CC BY
19
Sokolova Olga Vyacheslavovna, student, olya200 73@gmail.com, Russia, Tula, Tula State University
УДК 629.7.036.22
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КРУГЛОЙ СТРУИ С ПОПЕРЕЧНЫМ СДВИГОВЫМ ПОТОКОМ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПАРАМЕТРА«ИНТЕНСИВНОСТЬ ИЗОБРАЖЕНИЯ»
В.В. Бодрышев, В.М. Абашев, Н.П. Коржов, О.С. Тарасенко
Приводятся результаты применения метода цифровой обработки теневых снимков по параметру интенсивности изображения для таких сложных газодинамических процессов, как взаимодействие круглой струи с поперечным сдвиговым потоком. Показано, что такой подход к анализу экспериментальных данных дает возможность по-новому взглянуть на картину смешения газовых потоков и оценить качественно и количественно процессы, происходящие при взаимодействии струи и сносящего потока. Рассмотрены как дозвуковые, так и сверхзвуковые режимы течений перемешивающихся газов.
Ключевые слова: струя, метод цифровой обработки, интенсивность изображения, газодинамическая структура течения, скачки уплотнения, смешение газовых потоков, пограничный слой.
Изучение структуры взаимодействия круглой струи c поперечным сдвиговым потоком актуально в связи с созданием перспективных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД), в тракте которых реализованы схемы с нетрадиционными сопловыми устройствами [1,2]. При этом изменение режимов полета не должно влиять на работоспособность конструкций. Следует отметить, что в таких сопловых устройствах реализуются очень сложные трехмерные структуры потоков, особый класс течений - «струи в сносящем потоке» [10-17]. Они характеризуются сложной газодинамической картиной, где присутствуют: скачки уплотнения; переход от сверхзвуковых к дозвуковым скоростям и обратно; зоны рецирку-ляций и система вихревых образований в зонах смешения потоков. Этот класс течений представляет научный интерес и в других технических приложениях.
На рис.1 показана схема типичной недорасширеннойструив сверхзвуковом поперечном потоке, представленная в работе [11].Привходе струи в сносящий поток она расширяется до атмосферного давления на границе струи (течение Прандтля-Майера) с образованием ударной структуры скачков уплотнений в виде бочки, заканчивающейся диском Маха. Под действием газодинамического напора основного потока струя изгибается, тем самым создавая препятствие, перед которым возникает скачек уплотнения.Пограничный слой начинает отрываться непосредственно перед ударной волной, где образуется небольшая отрывная зона, что приводит к появлению ударно-волновой структуры,называемойЛ,-образным скачком уплотнения, взаимодействующей с сильнойударной волной. Отклонение струи от поперечного направления и размер отрывной зоны зависят от отношения импульсовструи и потока. Еще одна небольшая зона рециркуляции присутствует сразу за местом подачи струи.
Рис. 1. Схематическое изображение взаимодействия струи и сносящего потока, представленное в работе [11]
Для изучения структуры течения в газовых потокахприменяются различные приемы визуализации: введение в поток дыма,алюминиевой пудры и т.д. Для визуализации сверхзвуковых течений широкое применение находят теневыеснимки (shadowgraph), шлирен-изображения (schlierenimage) и численныеинтерферограммы (interferogram), получаемые теневыми и интерференционными методами. При визуализации поля течения газа теневым методом изменение освещенности пропорционально степени изменения градиента плотности газа. При наличии в потоке сильных градиентов плотности типа поверхностей разрыва происходят дополнительные отклонения луча на поверхности разрыва. Теневое изображение ударной волны представляет собой тёмную полосу со стороны набегающего потока, сменяющуюся яркой светлой полосой, интенсивность которой постепенно уменьшается[18].Шлирен-метод визуализации являетсяуслож-
ненным теневым методом, в котором вырезается опорный световой поток. Основной принцип действия шлирен-системы состоит в том, что часть света, неотклоненного при прохождении через неоднородность плотности газа, задерживается кромкой ножа, установленного в фокальной плоскости луча. При этом изменение освещенности пропорционально градиенту плотности газа в исследуемой области в направлении, перпендикулярном к кромке ножа, а не степени изменения плотности, как впрямом теневом методе. При шлирен-методе визуализируются вихри, волны разрежения, а теневой метод применяется для регистрации положения разрывов [3]. Полученные изображения позволяют качественно оценить картину течения газовых потоков, но практически не дают количественно выявить закономерности течения в исследуемых областях. Применение имеющихся методов замера давления (плотности, скорости), например установление «гребенок» с трубками Пито в газовый сверхзвуковой поток, не даетточныхре-зультатов.
