CC BY
7
EXPERT SURVEY IN FORECASTING THE TECHNICAL CONDITION OF COMPLEX TECHNICAL
COMPLEXES
D.N. Gula, V.V. Pudikov, R.N. Aitov
The article proposes an algorithm for analyzing expert survey data based on a fuzzy interpretation of the technical state of complex technical complexes. In this case, the generalized opinion of experts is obtained in the form of a fuzzy quantitative assessment, taking into account the degree of their competence.
Key words: expert, universal set, fuzzy set, membership function, linguistic variable, degree of expert competence.
Gula Dmitry Nikolaevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of a name A.F. Mozhayskogo,
Pudikov Vyacheslav Valentinovich, candidate of technical sciences, assistant professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of a name A.F. Mozhayskogo,
Aitov Renat Nailevich, candidate of technical sciences, lecturer, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of a name A.F. Mozhayskogo
УДК 629.7036.22
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-318-224
АНАЛИЗ СВЕРХЗВУКОВОГО ОБТЕКАНИЯ ОСЕСИММЕТРИЧНОЙ ОТКРЫТОЙ КАВЕРНЫ МЕТОДОМ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ ВИДЕОКАДРОВ
В.В. Бодрышев, Н.П. Коржов
Приводятся результаты применения метода цифровой обработки шлирен-изображений обтекания кольцевой каверны на осесимметричном теле по параметру интенсивности изображения. Показано, что данный подход к анализу экспериментальных данных дает возможность оценить качественно и количественно процессы, происходящие в сложных газодинамических течениях. Анализ матриц интенсивности изображения скачка уплотнения в газовом потоке с применением метода наименьших квадратов (МНК) по дискретным точкам с большой достоверностью определяет положение скачка уплотнения с оценкой его геометрии. Выполнен анализ процессов, имеющих место для случая открытой схемы сверхзвукового обтекания каверны с выявлением закономерности течения внутри нее.
Ключевые слова: каверна, сверхзвуковой газодинамический поток, циркуляционное течение, интенсивность изображения, зона смешения.
Введение. Конструктивные особенности в виде каверн (выемок, вырезов, углублений) на внешней и внутренней поверхностях тел встречаются как в авиационной технике (ниши шасси, отсеки для размещения различных устройств), так и в технологических установках типа трансзвуковых аэродинамических труб. Каверны также используются для стабилизации горения в сверхзвуковом потоке и повышения качества перемешивания топливных компонентов в элементах двигателей). наблюдается в процессе При отстыковке космических аппаратов и ступеней ракет также происходит сверхзвуковое обтекания осесимметричного уступа. Иногда каверны инициируют интенсивные пульсации давления, что может привести к недопустимо высоким уровням шума и повреждению чувствительной аппаратуры. Также каверны применяются в приемных устройствах двигателей (Multi-Row-Disk, MRD), где за счет последовательно устанавленной серии дисков перед конусом достигается снижение веса, аэродинамического сопротивления и тепловых нагрузок летательных аппаратов [1].
318
Исследованию сверхзвукового обтекания каверн посвящено большое количество как экспериментальных, так и численных работ, но понимание физики течения даже в прямоугольной каверне все еще остается неполным. Так, открытым остается вопрос о реализации типа течения, открытого или замкнутого вида, в переходной области (области гистерезиса) при тех или иных начальных условиях. Недостаточно исследованы процессы перестройки режимов обтекания каверны. Эти вопросы имеют не только фундаментальное, но и важное практическое значение как при выборе оптимальных схем обтекания тел с кавернами, так и при разработке новых способов управления течением в каверне.
В работах [2,3] представлены результаты экспериментальных исследований сверхзвукового осесимметричного обтекания поперечной кольцевой каверны прямоугольного сечения на цилиндрическом теле с коническим наконечником при непрерывном изменении протяженности каверны в потоке трехмерного сверхзвукового обтекания осесимметричной кольцевой каверны прямоугольного сечения на цилиндроконическом теле. В экспериментах производилось измерение давления внутри каверны, осуществлялась скоростная видеорегистрация шли-рен-изображений картин течения. На рис. 1 приведены шлирен-изображения обтекания поперечной кольцевой каверны открытого типа, исследованию которой будет посвящена данная работа (поток направлен справа налево) и принятая схема течения в каверне открытого типа. Здесь Ж - скорость газового потока перед каверной.
