Интерференционные методы регистрации полей тепловых потоков и давления на обтекаемых поверхностях

Развитие авиационной и космической техники предъявляет все более высокие требования к количеству и качеству информации, получаемой при изучении трехмерного обтекания летательных аппаратов в широком диапазоне летных параметров. Это ведет к необходимости, наряду с совершенствованием традиционных для аэрофизического эксперимента методов регистрации (измерения с помощью пневмодатчиков, термоанемометров, термопар и др.), внедрения новых или мало распространенных, но более производительных, как количественных, так и качественных методов. Это в полной мере относится и к методам регистрация параметров на обтекаемых поверхностях и, в частности, тепловых потоков и полей давления. Необходимость их развития обусловлена следующими факторами:

• Любые методы измерений имеют ограничения по чувствительности, динамическому диапазону, точности измерений, а также по пространственному и временному разрешению.

• Расширение линейки доступных методов позволяет одновременно регистрировать несколько параметров потока и / или проводить регистрацию одного и того же параметра альтернативными способами. Это увеличивает достоверность значений измеряемой величины и служит достаточно надежным подтверждением адекватности используемых методов.

• Важным является снижение стоимости эксперимента, что требует усовершенствования экспериментальной базы, в том числе и методов измерения, в плане повышения качества и количества получаемой за единицу времени информации.

Указанные факторы важны практически для всех методов диагностики. Однако оптические методы обладают присущими только им достоинствами, что служит дополнительным стимулом их развития. К ним относятся: возможность бесконтактных измеренийвозможность панорамной регистрации инте3 ресуемого параметравозможность получения «мгновенной», по сравнению с — характерным~временем~~исследуемого" процесса, информациивысокое пространственное разрешениев некоторых случаях возможность получения информации недоступной при использовании других методов.

В настоящее время известен ряд оптических методов регистрации тепловых потоков и давления на обтекаемых поверхностях. Наибольшее распространение получили панорамные методы. Для регистрации температуры широко применяются тепловизоры, а также различные термоиндикаторные покрытия на основе термочувствительных красителей, индикаторов плавления, жидких кристаллов (ЖК покрытия). Для регистрации поверхностного трения используются жидкие пленки, эластичные, люминесцентные и ЖК покрытия. Оптическая регистрация полей давления осуществляется с помощью барочувствитель-ных люминесцентных и эластичных покрытий.

Наряду с достоинствами, данные методы обладают определенными недостатками. Например, термоиндикаторные покрытия на основе термочувствительных красителей и индикаторов плавления, резко меняющих свою окраску при переходе определенного уровня температуры, позволяют визуализировать только одну или, в некоторых случаях, несколько изотерм. Существенным ограничением в использовании ЖК-покрытий является узкий температурный рабочий диапазон. При использовании тепловизоров необходимо наличие информации о коэффициенте серости поверхности, что требует дополнительных калибровочных измерений. Возможно влияние отраженного исследуемой поверхностью излучения от более нагретых участков, как самой модели, так и конструктивных узлов установки, что особенно сильно может проявляться при проведении экспериментов на высокоэнтальпийных установках.

Регистрации давления с помощью люминесцентных покрытий требует наличия кислорода в газе. Метод фактически регистрирует его концентрацию, а не давление газа в потоке. Относительно малая скорость выравнивания концентрации кислорода в матрице ограничивает применение методики при исследовании быстропротекающих процессов. Чувствительность, выражающаяся в процентном изменении интенсивности люминесценции при изменении давле—ния-на -1-кПа,—зачастую~ограничена1ша^ёШе1⁰⁷⁵−1%/кПа и не может быть улучшена.

Эти и другие факторы, ограничивающие точность, динамический диапа- ' зон, быстродействие и другие важные метрологические характеристики известных оптических методов регистрации газодинамических параметров на обтекаемых поверхностях подтверждают актуальность работ по их развитию.

Цель и основные задачи работы.