В настоящей работе предлагается применение метода цифрового анализа фотографий по параметру- интенсивность изображения/,[4-5].Динамика его изменения позволяет как количественно, так и качественно характеризовать газовый поток в любой точке на участкеизображения (видеокадра). Площадь фотографии (видеокадра)разбивается на дискретные ячейки, содержащие от 1 до ТУ пикселей по горизонтали (ось абсцисс х) и от 1 доМпикселей по вертикали (ось ординату). Размер тхп ячейки выбирается в зависимости от достижения необходимой точности оценки исследования и задается из практической рациональности. Таким образом, изображение представляется в виде двумерного массива и нте н си в н осте й (х,у). Матрица Ь(х,у) содержит значения (от 0 до 255) ин-тенсивностей в ячейке изображения с координатами х, у, и, с учетом масштабного коэффициента, записывается в виде
/ ¿(1,1) ¿(1,2) ¿(1,3)-¿(1,АО \
¿(х,у) =
¿(2,1) ¿(2,2) ¿(2,3) -¿(2, АО \Ь(М, 1) ¿(М, 2) ¿(М, 3) ••• ¿(М, до/
где к = Аиз/Ар - коэффициент дискретизации;Д3, Ар - доля размера элементов на цифровом снимке и его значение в реальности, соответственно.
Таким образом, появляется параметр Ь, который количественно характеризует заданный газовый поток.
В работе [6] приведены экспериментальные результаты исследования развития круглой струи с параболическим профилем скорости в сдви-говомпоперечном потоке, а именно в пограничном слое плоской пластины. Струя выдувалась из отверстия диаметром 5 мм. Отношение скорости истечения струи наоси сопла (иструи = 3 м/с) к скорости набегающего потока
460
(Ц"0~1 м/с) -иструи/и0 ~3. На рис. 2представлены фотографии поперечных сечений, визуализированных дымом струи в пограничном слое на различных расстояниях от среза сопла вверх по нормали к поверхности плоской пластины.
Тело вытекающей струи Шлейф вытекающей струи
V о 2 ш 3 Л / ^ 4 е> 5
а
д! [ УУ Ш1
б
Рис. 2. Экспериментальные результаты исследования развития круглой струи с параболическим профилем скорости в сдвиговомпоперечном потоке: а- фотографии поперечных сечений, визуализированных дымом струи в пограничном слое на различных расстояниях от среза сопла вверх по нормали; б- графики функции
Ь(х,у) для данныхсечений [6]
Анализ построенных графиков Ь(х,у) показывает структуры течения в заданных сечениях. Исследования значения Ь(х,у) в любом продольном сечении или в любой фиксированной точке позволяет провести числен-ныйанализ изменения «силы» струи (изменения плотности газа) в зависимости от расстояния от отверстия вдува газа. Для данного примера на рис. 3 представлен график изменения интенсивности изображения в телеструи в зависимости от удаления от среза сопла по нормали к поверхности плоской пластины (продольное сечение) и установить взаимосвязь с законом изменения площади тела вытекающей струи.
Видно, что для сечений 1- 3 площадь и интенсивность практически не изменяется, далее происходит увеличение площади тела с одновременным уменьшением в нем интенсивности.
Для демонстрации применения предлагаемого способа обработки экспериментальных данных при смешении сверхзвуковых течений рассмотрены результаты визуализации, представленные в работах [7, 8].
461
В работе [7]воздушная струя выдувалась из отверстия диаметром 2 мм, скорость сносящего потока М=1,7, струя недорасширенная, отношения скоростных потоков струи и потока 7=1,4; 3,1. Представленные в данной работе фотографии градиентов плотности, имеющих место при смешении струи и потока, получены с помощью шлирен-метода с использованием светодиодов, создающих импульсное освещение, и специальной видеокамеры высокого разрешения.
Рис. 3. Динамика изменения интенсивности изображения и площади тела струи в зависимости от удаления от начала вытекающей струи
Фотографияна рис. 4 (/=3,1) демонстрирует поле распределения горизонтальной составляющей градиента плотности. Поток движется слева направо. Картина течения во многом похожа на схему, представленную на рис. 1. Фотография совмещена с кривыми изменения интенсивности изображения в продольном и поперечном сечениях.
Линия изменения интенсивности изображения в продольном сечении показывает на практически линейное уменьшение интенсивности изображения (градиента плотности) до скачка уплотнения (участок 1 - 2). Сам скачок характеризуется участком 2 - 4. Участок 5 - 7 характеризует второй скачок уплотнения. В точке 7 интенсивность изображения практически сравнялась и данными точки 1.
В поперечном сечении участок А - Б характеризует ядро сносимой струи. Б - В является участком газового потока,обтекающего струю.В данном случае он практически имеет равномерную плотность в своем сечении.