^ 1 /
а) б) в)
Рис. 1. Структуры сверхзвукового обтекания каверны при непрерывном увеличении (вверху) и уменьшении (внизу) Л: (а - б) Л »10.2, 10.3; схема течения в каверне открытого типа (в)
Сверхзвуковое обтекание кольцевой каверны под нулевым углом атаки качественно похоже на обтекание плоской каверны [3]. Структура обтекания с первую очередь зависит от соотношения геометрических размеров каверны. Также на структуру обтекания влияет состояние пограничного слоя на входе в каверну и числа Маха и Рейнольдса. В каверне прямоугольной конфигурации в зависимости от отношения длины Ь каверны к ее глубине Н возможны две различные схемы обтекания, представленные на рис. 1 (поток направлен справа налево).
Если Л = Ь/ Н мало (Л <Ло), реализуется открытая схема обтекания (рис. 1,в), в этом случае в полости каверны возникает дозвуковое циркуляционное течение 1 со слоем смешения с внешним сверхзвуковым потоком 2. При превышении Л некоторого критического значение, реализуется замкнутая схема обтекания (замкнутая каверна). При этом в каверне образуются две изолированные области отрыва, одна - за передним, другая - перед задним уступом. В сверхзвуковом поле течения возникают волны сжатия и разрежения, а также скачки уплотнения. В переходной области (Ло< Л< Лс) возможны как открытая, так и замкнутая схема обтекания.
Согласно данным физического и численного моделирования, переходная область является, по существу, областью гистерезиса по длине каверны. При непрерывном увеличении протяженности первоначально открытая каверна замыкается при достижении Л= Лс, а при непрерывном уменьшении протяженности замкнутая каверна открывается при Л= Ло [4-6].
Явление гистерезиса обычно иллюстрируется характерной гистерезисной петлей представляемой в виде графика изменения давления Р на заднем уступе каверны в зависимости от Л [3].
Материалы и метод. Для более детального анализа поведения газового потока внутри каверны предлагается применить метод цифрового анализа фотографий по параметру - интенсивность изображения Ь [7]. Изображение (видеокадр) разбивается на дискретные ячейки, содержащие от 1 до N пикселей по горизонтали (ось абсцисс х) и от 1 до М пикселей по вертикали (ось ординат у). Размер т*п ячейки выбирается в зависимости от достижения необходимой точности оценки исследования и задается из практической рациональности. Таким обра-
зом, изображение представляется в виде двумерного массива интенсивностей Ь(х,у). Матрица Ь(х,у) содержит значения (от 0 до 255) интенсивностей в ячейке изображения с координатами х, у, и, с учетом масштабного коэффициента, записывается в виде:
Ккх1,ку1) Ь{кх2,ку2) ... Ь{кх1,куЬ! Цкх2,ку1) Ккх2,ку2) ... Ь(кх2,куЫ)
L(kx,ky)-
1{кхМ,куГ) Ь(кхМ,ку2) ... L(kxM,kyN).
(1)
где k = Аиз / Ар - коэффициент дискретизации, Аиз, Ар - доля размера элементов на цифровом
снимке и его значение в реальности, соответственно.
В качестве исходной информации служат теневые снимки (shadowgraph) и шлирен-изображения (schlierenimage), получаемые теневыми и интерференционными методами.
Известно, что существует взаимосвязь между интенсивностью изображения и изменением градиента плотности для теневого метода визуализации поля течения газа, и плотностью газового потока для шлирен-изображения. Данная закономерность была показана авторами в работе [7] при анализе фотографии недорасширенной воздушной струи, выдуваемой в сносящий поток с М=3 [8.9].
График распределения статического давления на поверхности перед струей [8,9], сопоставлялся с графиком интенсивности изображения в сечении вблизи поверхности расположения сопла, из которого выдувалась струя. Из графика статического давления видно, что перед струей давление растет до некоторого значения, затем стабилизируется на определенной длине, после чего следует спад давления и далее наступает второй максимум давления, значительно превышающий величину предыдущего максимума.
При сравнении данной динамики изменения статического давления с динамикой интенсивности изображения наблюдается обратно пропорциональная зависимость, т.е. динамика кривых идентична. Таким образом, по динамике изменения интенсивности изображения возможно проводить как минимум качественный анализ изменения давления в газодинамических течениях подобного вида.
Применим цифровой метод обработки для случаев Л.=10.2. На рис. 2, а, б представлены шлирен-изображение течения в открытой каверне и отображения функции L=f(x,y) в продольных сечениях. В продольных сечениях 1-5 по длине всей каверны происходит увеличение интенсивности, и, следовательно, уменьшения давления (увеличение скоростного напора). Этот процесс носит волновой характер. В сечениях 1-3 на всем протяжении каверны наблюдается тенденция роста интенсивности L, и, соответственно, падение давления внутри каверны.
