CC BY
35
УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И То м V 1974
№ 1
УДК 532.517.4+531.777
ИЗМЕРЕНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ ПУЛЬСАЦИЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАССИВНОЙ ПРИМЕСИ В СВЕРХЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ОПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
А. И. Мальцев
Приводится описание установки и системы измерения интенсивности турбулентных пульсаций концентрации пассивной примеси в сверхзвуковом потрке на основе метода локального оптического зондирования. Излагаются результаты измерений при диффузии примеси от малого источника в сверхзвуковом потоке при М=1,6 и 2,5.
Величина пульсации концентрации пассивной примеси в развитом турбулентном потоке характеризует степень завершенности процесса смешения до молекулярных масштабов. Поэтому, например, в задачах турбулентного горения неперемешанных газов наличие пульсаций концентрации приводит к ухудшению процесса горения. В связи с этим большой интерес представляют экспериментальные исследования турбулентных пульсаций концентрации. Кроме того, экспериментальные данные по пульсациям концентрации необходимы для развития представлений о детальном обмене.
1. В настоящее время известны в основном три группы методов экспериментального исследования пульсаций концентрации в потоке. Они связаны с использованием термометра сопротивления, ячейки проводимости и оптического зондирования. В результате проведенного анализа оказалось, что наиболее перспективным для проведения измерений в сверхзвуковом потоке является метод локального оптического зондирования, описанный в работе [1]. Согласно этому методу луч света фокусируется внешней, по отношению к потоку, оптической системой в любой достаточно малый объем турбулентной среды, а рассеянное из этого объема излучение собирается объективом и регистрируется фотоумножителем (обычно в качестве центров рассеяния используются частицы дыма). Предполагая, что интенсивность рассеянного света пропорциональна концентрации частиц дыма в рассматриваемом объеме среды, по изменению фототока можно определять пульсации концентрации. Преимуществами этого метода по сравнению с другими являются достаточно малый размер исследуемого объема (порядка долей миллиметра), более широкий частотный диапазон, а также то, что датчик не вносит никакого возмущения в поток. После появления первой работы [1] были достаточно подробно рассмотрены методические основы применения этого метода при проведении измерений в дозвуковых потоках при использовании в качестве источника ,белого“ света [2, 3].
В настоящей работе метод локального оптического зондирования впервые применен для измерения пульсаций концентрации примеси при диффузии в сверхзвуковом потоке. Новым моментом является использование в качестве источника света излучения Не—Ые лазера с длиной волны 6328 А. Это позволило, как будет видно ниже, упростить оптическую систему и устранить ряд методических трудностей.
2. Схема экспериментальной установки, созданной специально для исследования пульсаций концентрации в сверхзвуковом потоке, приведена на фиг. 1. Здесь же схематически изображено устройство измерительного отсека. Установка представляет собой атмосферно-вакуумную аэродинамическую трубу периодического действия с закрытой рабочей частью. Этот тип аэродинамических труб имеет ряд преимуществ, которые важны при исследовании пульса-ционных характеристик. Сюда относится постоянство по времени давления и температуры торможения в ресивере. Установка состоит из следующих частей: устройства запуска 1, к которому пристыковывается сменное сверхзвуковое профилированное сопло 2 с выходным диаметром 110 мм. Далее следует рабочая часть 3, которая оканчивается измерительным отсеком 4, в котором производится оптическое зондирование. Внутренний канал рабочей части расточен
на конус с учетом толщины пограничного слоя. Как показали результаты газодинамических исследований потока в трубе, такая форма рабочей части обеспечивает почти равномерный сверхзвуковой поток по всей длине канала (длина канала равнялась одному метру). За измерительным отсеком следуют диффузор 5 и вакуумный затвор 6, который отделяет тракт трубы от вакуумных емкостей.
Рабочая часть 3 имеет ряд отверстий на стенке для замеров статического давления, по которым осуществляется контроль запуска и режима работы трубы, а также три отверстия, через которые внутрь трубы вставляются изогнутые под прямым углом трубки диаметром 3 мм, предназначенные для ввода примеси в сверхзвуковой поток. Расстояние I от среза трубки до вертикального луча лазера составляло 78, 218 и 360 мм. В каждом случае трубки устанавливались строго по оси канала трубы. В качестве пассивной примеси использовались мелкодисперсные пары масла, получаемые с помощью масляного дымо-генератора. При проведении экспериментов давление в емкости 7 перед вводом паров масла в трубу поддерживалось постоянным и лежало в интервале (0,16-=-
0,50) 105 Па.