Размах АЬск характеризует «силу» скачка уплотнения и является его количественным индикатором. Он, безусловно, связан с углом наклона а линии регрессии газового потока перед скачком уплотнения. На всех участках газового потока течение газа носит волновой характер, опреляемый амплитудой колебанияЖ и длиной волны^.
462
а
О 6 12 18 24 30 36 40 46
0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0
Продольное сечение
Рис.4. Фотография взаимодействия струи и сносящего потока [7],совмещенная с графиками изменения интенсивности изображения в продольном и поперечном сечениях
В работе [8]представлена фотография (рис. 5, а - в), когда недорас-ширенная воздушная струя выдувалась в сносящий поток, скорость кото-рогоМ=3. Визуализация выполнялась при помощи прибора Теплера. На снимок наложена система дискретных точек, характеризующая границы вытекающей струи. Проведя аппроксимацию по этим точкам,построены кривыеверхнейи нижнейграниц струи. Исходя из этого,из общей матрицы Ь=/(кх,ку) заданных условий «откадрируется» интересующий массив (рис. 5,6). При этом в ячейках, не относящихся к данному «кадрированному» диапазону, фиксируется нулевое значением «0», в обратном варианте ставится «1». Полученная матрица с данными «1» позволяет оценивать границы включения, определять его площадь (рис. 5,в).
Верхняя граница
а
б
в
Рис. 5. Теневой снимок Теплера (а), совмещенный с графиком изменения интенсивности изображения Ь=/(х,у)в зоне смешения струи (б)
Таким образом, применение параметра « Интенсивность изображения» для анализаструктуры взаимодействия круглой струи с поперечным сдвиговым потокомкак для дозвуковых, так и сверхзвуковых течений газового потока позволяет получать качественные и количественные результаты. Это дает возможность глубже понять картину течения и при анализе нескольких вариантов испытаний выбрать оптимальное решение.
Выводы
1. Анализ фотографий (видеокадров) взаимодействия круглой струи с поперечным сдвиговым потоком по параметру «Интенсивность изображения» позволяет качественно и количественно оценить картину течения.
2. С применением данного метода можно определить площадь вытекающей струи или любого участка газового течения.
3. Предлагаемая методика дает возможность проведениясравни-тельного анализа взаимодействия круглой струи с поперечным сдвиговым потоком при различных эксплуатационных и конструктивных решениях.
Список литературы
1. Исследование газодинамики пересекающихся струй в полуоткрытом канале / В.М.Абашев, И.Н.Еремкин, Н.П.Животов, В.П.Замураев, А.П.Калинина, П.К.Третьяков, А.В. Тупикин// Материалы ХХ Юбилейной Международной конференции по вычислительной механике и современным прикладным системам (ВМСППС'2017)/ 2017. С. 351-353.
2. The study of the dynamics of intersecting jets in a semi-open channel with a large area of the input holes / V.M.Abashev, I.N.Eremkin, N.P.Zhivotov, V.P.Zamuraev, A.P.Kalinina, P.K.Tretyakov, A.V. Tupikin// Proceedings of the XXV Conference on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017) Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS (Electronic resource): AIP Conference Proceedings. Editors: VasilyFomin. 2017. Р.30-60.
3. Булат П. В, Волков К. Н., Яковчук М. С. Визуализация течений ссильными и слабыми газодинамическими разрывамиввычислительной газовой динамике //Вычислительные методы и программирование. 2016. Т. 17
4. Интенсивность изображения, как количественная характеристи-капараметров газового потока / В.В.Бодрышев, В.М.Абашев, О.С.Тарасенко, Т.И.Миролюбова // Электронный журнал «Труды МАИ». -2016. -No. 88.
5. Тарасенко О.С., Бодрышев В.В., Абашев В.М. Оценка скорости газового потока методом цифровой обработки теневых снимков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2017. Вып.2. С. 290-302.
6. Круглая струя в поперечном сдвиговом потоке(обзор) /В.В.Козлов, Г.Р.Грек, М.В.Литвиненко,Ю.А.Литвиненко, Г.В.Козлов //ВестникНГУ. Серия: Физика, 2010. Т. 5.Вып. 1.
7. Schlieren study of a sonic jet injected into a supersonic cross flow usinghigh-current pulsed LEDs. Ella Giskes, Ruben A.,Verscho of Frans B., Cornelis H., Venner.
8. Тыныбеков А.К., Орозалиев Т.С. Экспериментальные исследования донной области при взаимодействии струи с сверхзвуковым потоком. // ВестникКГСУ. 2008. Т. 8ж. №3.C. 146-150.