Целью работы являлось разработка новых экспериментальных методов регистрации параметров газовых потоков на обтекаемых поверхностях. Теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение работоспособности разрабатываемых методик.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• Разработка общего подхода регистрации параметров потока на обтекаемых поверхностях с использованием методов оптической интерферометрии.

• Разработка и реализация на аэродинамических установках оптического метода регистрации тепловых потоков на обтекаемых поверхностях.

• Разработка и реализация на аэродинамических установках оптического метода регистрации полей давления на обтекаемых поверхностях.

• Развитие разрабатываемых методик для регистрации параметров на искривленных произвольно ориентируемых поверхностях.

Научная новизна.

1. Предложен общий подход для панорамных интерференционных методов регистрации тепловых потоков и полей давления на обтекаемых поверхностях с использованием в качестве датчика слоя прозрачного вещества, изменяющего свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра.

2. Отработана методика регистрации тепловых потоков. В приближении одномерности и линейности тепловой задачи получены общие соотношения, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать поверхностное распределение теплового потока. Метод получил название Global Interference-Heat-Flux meter (GIHF).

3. Отработана методика регистрации полей давления. В линейном приближении получены аналитические соотношения для изменения оптической толщины слоя упругого вещества на гармоническую (косинусоидальную) нагрузку, позволяющие по интерферометрическим данным восстановить распределение давление на исследуемой поверхности. Метод получил название Global Interference Surface Pressure meter (GISP).

4. Показана возможность использования разрабатываемых методик на искривленных, произвольно ориентированных поверхностях с использованием интерференции в диффузном свете (фазовая спекл интерферометрия).

5. Получены экспериментальные результаты, доказывающие работоспособность и перспективность разрабатываемых методик.

Практическая г{енность результатов.

• Панорамный метод регистрации тепловых потоков (GIHF) позволяет проводить измерения непосредственно тепловых потоков без решения обратной тепловой задачи. Метод может использоваться при различных режимах обтекания. Особый интерес представляет при измерениях на высокоэнтальпийных установках импульсного или кратковременного действия. Метод используется для панорамной регистрации полей тепловых потоков на обтекаемых поверхностях на установках ИТПМ СО РАН при до-, сверхи гиперзвуковых режимах обтекания. Может применяться не только в аэрофизическом эксперименте. С успехом используется для визуализации излучения субмиллиметрового диапазона лазера на свободных электронах.

• Панорамный метод регистрации полей давления на поверхностях (GISP) существенно расширяет возможности измерения и визуализации данного параметра в широком диапазоне режимов обтекания. При его реализации не требуется специализированных источников лазерного излучения и наличия кислорода в газе. Регистрируется непосредственно давление на поверхности модели. Теоретические и экспериментальные оценки чувствительности и быстродействия показывают, что минимальный уровень визуализируемых давлений может составлять-менее~0г1~мм~водгст77в~частотном диапазоне регистрируемых пульсаций до 200 КГц, с пространственным разрешением < 1 мм. В настоящее время иных датчиков с подобными метрологическими характеристиками не существует даже для локальных измерений. Метод позволил впервые визуализировать поле давлений от дозвуковой струи (Re<1000) набегающей на стенку под углом с изменением давления на уровне нескольких мм вод. столба и поле давлений за ударной волной распространяющейся в канале ударной трубы.

Основные защищаемые положения.

• Общий подход реализации панорамных интерференционных методов регистрации параметров на обтекаемых поверхностях с использованием в качестве датчика слоя прозрачного вещества, изменяющего свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра.

• Аналитические соотношения, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать поверхностное распределение теплового потока.

• Аналитические соотношения для отклика барочувствительного упругого покрытия, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать поверхностное распределение давления.

• Результаты тестовых экспериментов и данные, полученные при исследовании потоков в аэродинамических трубах, при дозвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых режимах обтекания, подтверждающие работоспособность и эффективность рассматриваемых методов.

Достоверность результатов.

