Некоторые особенности использования метода лазерного ножа в сверхзвуковых аэродинамических трубах Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ

Том XXIV 1993 №4

УДК 533.6.071.082.5:621.375.8

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ЛАЗЕРНОГО НОЖА В СВЕРХЗВУКОВЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

А. И. Максимов

На основе обобщения опыта эксплуатации лазерного ножа в аэродинамической трубе Т-313 ИТТТМ СО РАН выявлены характерные особенности используемой методики, которые оказывают существенное влияние на качество получаемой информации. Уточнено количество впрыскиваемой воды, необходимой для создания светорассеивающих частиц во всем диапазоне основных рабочих режимов трубы. Показана сильная зависимость засветки кадров от относительного расположения модели и фоторегистратора в рабочей части.

Методические испытания проведены при числах М. =2 + 4. В качестве примера приведена типичная циклограмма эксперимента по визуализации пото- ■

ка методом лазерного ножа в трубе Т-313.

Метод лазерного ножа является достаточно простым, надежным и весьма эффективным способом визуализации пространственной структуры сложных течений. Он особенно ценен на начальных этапах исследований, когда необходимо выявить общую топологию течения и определить его наиболее интересные зоны для подробного изучения всеми доступными средствами на последующих этапах. Данный метод визуализации впервые был предложен более 40 лет назад и стал известен как метод парового экрана [ 1]. С тех пор многочисленные улучшенные модификации этого метода широко используются в аэрогазодинамических установках различных типов [2, 3, 5, 6].

Внедрение метода лазерного ножа в классических аэродинамических трубах, работающих на чистом осушенном воздухе, в течение длительного времени наталкивалось на ряд трудностей. Например, проблемы, связанные с вводом оптимального количества светорассеивающих частиц в рабочую часть трубы и получением качественных фотоснимков визуализации в Т-313 ИТПМ СО РАН, окончательно были разрешены только в 1984 году [6]. За прошедшее время накоплен достаточный опыт эксплуатации внедренного метода в различных условиях (при изменениях тем-

пературы и влажности атмосферы и подаваемого сжатого воздуха, числа Маха невозмущенного потока, формы и размеров моделей и т. д.). При этом выявились и те особенности, которые заметно влияют на качество получаемых картин визуализации и на технологию проведения самих экспериментальных исследований.

Характерными чертами используемого в Т-313 метода являются сохранение практически неизменного качества потока за счет жесткого ограничения количества впрыскиваемой воды и установка фоторегистрирующего устройства 4 (рис. 1) непосредственно в рабочей части. Хотя увеличение влажности потока, например, при специальном отключении системы осушки воздуха, обеспечивает формирование более ярких и контрастных картин визуализации, их качественная регистрация становится невозможной из-за осаждения конденсата на защитном стекле 4 (рис. 2) объектива 5 и других деталях фоторегистратора. К тому же присутствие многочисденных капелек воды в виде густого тумана приводит не только к существенным изменениям параметров течения, но и к дополнительному вторичному рассеиванию света по пути от плоскости лазерного ножа до объектива, потере резкости и тонких деталей изображения на пленке.

Впрыск воды осуществляется перпендикулярно к направлению сносящего потока с помощью простейшей струйной форсунки 15, установленной заподлицо с внутренней стенкой тракта подвода сжатого воздуха в 25 — 30 м от рабочей части трубы (см. рис. 1). Использование длинных насадков, выступающих в поток на 100—150 мм, часто приводит к замерзанию воды в подводящей трубке и отказу форсунки. Это связано с воздействием низкотемпературной струи воздуха, истекающей из дросселя 12, и особенно характерно для холодного зимнего периода. Иногда в таких условиях наблюдается образование ледяной пленки на фланелевом фильтре 11, расположенном в форкамере 10 аэродинамической трубы. При этом количество светорассеивающих частиц в рабочей части резко уменьшается и без снятия.фильтра визуализация картины течения становится практически невозможной.

За время эксплуатации метода лазерного ножа в трубе Т-313 было разработано несколько модификаций фоторегистратора, которые совместно с системой электро- или пневмомеханической защиты, а также и без нее могут крепиться как на обтекателе саблевидной подвески механических весов, так и на специальных пилонах [5]. В последнем случае имеется возможность перемещения фоторегистратора в достаточно широких пределах относительно исследуемой модели по трем координатам.

Все варианты фоторегистратора имеют принципиально аналогичную конструкцию и состоят из корпуса 6 и съемной кассеты 7, которая снабжена защитной шторкой 1 (см. рис. 2). Прижим подаваемой с катушки 8 (или из стандартной кассеты типа СЖ^ЛЮ) пленки к кадровому окну осуществляется с помощью фиксирующих валиков 2, а экспонированная пленка наматывается на катушку 3. В случаях использования

• . •

регистратора без системы защиты оптическое стекло 4 в промежутках между испытаниями закрывается колпачком.

