CC BY
73
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕНЕВОГО ФОНОВОГО МЕТОДА В ЛАБОРАТОРНОМ ФИЗИЧЕСКОМ ПРАКТИКУМЕ
Уварова Ирина Федоровна
канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры физики, ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», РФ, г. Москва
E-mail: uvif@yandex.ru
BACKGROUND ORIENTED SCHLIEREN IN PHYSICAL LABORATORY
WORKSHOP
Uvarova Irina
candidate of Science, department of Physics, assistant professor of The National University of Science and Technology MISiS, Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Использование теневого фонового метода в лабораторном физическом практикуме позволяет внедрить в учебный процесс современные научные экспериментальные методики, используя доступное и недорогое оборудование. Метод основан на сравнении с помощью компьютерной обработки цифровых фотографий точечного фона, сделанных через однородную и неоднородную оптически прозрачную среду (газ, жидкость или твердое тело). По смещению точек фона за счет рефракции можно рассчитать изменение показателя преломления среды, распределение температур в среде, скорость движения жидкости или газа.
ABSTRACT
Background oriented schlieren method used in physical laboratory workshop provides the educational process with modern scientific experimental techniques, using available and inexpensive equipment. The method is based on computerized comparing of digital photos dot background made through homogeneous and inhomogeneous optically transparent medium (gas, liquid or solid). The shift dots of the background due to the refraction allows to calculate the change in the refractive index of the medium, the temperature distribution in the medium, the speed of movement of liquid or gas.
^ created by free version of
i) DociFreezer
Ключевые слова: теневой фоновый метод; физический лабораторный практикум; рефракция; компьютерная обработка изображения.
Keywords: background oriented schlieren; physical laboratory workshop; refraction; computer image processing.
Создание инновационного физического лабораторного практикума для студентов технических вузов связано с большими затратами на дорогостоящее специализированное научное оборудование. Это существенно ограничивает возможности подготовки специалистов, владеющих навыками проведения современного научного эксперимента. Поэтому особый интерес представляют те экспериментальные методики, которые с одной стороны позволяют выполнять высокоточные измерения и используются в передовых лабораториях мира, а с другой, могут осуществляться на основе относительно недорого оборудования массового производства. Одним из них является анализ температурных полей с помощью теневого фонового метода (background oriented schlieren). Появившийся в начале 90-х годов прошлого века [1], этот метод сейчас активно используется в научных исследованиях, однако его возможности в учебном процессе совершенно не оценены.
В основе экспериментальной методики лежит компьютерная обработка изображений, а уровень развития фототехники позволяет без труда получать многопиксельные изображения высокого разрешения на достаточно дешевых аппаратах. Схема установки теневого фонового метода (ТФМ) представлена на рисунке 1.
оптическая скамья
i) DociFreezer
created by free version of
Рисунок 1. Схема установки теневого фонового метода
Установка стоит из следующих элементов: фотокамеры, источника света, экрана с точечным фоном, который может быть распечатан на принтере, и исследуемого объекта — прозрачной среды. Объект исследования устанавливается между камерой и фоном. На рисунке 2 приведены примеры точечных фонов, используемых в данном методе.
Рисунок 2. Примеры точечных фонов: а — «хаотичный точечный шум», б
Основная идея ТФМ связана с использованием явления рефракции, то есть зависимости показателя преломления от плотности среды. При нагреве среды основное изменение плотности связано с изменением температуры. Если сделать сначала снимок точечного фона через невозмущенную среду, а затем через нагретую, то в тех местах, где температура изменилась, возникает отклонение отраженных от точечного фона лучей и соответствующие точки смещаются. Отклонение зависит от средней температуры вдоль линии луча. По отклонениям точек может быть построено двумерное поле температуры, усредненное по третьей координате, на основе решения уравнения второго порядка для смещений [1]. В качестве объекта исследования можно использовать бассейн с прозрачной жидкостью, стеклянную пластину, струю газа.
Установки на основе ТФМ позволяют не только продемонстрировать такие оптические явления, связанные с рефракцией, как миражи, отклонения при стрельбе и ориентировании за счет неверного определения положения объекта, но и процессы теплообмена. Так, например, при анализе испарения жидкости
а
б
— «веивлет-шум»
Ю DociFreezer
created by free version of
можно подробно изучить процессы, связанные с потерями тела за счет контактного, скрытого потоков, а также радиационного обмена. На рисунке 3 представлено поле температур, возникающее при испарении с поверхности кюветы. Распределение температуры вычисляется при сопоставлении двух снимков фона — с закрытой крышкой кюветы и через какое-то время после снятия крышки.
Рисунок 3. Распределение температуры воды по глубине при ее охлаждении за счет испарения с поверхности. Левая шкала — расстояние от дна бассейна в мм, правая шкала — соответствие цвета абсолютной
температуре
Установки ТФМ можно использовать для проверки численных методов расчета распределения температур. Наиболее простые задачи связаны с расчетом распределения температур в твердом теле. Поскольку в этом случае достаточно учесть только процессы теплопроводности, в то время, как в жидкости и газе необходимо рассматривать и конвективные потоки. Если объектом исследования является тонкая стеклянная пластина, нагрев которой осуществляется точечным источником, то уравнение теплопроводности будет иметь вид:
^ = ХАТ - Ь(Т - Т0).
Где х — коэффициент температуропроводности стекла, а коэффициент Ь характеризует теплопотери в поперечном направлении за счет контакта с воздухом. Численное моделирование такого уравнения является стандартной задачей для курса «Численные методы», а сравнение с экспериментальными
^ сгеа1ес1 Ьу ^ее уетоп
д ОоаРгеетег
данными делает процесс обучения наглядным и позволяет связать численные методы с реальным экспериментом.
Интерес представляет и анализ гидродинамических течений и турбулентности. В этом случае в установке (Рисунок 1) можно заменить кювету обычным феном, создающим струю теплого воздуха. Меняя скорость потока и температуру нагревательных элементов, можно варьировать гидродинамические характеристики. Интересно отметить, что такую же картину температурных полей можно получить от двигателя самолета на мелкомасштабном фоне, например, на листве.
Таким образом, теневой фоновый метод позволяет сравнительно просто создать целую серию оригинальных, информативных установок физического практикума с использованием самых современных методов.
Список литературы
1. Meier G.E.A. Computerized Background-Oriented-SchHeren//Experiment in Fluids. — 2002. — Vol. 33. — № 1. — P. 181—187.
w created by free version of
i) DociFreezer