Схема измерительного отсека, сконструированного на основе принципа локального оптического зондирования, приведена на фиг. 1. Луч лазера через диафрагму диаметром 1,5 мм проходит через рабочий отсек. Рассеянный на частицах дыма свет фокусируется объективом 8 на оптическую щель 9. В плоскости щели получается изображение следа, видимого при прохождении лазерного луча через задымленную область. Щель вырезает из этого следа область толщиной 0,5 мм. Таким образом, на фотокатод ФЭУ попадает свет, рассеянный из объема цилиндра диаметром 1,5 мм и высотой 0,5 мм. Пластина 10, в которой сделан вырез для объектива, может двигаться по боковой плоскости измерительного отсека. Поэтому область измерений может быть выбрана в любой точке по длине лазерного луча с помощью перемещения координатником ¡1 ФЭУ, объектива и пластины 10 как целого. Приборы измеряют среднюю и среднеквадратичную величину сигнала, снимаемого с нагрузки ФЭУ, которые предполагаются пропорциональными средней и среднеквадратичной пульсации концентрации примеси в исследуемом объеме. Таким образом, пульсации концентрации в данном сечении могут быть измерены последовательно во всех точках по диаметру сечения.
Использование излучения от Не—Ые лазера вместо .белого* света уменьшает интенсивность рассеянного света, поскольку красный свет лазера имеет наибольшую длину волны из области видимого спектра.
9—Ученые записки ЦАГИ № 1
121
Основные методические трудности при измерении пульсаций концентрации примеси оптическим методом связаны с наличием шумов и зависимостью результатов измерения от размера исследуемого объема. Путем изменения величины стационарного светового потока, попадающего на фотокатод ФЭУ, проводилась тарировка величины суммарного шума от величины среднего сигнала. Предполагалось, что электронные шумы и пульсации концентраций статистически независимы. Поэтому величина сигнала, пропорционального среднему квадрату пульсаций концентрации, находилась путем вычитания дисперсии шумов из величины измеряемой дисперсии. Кроме того, напряжение питания ФЭУ подбиралось таким, чтобы шумы были минимальными. Размер исследуемого объема в принципе нетрудно значительнр уменьшить, однако на данном этапе работы не ставилось такой цели. В настоящее время ведется работа по изучению влияния этого размера в дозвуковом потоке, поскольку в сверхзвуковом потоке такое исследование практически трудно осуществимо.
Для измерения полей средней и среднеквадратичной пульсации концентрации примеси в разных сечениях, соответствующих'раз-ной величине турбулентной диффузии, поступали следующим образом. Поскольку из-за конструктивных особенностей установки все оптические измерения можно было проводить только в измерительном отсеке, то перемещали источник дыма. Расстояния от среза источника до сечения, в котором проводились измерения, выраженные в диаметрах трубки источника, составляли 26, 73 и 120 калибров в диаметрах трубы соответственно 0,7; 2 и 3,3 калибра. Такие измерения не эквивалентны прямым, когда перемещается сечение измерения, однако, если предположить, что поле турбулентности мало меняется на максимальном расстоянии перемещения источника дыма, то такие измерения можно трактовать как близкие к прямым.
С целью проверки результатов измерения, полученных описанным выше прямым методом, проводилось определение полей концентрации косвенным методом, основанным на фотографировании следа лазерного луча в задымленной области и последующем фотометрировании негатива. В этом случае на место оптической щели ставилась кассета с фотопластинкой. Для фотографирования красного следа лазерного луча использовались панхроматические фотопластинки с чувствительностью 180 ед. ГОСТ. Выдержка составляла 5—10 с. Известно, что почернение на негативе связано с интенсивностью падающего на фотопластинку света простым соотношением, поэтому фотометрированием негатива нетрудно было восстановить распределение интенсивности света, а следовательно, и концентрации с (г).