О

£

Û-i

_ндо

Ivft

ÁIS

И вЖчх

Ш - І

; \ 4 L>^ b /

Для выбора оптимальной форсунки предварительно было определено количество впрыскиваемой воды в условиях атмосферного давления. Тарируемые форсунки имели цилиндрическое отверстие длиной 1,5—2 мм и диаметром <1 от 1 до 4 мм. Как и во время реальных испытаний,

гидронасос 13 (см. рис. 1) обеспечивал давление 1,8 Мн / м2, а минимальный внутренний диаметр подводящей трассы вблизи отсечного электромагнитного клапана ^составлял ~ 3,8 мм. Полученные в ходе тарировок величины секундного расхода воды т и скорости истечения струи V в зависимости от диаметра отверстия <1 приведены в табл. 1.

Как видно из таблицы, при существующей конструкции системы впрыска увеличение (1 свыше 2,5—3 мм приводит к резкому снижению скорости истечения V, что ухудшает процессы распыления и последующего испарения воды в трассе аэродинамической трубы. Дальнейшие эксперименты показали, что форсунка с отверстием ¿/*2,5 мм обеспечивает получение необходимого количества светорассеивающих частиц во всем основном диапазоне рабочих режимов трубы.

С целью уточнения количества впрыскиваемой воды в реальных условиях для форсунки <1 =2,5 мм с помощью простейшего уравнения Бернулли были определены расчетные скорости истечения жидкости Ур (табл. 2). Поскольку полученные для различных давлений торможения

Таблица 1

</, мм 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

т, г/с 40 75 125 150 167 176 182

У, м/с 50,9 42,5 39,7 30,5 23,6 18,5 14,5

Таблица 2

Мм 0 2,0 2,25 2,5 3 4

Роф,кг/см2 1 2,0 2,3 2,6 4,2 10,3

Ур, м/с 57,8 56,1 55,6 54,9 52,0 38,9

V, м/с 30,5 29,6 29,3 29,0 27,4 20,5

т, г / с 150 145,4 144,0 142,5 134,6 100,8

т / С, г / кг — 1,42 1,55 1,71 1,61 1,24

Роф скорости Ур изменяются в небольших пределах, предполагалось, что суммарные гидравлические потери при тарировании и на всех режимах работы трубы составляют примерно одну и ту же величину. Рассчитанные исходя из такого предположения реальные скорости истечения струи V, массовые секундные расходы воды т и относительные расходы т/Сг, где (7— секундный расход сжатого воздуха, также приведены в табл. 2.

Следует заметить, что при М«, = 4 из-за заметного снижения Ур гидравлические потери будут несколько меньше, а истинные значения V, т и т/й соответственно больше. Таким образом, с учетом остаточной влажности в осушенном воздухе (~ 0,3 г / кг) суммарное количество воды во всем рассмотренном диапазоне режимов работы трубы изменяется в пределах от 1,5 до 2 г/кг, т. е. не более чем на 25%. По-видимому, именно благодаря этому картины визуализации течения на всех основных режимах работы аэродинамической трубы Т-313 получаются примерно одинакового качества.

Такое малое количество впрыскиваемой воды практически не искажает поле течения в рабочей части, а образующийся мелкодисперсный туман становится видимым только в лучах мощного лазерного излучения. Однако малая оптическая плотность тумана в ряде случаев сама приводит к определенным затруднениям при регистрации наблюдаемых картин визуализации. Рассеивающееся от конденсированных частиц излучение отражается повторно от поверхности модели и приводит к просвечиванию ее отдельных деталей сквозь плоскость лазерного ножа. В таких ситуациях паразитное излучение суммируется с полезным сигналом и сильно ухудшает качество получаемых фотоснимков, засвечивая расположенные вблизи поверхности модели фрагменты течения. Это явление приобретает особую значимость при Мм = 4, когда плотность изображения заметно ниже, чем на остальных режимах. Все это накладывает дополнительные ограничения на границы возможных зон относительного расположения модели и фоторегистратора.

С целью выявления пределов этих о1раничений были проведены специальные методические испытания, когда модель и фоторегистратор располагались согласно схеме, приведенной на рис. 3. Клиновидная надстройка сложной

формы 2 была установлена на Рис. 3

плоской пластине 1 под углом скольжения 10е относительно направления набегающего потока. Плоскость лазерного ножа выставлялась на хвостовую часть надстройки, имеющую плоскую боковую поверхность размерами 15,5 х 42 мм2. Даже при максимальных углах со (> 45е) между боковой поверхностью надстройки и продольной осью фоторегистратора ее относительная площадь на кадре пленки не превышала 1%.