9. ТынынбековА.К. Струя в сверхзвуковом потоке// Вестник КГСУ. 2008. Т. 8. №10.C. 127-133
10. Бекетаева А.О., Найманова А.Ж. Численное исследование пространственного сверхзвукового течения совершенного газа при наличии поперечного вдува струй// Прикладная механика и техническая физи-ка.2011. Т. 52. N°6.
11. Ben-Yakar A, Mungal G, Hanson R. Time evolution and mixing characteristics of hydrogen and ethylene transverse jets in supersonic crossflows //Physics of Fluids.Vol. 18. No. 2. February 2006.
465
12. New T. H., Lim T. T., Luo S. C. Elliptic Jets in Cross-Flow // J. Fluid Mech. 2003. Vol. 494. P. 119-140.
13. Fric T. F., Roshko A. Vortical Structure in the Wake of a Transverse Jet // J. Fluid Mech. 1994. Vol. 279. P. 1-47.
14. Kelso R., Lim T., Perry A. An Experimental Study of Round Jets in Cross-Flow // J. Flu-id Mech. 1996. Vol. 306. P. 111-144.
15. Muppidi S., Mahesh K. Direct Numerical Simulation of Round Turbulent Jets in Cross-Flow // J. Fluid Mech. 2007. Vol. 574.P. 59-84.
16. Карышев А. К., ЖиновА.А., Шевелев Д.В. Смешение сверхзвуковой струи воздуха в поперечном потоке // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып. 1.
17. Гиршович Т. А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение, 1993, 256 с.
18. Знаменская И.А., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методывизуа-лизациивмеханике газа. М.: МАИ, 2001.
Бодрышев Валерий Васильевич, канд. техн. наук, доцент, soplom@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Абашев Виктор Михайлович, д-р техн. наук, профессор, vm.abashev@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Коржов Николай Петрович, канд. техн. наук, доцент, nikolpetr.knp@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Тарасенко Ольга Сергеевна, ассистент, os-tarasenko@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ANALYSIS OF THE STRUCTURE OF INTERACTION OF A ROUND WITH A TRANSVERSE FLOW WITH APPLICATIONPARAMETER - IMAGE INTENSITY
V.V. Bodryshev, V.M. Abashev, N.P.Korzhov, O.S. Tarasenko
The results of applying the method of digital processing of shadow images on the parameter of image intensity for such complex gas-dynamic processes as the interaction of a circular jet with a transverse shear flow are presented. It is shown that such an approach to the analysis of experimental data makes it possible to take a fresh look at the picture of the mixing of gas flows and to evaluate qualitatively and quantitatively the processes occurring during the interaction of the jet and the drifting flow. Both subsonic and supersonic regimes of flows of intermixing gases are considered.
Key words: jet, digital processing method, image intensity, gas-dynamic flow structure, compression jumps, mixing of gas flows, boundary layer.
466
Bodryshev Valerij Vasilevich, candidate of technical sciences, docent, sop-lom@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Abashev Viktor Mihajlovich, doctor of technical sciences, professor, vm.abashev@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Korzhov Nikolay Petrovich, candidate of technical sciences, docent, nikol-petr.knp@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Tarasenko Olga Sergeevna, assistant, os-tarasenko@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 65.011.56
СОЧЕТАНИЕ ЛОКАЛЬНОЙ И ОБЩЕЙ ТЕРМООБРАБОТКИ ШТРИХОВОГО КОДА, НАНЕСЕННОГО НА ПОЛИМЕРНУЮ УПАКОВКУ, КАК МЕТОД ЗАЩИТЫ ПРОДУКЦИИ ОТ ФАЛЬСИФИКАЦИИ
Ю.С. Андреев, Е.А. Пухова, М.В. Ткачева
Исследованы условия осуществления предложенного способа защиты продукции от фальсификации, основанного на нанесенииштрихового кода на полимерную термоусадочную упаковкупродукции, иреализуемого с применением сочетаниялокаль-ной и общей термообработки штрихового кода.
Ключевые слова: защита продукции,штриховой код, термоусадочный полимерный материал, термообработка материала, зона локальной термообработки.
В современном мире системы автоматической идентификации с применением кодированных меток все глубже внедряются в производство и повседневную жизнь общества. Использование таких систем позволяет автоматизировать процесс учета при производстве, транспортировке и реализации продукции. Наиболее распространенной является технология штрихового кодирования. Это обусловлено рядом её преимуществ по сравнению с другими системами автоматической идентифика-ции:штриховые коды могут быть воспроизведены любым полиграфическим методом на достаточно широком спектре материалов, наличие кода и его качество может быть определено при визуальном осмотре, коды надежно считываются и декодируютсякак специализированными устройствами, так и смартфонами с общедоступными приложениями. Информация,
467