Достоверность результатов подтверждается данными тестовых экспериментов, повторяемостью и хорошим согласием результатов оптической диагностики с данными полученными альтернативными методами.

Личный вклад автора в работу заключается в активном участии в конструкторской разработке оборудования необходимого для проведения тестовых экспериментов и для реализации на аэродинамических установках, представленных в диссертации оптических методов. Непосредственно автором получены основныеаналитические~соотношения для отклика теплои барочувстви-тельных покрытий. Автор принимал непосредственное участие в тестовых экспериментах по отработке рассматриваемых методик и в аэрофизических экспериментах с их применением, а также в интерпретации и обобщении полученных экспериментальных данных.

Апробация основных результатов.

Основные результаты работы представлены в учебном пособии, публикациях в журналах и в сборниках статей, в материалах и трудах научных конференций [1−12, 51, 52]. Результаты докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН, Сиб. НИА, ЦАГИ и XIXIII Международных конференциях по методам аэрофизических исследований (Новосибирск 2004, 2007, 2008) — 12th International Symposium on the Flow Visualization (Goettingen, Germany, 2006) — IX. Международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва ОМИП-2СЮЗ, 2007, 2009).

Структура работы.

Объем диссертации составляет 127 страниц, в том числе 72 иллюстрации, 6 таблиц, и список цитируемой литературы из 73 наименований.

Ниже во введении дается классификация оптических методов, и рассматриваются возможности их использования в аэрофизическом эксперименте. Приведен краткий обзор оптических методов регистрации (визуализации) полей тепловых потоков и давления на поверхности модели. Рассматриваются некоторые особенности аэрофизического эксперимента, влияющие на результаты оптической диагностики интерференционными методами и приводятся краткие характеристики используемых в работе источников света и фотоприемников.

В первой главе изложены теоретические основы панорамного оптического метода регистрации тепловых потоков (GIHF). Приведены результаты экспериментов по определению чувствительности, пространственного и временного разрешения метода и даны примеры его использования.

Во второй главе изложены теоретические основы панорамного оптического ^-методарегистрациидавледиОйГпо^ Приведены результаты экспериментов по определению чувствительности, пространственного и временного разрешения метода и даны примеры его использования.

В третей главе рассматриваются возможности реализации GIHF и GISP методов с использованием диффузного освещения, что позволяет регистрировать параметры на криволинейных, произвольно ориентированных поверхностях. Приведены примеры использования данного подхода.

В заключении изложены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕРЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ——— —.

1. Предложен общий подход применения методов оптической интерферометрии для панорамной регистрации полей давления и тепловых потоков на обтекаемых поверхностях. В качестве датчиков используются слои прозрачного вещества, изменяющие свои оптические свойства под воздействием регистрируемого параметра.

2. Отработана методика регистрации тепловых потоков. В приближении одномерности и линейности тепловой задачи получены соотношения, позволяющие по интерферометрическим данным восстанавливать распределение непосредственно тепловых потоков на обтекаемых поверхностях. Метод успешно используется на аэродинамических установках ИТПМ СО РАН.

3. Отработана методика регистрации полей давления. В приближении линейности задачи упругости получены общие соотношения для отклика баро-чувствительного покрытия, позволяющие по интерферометрическим данным восстановить распределение давление на исследуемой поверхности. Потенциальные возможности метода позволяют регистрировать поля изменения давления на уровне Ар <0.1 мм. вод. ст., с быстродействием < 5 мкс, что недоступно с применением известных датчиков и методик.

4. Показана возможность применения разработанных методик на искривленных, произвольно ориентированных поверхностях с использованием интерференции в диффузном свете (фазовая спекл интерферометрия).

5. Получены экспериментальные результаты доказывающие перспективность разрабатываемых методик. В частности, впервые визуализировано поле давлений от дозвуковой струи (Re<1000) набегающей на стенку под углом с изменением давления на уровне нескольких мм водяного столба и поле давлений за ударной волной, распространяющейся в канале ударной трубы.