5
1
Jimauntta гаиспснга L е нроОамиых сечениях
А
V ГУ Ш и /
150 200
Продольно« сечение
а)
0)
Рис. 2. Шлирен-изображение каверны (а) и динамика изменения Ь=/(х,у) (б) в продольных
сечениях 1-5 для А&10.2.
,
Из рис. 6, б видно, что на дне каверны (сечение 1) интенсивность минимальна по сравнению с сечениями 2,3, т.е. давление на дне каверны максимально. В сечении 2 наблюдается увеличения Ь по сравнению с сечением 1, и, соответственно, значение давления_меньше, чем в сечении 1. Сечения 4,5 находятся вне каверны, в области зоны смешения. Зона смешения отделяет дозвуковое отрывное циркуляционное течение в каверне от внешнего сверхзвукового потока. Здесь закон изменения интенсивности изображения по длине каверны носит волновой характер с увеличением значения Ь вдоль каверны.
320
Проанализируем зону А - переднего уступа каверны (левые графики рис. 3, а,б). Видно, что на участке между 1 и 2 сечениями имеет место рост Ь (уменьшение давления Р, и, соответственно, увеличение скорости Ж). В зоне Б заднего уступа (правые графики рис. 3, а,б) наблюдается аналогичная картина. Далее имеет место уменьшения Ь с увеличением Р и уменьшением Ж. В сечениях 4, 5 находящихся вне каверны имеет место постоянство Ь , Р, Ж. Отношение величин интенсивностей изображения в сечения А и Б в заданных сечениях Ьа/Ьб ~ 0,5. На рис. 3, в показан график изменения Ь в поперечных сечениях А и Б для вариантов Л«10.2, 10.3 (в), демонстрирующий сохранение тенденции изменения Ь для двух вариантов значений Л.
Динамика изменения I в зоне входа Г!.=\<!?\ Динамика изменения I. в зоне еыхода{ь*ЮД)
Прсиоты.о.^ачевк» Продольно« сече»«!
а)
Динамика изменения I в зоне входа (1=10,3 )
20
о -
1Ы) 165 170 175 180 135 190 195
Поодольмое сечение
6)
в)
Рис. 3. Динамика изменения Ь=/(х,у) для начала и конца каверны (а,б) в продольных сечениях 1-5, график изменения Ь в поперечных сечениях А и Б
для вариантов Л10.2, 10.3 (в)
Проанализируем динамику изменения Ь=/(х,у) в поперечных сечениях/-V(рис. 2,4).
Динамика изменения I. в поперечных сечениях (^=>10.2)
м- Каверна
Динамика изменения в поперечных сечениях (^»10.3)
№ Неверна £ ™ V ^/'Х
Газовый поток -------
___¿1
II
ч/
Гпубина каверны -1
а) 6)
Рис. 4. Динамика изменения Ь=/(х,у) в поперечных сечениях 1-У для вариантов Л10.2 (а),
Л10.3 (б)
321
Из рис. 4 видно, что во всех сечениях 1-У значение Ь у дна каверны растет от минимального вблизи дна каверны до максимального (сечение С), что предполагает относительно высокое давление вблизи дна каверны и минимальное в сечении С. В сечениях 1-1У закон изменения Ь, и, соответственно, давления, от сечения С до верха каверны практически не изменяется. В сечении У наблюдается снижение значения Ь после максимальной величины в сечении С.
Можно однозначно связать изменения давления и скоростного напора - чем выше давление, тем меньше скоростной напор, поэтому приведенный анализ позволяет детально восстанавливать физику изменения давления и скоростного напора для каждого конкретного случая обтекания газовым потоком каверны различного размера.
На рис. 5 представлена кривая изменения интенсивности Ь и тенденцией изменения давления Р в продольном сечении 2_(см. рис.2, а).
/77777777777777777777777777777777
Б А
Рис. 5. Схема изменения Ь и Р в среднем сечении 2 каверны (рис. 2, а)
Анализируя изменение параметров сразу за уступом А (начало каверны), видим, что по мере удаления от стенки Ь уменьшается (давление Р растет, скоростной напор уменьшается). Далее наблюдается небольшой рост Ь, после чего значение Ь до примерно середины каверны остается постоянным. После этого виден подъем Ь с выходом на очередную полку постоянного значения. Вблизи уступа Б (окончание каверны) наблюдается значительный подъем параметра Ь, и, соответственно, уменьшение давления Р и рост скоростного напора.