На рис. 4 приведены фрагменты снимков визуализации, полученных на режиме Мж -4 при различных углах со . При малых со на снимках отчетливо просматривается головной скачок уплотнения 1, который взаимодействует с пограничным слоем пластины, расположенным над светлой полосой 2 лазерного луча, скользящего по поверхности модели. По мере увеличения со растет паразитная засветка снимка отраженным от боковой грани 3 и от поверхности пластины 4 вторичным излучением, что приводит к постепенному исчезновению отдельных деталей течения, связанных с обтеканием хвостовой части надстройки. При со 2: 30° практически вся полезная информация оказывается потерянной, а затем и сам кадр почти полностью засвечивается.

Таким образом, выявленные данные свидетельствуют, что для получения высококачественных снимков и сохранения максимального количества информации фоторегистратор должен устанавливаться под минимальным углом между его продольной осью и плоскими гранями модели, на которые падает луч лазера. В рассмотренном выше случае это положение относится как к углу со, так и к углу между плоскостью пластины и оптической осью фоторегистратора. Оно сохраняется в силе даже при покрытии поверхности модели темной светопоглощающей краской, в

Рис. 4. Обтекание надстройки при = 4 (съемка под разными углами)

особенности на режиме = 4, когда плотность картины визуализации заметно меньше.

Еще одной отличительной чертой используемой модификации лазерного ножа является возможность фазового перехода мельчайших капелек тумана в кристаллики льда в зонах сильного разрежения и соответственного понижения температуры потока. В таких случаях из-за резкого увеличения коэффициента отражения (альбедо) льда области разрежения приобретают необычно яркую светимость, сравнимую с пламенем газовой горелки. По-видимому, именно это явление фазового перехода в трубе Т-313 впервые было обнаружено при визуализации обтекания плоской пластины, установленной под углом атаки (рис. 5). При этих испытаниях плоскость лазерного ножа находилась в 3—5 мм за задней кромкой модели и в рассеянном свете отдельные детали ее крепления довольно четко просматривались через наблюдаемую картину течения.

На подветренной стороне пластины газ сильно разгоняется в веере волн разрежения, а за счет срыва потока с ее боковой кромки формируется срывной вихрь 1. Ниже по течению разогнавшийся поток вступает во взаимодействие со скачками уплотнения 2, 3 и 4, которые генерируются

деталями крепления пластины. Если при Мда = 3 (рис. 5, а-а = 16°;

5, в — 20° ) во всем исследованном диапазоне углов атаки наблюдается четкая структура вихревых систем и взаимодействующих между собой

скачков уплотнения, то на режиме Мда =4 уже при а = 16° (рис. 5,6) возникают области яркого свечения 5, 6 и 7, мешающие точному выделению скачков 2 и 3.

Аналогичные случаи свечения газа позже были обнаружены и другими экспериментаторами, например, при изучении структуры течения в канале

Галабной скачок ^ а '

\

й

6

^ ^ Срыдьоа ди *рь' §)

м^з мх~г м^з

(х, —16° = а = 20“

Рис. 5, Обтекание подветренной стороны пластины

сложной формы [3]. Тогда же было выяснено, что зоны яркого свечения соответствуют именно областям пониженного давления, выявленным путем прямых пневмометрических измерений.

Области разрежения потока с аномальным свечением отличаются от обычных зон повышенного давления своей чрезвычайной яркостью и в действительности их идентификация не вызывает особых проблем. Тем не менее, при изучении сложных течений, в особенности на режимах без

подогрева воздуха, когда Ми £ 4, трактовка снимков лазерного ножа

должна быть весьма осторожной и обоснованной.

В течение всего времени эксплуатации метода лазерного ножа в аэродинамической трубе Т-313 ИТПМ параллельно с выявлением его особенностей осуществлялись мероприятия по выработке оптимальной технологии проведения самих экспериментов. Полученная в ходе этой

работы типичная циклограмма испытаний для режимов Мш =2 + 3 приведена на рис. 6. Основным отличием циклограммы для режима Мда = 4 является увеличение интервалов времени от момента открытия электромагнитного клапана до начала съемки (до 10—15 с) и продолжительности экспонирования (до 5—10 с при использовании пленки чувствительностью 90—180 ед. ГОСТа). На остальных режимах картина визуализации формируется уже через 2—3 с после начала впрыска воды и никаких специальных задержек по времени не требуется.