3. Поля средней концентрации, полученные прямым и косвенным методами, в каждом сечении практически совпадают. На фиг. 2 в безразмерном виде приведены результаты измерения полей концентрации примеси при диффузии в сверхзвуковом потоке прямым методом (заштрихованные обозначения) и косвенным, основанным на фотометрировании негативов (незаштрихованные обозначения). Здесь же сплошной линией проведена функция Гаусса
. Фтах = ехр(-0,693 Г7Г0>5)
или в нормализованном виде
с!стах “ ехР (“Г2/2а2), где г05 — значение радиуса, соответствующего половине величины максимальной (осевой) концентрации, а о2 — дисперсия, равная 0,72-^5.
Измерения дают близкие результаты, а профиль средневременной концентрации с (г) при диффузии в сверхзвуковом потоке хорошо описывается функцией Гаусса. Этот факт позволяет определить величину коэффициента турбулентной диффузии. Действительно, согласно [4], для больших времен диффузии в однородном потоке скорости и имеет место связь среднеквадратичного распространения частиц у'- с величиной коэффициента турбулентной диффузии £)х:
¿У2 2РТ (1х ~ и '
М х/а ° 7,6 26 ь 1,6 73 ° 2,5 26 ° 2,5 73 0 1,6 720 * 2,5 7205 \
( \
1 ’ -05 * 3 ч 1 ■Е
У \
{ N ■ $
Фиг. 2
cr
d2
Нетрудно убедится, что для профиля Гаусса величина у2 равна дисперсии, и поэтому
<1& 2£>т = „ •
Таким образом, измеряя профили концентрации при диффузии в однородном потоке и определяя изменение дисперсии а2 по длине канала, по углу, наклона кривой а2 (х) на больших расстояниях можно определить величину коэффициента турбулентной диффузии. Отметим, что измерение полей средней величины концентрации в данной работе было необходимо для определения интенсивности пульсаций концентрации с'/с, однако они также представляют самостоятельный интерес, поскольку дан ных о величине коэффициента турбу лентной диффузии в сверхзвуковом по токе пока мало. Величины дисперсии а2 определенные по определенным профи лям средневременной концентрации приведены на фиг. 3. Отсюда вытекает что величина безразмерного коэффи циента диффузии 2£>т/ый, где Л—диаметр трубы, при диффузии в сверхзвуковом потоке с параметрами М=1,6, Де==1,8- 10е равна 0,00018, а для случая М = 2,5;
Ке == 1,2- 10в составляет 0,00042.
Результаты приведенных измерений интенсивности среднеквадратичной пульсации концентрации с' приведены на фиг. 4. Можно отметить, что изменение по длине трубы величины максимальной в сечении интенсивности пульсации концентрации сшах/сшах (фиг. 5) примерно аналогично изменению ее для дозвуковых струй. Максимальная измеренная величина интенсивности пульсации концентрации в сверхзвуковом потоке составляет 30%, в то время как для дозвуковых затопленных струй она около 20%. Можно предположить, что в данном случае степень однородности молекулярного перемешивания имеет тот же порядок, что и в случае затопленной струи.
м= 2,5 , У
у у
У *
У у
¥0
SO
720 x/d
Фиг. 3
b-majc
12\-
М=2/
М=16
Фиг. 4
40 60 720 x/d
Фиг. 5
Отметим также, что при меньшей величине числа Re (М = 2,5) интенсивность пульсаций концентрации имеет большую величину.
В целом можно сделать вывод, что при диффузии в сверхзвуковом потоке не наблюдается каких-либо особенностей в изменении величины интенсивности пульсации концентрации и что метод локального оптического зондирования может быть успешно применен для систематического исследования пульсаций концентрации в сверхзвуковых потоках.
ЛИТЕРАТУРА
1. R о s е n s w е i g. R., Hottel H., Williams G. Smoke-scattered light measurement of turbulent concentration fluctuations. „Chem. Eug.
Sei“, v. 15, p. 111, 1961.
2. Becker H., Hottel H., Williams G. On thelight-scat-ter technique for the study of turbulence and mixing. J. Fluid Mech., v. 30, p. 2, 1967.
3. Безуглов В. Г., Щербина Ю. А. Оптический метод измерения пульсаций концентрации. Труды ЦАГИ, вып. )477, 1973.
4. Taylor A. Statistical theory of turbulence. Proceedings of the royal society. Ser. A, № 144, 1935.
Рукопись поступила 291X11 1972 г.