Из данного анализа можно сделать следующие выводы относительно физических параметров газового потока. Отталкиваясь от общепринятой схемы течения газа в открытой каверне (рис.1, в), видим, что скорость циркуляционного течения внутри каверны не постоянна. Вблизи стенок каверны максимальная скорость наблюдается около задней стенки каверны, значительно большая по сравнению со скоростью вблизи передней стенки. Скорости потока справа и слева от середины каверны, где по теории должен происходить разворот циркуляционного течения, не равны - большая на участке, примыкающем к задней стенке, меньшая - со стороны передней стенки. Вероятной причиной такой картины является существование зоны смешения между наружным потоком и циркуляционным движением в каверне, когда ближе к задней стенке скорость в каверне увеличивается. Т.е. наблюдается эффект типа явления эжекции. Похожую тенденцию можно также наблюдать и для сечения 1 вблизи дна каверны (рис. 6, б), с учетом того, что здесь циркуляционное течение по направлению противоположно течению наружного потока.
Предложенный метод использования параметров интенсивности изображения Ь, полученных со снимков различных газовых течений, достаточно универсален для анализа таких течений, и позволяет оценивать различные параметры газодинамических потоков. Так в работе авторов [7] показана возможность определения границ струйного течения, развивающегося в сносящем потоке.
Проанализируем возможности предлагаемого метода для более точного определения значений скоростных потоков. Сравним верхние фотографии, представленные на рис. 1, а, б, где значения Л. равны 10,2 и 10,3, соответственно.
Известно, что скорость газового потока перед ударной волной определяется по углу наклона прямого участка скачка уплотнения
Ш = 1 / зшф. (2)
Здесь ф - угол наклона отрезка прямой, геометрически описывающий положение скачка уплотнения.
Участок прямого отрезка скачка уплотнения определяется методом наименьших квадратов (МНК) по дискретным точкам полученными тремя способами [10]:
1. По координатам крайних ячеек в начале ударной волны;
2. По координатам ячеек, определяющих начало ударной волны с применением цепного кода Фримена. Здесь ячейки задаются в виде последовательности ячеек согласно восьми-связанной решетки. Направление выбора ячеек задается выбранным кодом (для восьми-связанной решетки цепного кода требуется 3 бита).
3. По корреляционному полю, где имеются ячейки, определяющие ударную волну, исходя из условия L¿ >Ьпр. Здесь Li- интенсивность в i ячейки, Lni, - предельное значение интенсивности (рис. 3).
В скачке уплотнения с заданным условием L¿ >Ьпр с применением МНК получаем уравнение прямой в виде:
xcosф + >^тф = d, (3)
где
d = ^If=1(x¿œsф + y¿smф), (4)
ф - 2arctan (1 "zj^-zjl^zj^ \ (5)
ф - 2arctan [2 {.^f-oz^-^yf-^yo*}). (5)
Расчеты проведенные для Ада 10,2, Лда10,3 показали соответственно углы ф да 61о, 57о. Таким образом для варианта Лда10,3 скорость набегающего газового потока несколько больше.
Выводы:
1. Проведен анализ видеокадров при сверхзвуковом обтекании кольцевой каверны на осесимметричном теле с применением метода цифровой обработки изображения по параметру интенсивность изображения.
2. Исследования особенностей течения газа по значениям интенсивности изображения видеокадров позволяют уточнять картину физических параметров подобных газодинамических структур.
3. Анализ динамики изменения интенсивности изображения в поперечном и продольных сечениях позволяет проводить сравнительный анализ динамики течения газового потока в кавернах при различных величинах скоростного потока.
4. Анализ матриц интенсивности изображения прямого отрезка скачка уплотнения в газовом потоке с применением метода наименьших квадратов (МНК) по дискретным точкам дают возможность с большей достоверностью определять положение скачка уплотнения в газовом потоке с точной оценкой его геометрии.
Список литературы
1. Feng-Yuan Zuoa, Sannu Mölder. Hypersonic wavecatcher intakes and variable-geometry turbine based combined cycle engines. Progress in Aerospace Sciences 106 (2019). P. 108-144.
2. Гувернюк С.В., Зубков А.Ф., Симоненко М.М. Экспериментальное исследование сверхзвукового обтекания осесимметричной кольцевой каверны // Инженерно-физический журнал. 2016. 89 (3). C. 670-679.