Следует отметить, что отработанные циклограммы не являются жесткими и в случае необходимости допускают вариацию интервалов времени между отдельными операциями в довольно широких пределах. Например, визуальное наблюдение картины течения через прорезь шторки на окне камеры давления 1 (рис. 1) проводится либо для контроля за наличием изображения, либо с целью выявления интересующих деталей течения прямо по ходу эксперимента, поэтому его продолжительность может меняться как в сторону увеличения, так и сокращения. При

Перевод лленк/. на очередной кадр[[[ Їстаноїка ито^ки ФР □

1 Открытие РЧ ~1 ППрикрытие хода луча □Закрытие занавески на окне КД

{Съёмка 1

□ о Епа^альное наблюдение

[3 открытие занавески на окне КД [] Открытие луча лазера

Ьпрыск воды

[ЗЗП.ЧСК | рабочий ре»иы ІО.сІансиііГ]

І Еключшиеі Работа лазеса ЛГ-ЮЙ» 1

I Закрытие Рч |

3 Снятие шторки с кассеты іиторегистраторз

«-

0 5 20 25 30 35 <*0 45 60 85 30 ¿5 Г.(.ек

Рис. 6. Циклограмма операций при визуализации течения методом лазерного ножа в аэродинамической трубе-Т-313 ИТПМ на режимах Мю = 2 н- 3

использовании фоторегистратора (ФР) 4 без системы электро- или пневмомеханической защиты экспонирование пленки осуществляется с момента открытия хода луча лазера 7 поворотом металлической шторки 6 и занавески 5 на окне камеры давления (КД) и визуальное наблюдение возможно только параллельно со съемкой.

Если рабочая часть (РЧ) аэродинамической трубы полностью затемнена, до момента ее открытия нет никаких ограничений и на время установки шторки 3 на кассету фоторегистратора. Однако сама РЧ должна находиться в открытом положении как можно меньше. Это связано с интенсивным осаждением конденсирующейся из окружающего воздуха влаги на охлажденных поверхностях аппарата, прежде всего, на защитном оптическом стекле 4 (см. рис. 2). При открытии РЧ более чем на 3—5 мин, например, при перемонтаже модели, необходим перерыв в испытаниях на 1—1,5 часа для полного нагрева и высыхания фоторегистратора. Если время задержки составляет менее 1—2 мин, достаточно простой обсушки оптического стекла 4 мягкой салфеткой непосредственно перед закрытием РЧ.

Управление лазером ЛГ-106М проводится с пульта питания 8, а электромагнитным клапаном 14 и электромеханической защитной шторкой фоторегистратора—с пульта 9 (см. рис. 1). Благодаря близкому расположению этих пультов и других устройств визуализация течения методом лазерного ножа в аэродинамической трубе Т-313 ИТПМ может осуществляться всего двумя операторами, ответственными за обслуживание трубы и системы лазерного ножа.

Как видно из приведенной циклограммы (см. рис. 6), при оптимальном режиме работы получение одного снимка визуализации требует всего 1,5—2 мин и испытания могут продолжаться практически непрерывно. Кратковременность впрыска воды в каждом эксперименте не приводит к никаким нежелательным последствиям, связанным с введением жидкости в тракт аэродинамической трубы. Учет всех выявленных особенностей применяемой методики обеспечивает получение высококачественных снимков лазерного ножа на всех режимах работы трубы.

Автор выражает свою признательность А. А. Желтоводову, Э. X. Шилейну, А. М. Шевченко и А. А. Павлову за участие на отдельных этапах проведенных исследований и полезные советы при обсуждении полученных результатов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Me Gregor I. The vapour-screen method of flow visualization // J„ Fluid Mech. — 1961. Vol. 11, pt. 4.

2. Боровой В.Я., Иванов В.В., Орлов A.A., Харченко В.Н. Визуализация пространственного обтекания моделей с помощью «лазерного ножа»//Ученые записки ЦАГИ.—1973. Т. 4, № 5.

3. Боровой В. Я., Иванов Б. А., Орлов А. А., Харченко В.Н. Исследование обтекания сверхзвуковым потоком крыльев различной формы в плане методом лазерного ножа //Труды ЦАГИ.—1977. Вып. 1797.

4. Гогиш JI. В., Желтоводов А. А., Курмашев P. X., Ло-котко А. В., X а р и т о н о в А. М. Влияние условий на входе в прямоугольный канал на структуру внутреннего сверхзвукового течения // Препринт ИТПМ СО АН СССР.—Новосибирск.—1990, №13.

5. Горшков М. И., Иванов Б. А. Установка «лазерный нож» для визуализации пространственного обтекания моделей в аэродинамической трубе // Труды ЦАГИ.—1977. Вып. 1881.

6. Максимов А. И., Павлов А. А. Развитие метода лазерного ножа для визуализации потока в сверхзвуковых аэродинамических трубах//Ученые записки ЦАГИ.—1986. Т. 17, № S. -

7. Settles G. S. Modem developments in flow visualization// AIAA J. — 1986. Vol. 24, N 8.

Рукопись поступила 7/IV1992 г.