм Фраунгофера в случае использования реальных фотоматериалов выявлена неэффективность диагностики мелкодисперсной (менее 100 мкм) фракции ЗДП. Показано, что реализация значений параметра II, близких к его нижнему пределу в схемах с нормальным падением (на голограмму) объектных волн сопряжено со съемкой при больших углах голографирования и, следовательно, со значительным падением ДЭ голограмм, восстанавливаемых в условиях несовпадения длин волн записи и реконструкции.

3. Изучены возможности повышения диагностических возможностей реализующих вышеуказанный метод голографических дисдрометров применительно к исследованию ЗДП. Показано, что значения реализуемого дисдрометрами параметра и может быть значительно снижено за счет применения двухракурсной противонаправленной регистрации и раздельного освещения независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемых голограмм (а также совмещением этих приемов) без увеличения углов голографирования, а следовательно без снижения ДЭ голограмм, восстанавливаемых волной с длиной, отличной от волны записи, в том числе и в схемах с нормально падающими объектными волнами. Предложены варианты схем дисдрометра, удовлетворяющих условиям диагностики мелкодисперсной фракции частиц ЗДП при применении реальных голографических фотоматериалов.

4. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе одноэкспозиционной регистрации голограмм Фраунгофера. подтвердившие пригодность метода для диагностики дисперсной фазы ЗДП в пределах ограниченных (до 100 мм) регистрационных спен. При этом зарегистрированы принципиально новые явления, сопровождающие высокоскоростное ударное сквозное пробития металлических преград. Впервые установлен факт противонаправленного (относительно вектора начальной скорости ударника) движения частиц ЗДП. инициированного одиночным компактным ударником, даны возможные объяснения зарегистрированного явления.

5. Еазработан метод диагностики ЗДП и реализующий его двухра-курсный голографический дисдрометр (А = 694 нм. тимп ~ 20 не. Afp, v — произвольное) с рабочим полем диаметром 252 мм и обеспечивший пространственное разрешение не хуже 40 мкм на оси. Метод обеспечивает на основе двухракурсной двухэспозиционной регистрации потока совмещенными ГСП с кодированием одномоментных подголограмм по углу падения опорных волн определение пространственного распределения и поля векторов скорости частиц, приближение формы и объемов последних с использованием их двухракурсных стереомоделей, а также возможность верхней оценки их кинетических параметров. Определение геометрических параметров ДФ осуществляется измерением ее восстановленных изображений в двух взаимно-ортогональных плоскостях регистрации, что допускает применение объективных критериев визуального контроля точности наводки измерительного прибора.

6. Дополнительно разработана и опробована методика визуализации ЗДП с апостериорной фильтрацией восстановленных объектных волн, обеспечивающая улучшение разрешения мелкодисперсной (до 40 мкм на оси) фракции дозвуковых частиц и отличающаяся использованием вспомогательной кодированной сдвигом подголограммы для постановки/формирования фильтрующей маски и юстировки схемы восстановления.

7. Экспериментально установлены ограничения контраста изображений сверзвуковой фракции частиц ЗДП фоном как теневой, так пря-мотеневой картины ударно-волнового возмущения сплошной фазы, возрастающие с ростом в поле зрения локальных счетной концентрации п скоростей частиц.

8. Впервые выполнено теоретическое обоснование, оценка гранпц применимости и эффективности метода диагностики ЛФ гетерогенных ДЗП, основанного на одновременном импульсном рентгенографирова-нии и многоракурсной голографическои регистрации потока и использовании данных регистрации для получения пространственных полей геометрических параметров частиц, идентификации материалов (фаз) последних (на основе интервальной оценки их удельного рентгеновского ослабления их материалов (фаз)), и определения парциальных пространственных распределений массы. В случае применения двукратного режима голографирования дополнительно могут быть определены и парциальные поля кинетических параметров гетерогенной ДФ.

9. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе двухракурсной регистрации ГСП в режиме кадрированной съемки. Тем самым показана пригодность разработанного метода и реализующего.

182 его дисдрометра для одновременного (по данным одного опыта) определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров дисперсной фазы ЗДП в пределах регистрационной сцены размером до 252 мм. Разрешение частиц ограничивалось известными скоростными ограничениями записи голограммы и локальными снижениями их контраста за счет рефракции на ударно-волновых возмущениях сплошной фазы. В частности, отмечено разрешение частиц размером от 160 мкм при скорости 840 м/с в пределах всей сцены и разрешении дозвуковой фракции не хуже 40 мкм на оси.

Выводы и заключение.