3. С.В. Гувернюк, А.Ф. Зубков, М.М. Симоненк. О сверхзвуковом обтекании кольцевых каверн под углом атаки Физико-химическая кинетика в газовой динамике 2018 Т.19(1).
4. Гувернюк С.В., Зубков А.Ф., Симоненко М.М. О наблюдении аэродинамического гистерезиса при сверхзвуковом обтекании кольцевой каверны на осесимметричном теле // Успехи механики сплошных сред. Сб. докладов Международной конференции, приуроченной к 75-летию акад. В.А. Левина. ООО "Мегапринт", Иркутск. 2014, C. 163-168.
5. Швец А. И. Исследование течения в цилиндрическом вырезе на осесимметричном теле при сверхзвуковом обтекании // Изв. РАН. МЖГ. 2002. № 1. С. 123-131.
6. Wang Y., Ozawa H., Koyama H., Nakamura Y. Simulation of Supersonic Stage Separation of Capsule-Shaped Abort System by Aerodynamic Interaction // 20th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Honolulu, 2011.
7. Bodryshev V.V, Abashev V.M., Korzhov N. P., Tarasenko O. S. Study of interaction of a jet with supersonic flow on the parameter Of the intensity of the video frame image. PERIODICO TCHE QUIMICA Vol. 6 N. 12. Brasil №1, 348-358 с, 2018 www.periodico.tchequimica.com
8. Тыныбеков А.К., Орозалиев Т.С. Экспериментальные исследования донной области при взаимодействии струи с сверхзвуковым потоком. // Вестник КГСУ. 2008. Том. 8, №3, C. 146-150.
9. Тынынбеков А.К. Струя в сверхзвуковом потоке. // Вестник КГСУ. 2008. Том. 8, №10, C. 127-133.
10.Бодрышев В.В., Абашев В.М., Тарасенко О.С., Миролюбова Т.И. Интенсивность изображения, как количественная характеристика параметров газового потока. Электронный журнал «Труды МАИ», 2016, № 88.
Бодрышев Валерий Васильевич, канд. техн. наук, доцент, soplom@mail.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Ларин Артем Андреевич, канд. техн. наук, доцент, инженер, nikolpetr.knp@yandex.ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ANALYSIS OF SUPERSONIC FLOW AROUND AN AXISYMMETRIC OPEN CAVITY BY DIGITAL
PROCESSING OF VIDEO FRAMES
V.B. Bodryshev, N.P. Korzhov
The results of the application of the Schlieren digital image processing method for the flow around an annular cavity on an axisymmetric body in term of the image intensity parameter are presented. It is shown that this approach to the analysis of experimental data makes it possible to assess qualitatively and quantitatively the processes occurring in complex gas-dynamic flows. The analysis of the shock wave intensity matrices in the gas flow using the least squares method (LSM) at discrete points with high reliability determines the position of the shock wave with an estimate of its geometry. The analysis of the processes occurring in the case of an open supersonic flow pattern of the cavity with the identification of the ^ flow patterns inside it is carried out.
Key words: cavity, supersonic gas-dynamic flow, circulation flow, image intensity, mixing
zone.
Bodryshev Valerij Vasilevich, candidate of technical sciences, docent, soplom@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Korzhov Nikolay Petrovich, candidate of technical sciences, docent, ni-kolpetr.knp@yandex.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University)
УДК 336.71:004.056
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-324-333
ПОДХОД К МОДЕЛИРОВАНИЮ ИНФОРМАЦИОННОЙ ОБСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ СОЦИАЛЬНЫХ
МЕДИА РЕСУРСОВ
С.В. Пилькевич, В.А. Кузьмичев, В.А. Пирухин
В статье рассмотрены схемы формализации обобщенного и детализированного описания информационного пространства. Указывается на необходимость введения дополнительных формализмов, обусловленных спецификой информационных потоков, доступных для мониторинга при формализации информационного пространства, образованного социальными медиа ресурсами. Проведено моделирование когнитивной активности пользователей социальных медиа ресурсов, позволившее выявить совокупность факторов-индикаторов состояния индивидуального (общественного) мнения, играющих ключевую роль в автоматизации оценивания информационной обстановки.
Ключевые слова: информационная обстановка, социальные медиа ресурсы, когнитивное моделирование.
Решение задачи автоматизированного моделирования обстановки и прогнозирования поведения субъектов информационного взаимодействия требует, прежде всего, формализованного представления данных об информационном пространстве, полученных в результате
