CC BY
56
________УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И
Т о м VII 197 6
№ 4
УДК 533.011:534.222.2
ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ К ИЗУЧЕНИЮ ОБРАЗОВАНИЯ УДАРНОЙ ВОЛНЫ В УДАРНОЙ ТРУБЕ
Л. С. Штеменко
Получены голографическим методом трехмерные изображения нестационарной струи толкающего газа, истекающего из камеры в канал ударной трубы в процессе раскрытия диафрагмы. Анализ этих изображений показывает, что волны сжатия, образующие ударную волну в ударной трубе, возникают в струе толкающего газа за фронтом нестационарного скачка уплотнения.
Ударная труба широко используется для получения ударных волн в лабораторных условиях при исследовании сверхзвуковых потоков и свойств газов при высоких температуре и давлении. Процесс образования ударной волны может оказывать влияние на распределение параметров газа в пробке за волной, поэтому изучение этого процесса имеет важное значение.
Процесс образования ударной волны в ударной трубе носит сложный пространственный характер [1—3]. В работах [4 — 6] в одномерной постановке решалась задача об образовании ударной волны в ударной трубе. Экспериментально эта задача до сих пор изучена слабо.
В данной статье описана полученная голографическим методом трехмерная картина нестационарной струи толкающего газа, вытекающей из камеры в канал ударной трубы в процессе раскрытия диафрагмы. Опыты проведены в ударной трубе квадратного сечения размером 34 x 34 мм. В камере был азот, в канале — воздух. Начальное давление в камере равнялось 7-105 Па, в канале — 33* 103 Па.
Голограммы струи азота получены способом однократного экспонирования фотопластинки пучком света, прошедшим через струю, с использованием диффузного освещения объекта изучения. Как известно [7], на стадии восстановления через любую часть такой голограммы можно наблюдать все мнимое изображение объекта.
Схема голографической установки показана на фиг. 1. Основная часть установки — импульсный рубиновый лазер с модулированной добротностью. Для реализации условий когерентности диффузного света было необходимо получить излучение одной пространственной моды [7|. С этой целью был выбран полу-конфокальный резонатор, состоящий из вогнутого глухого зеркала радиусом 1 м и стопы из двух плоскопараллельных пластинок. Стопа служила резонансным отражателем и позволяла сузить спектральную линию излучения рубина [8]. Кристалл охлаждался проточной водой для устранения тепловых неоднородностей, возникающих в нем во время оптической накачки. Для подавления высоких мод в резонатор вводилась диафрагма диаметром 3 мм. Между диафрагмой и глухим зеркалом помещался пассивный затвор, осуществляющий модуляцию добротности. Был получен режим генерации гигантского импульса с энергией около 0,1 Дж.
Для генерации одной пространственной моды необходима тщательная юстировка резонатора. Вогнутое зеркало и стопа юстировались по интерференционной
картине с помощью гелий-неонового лазера ЛГ-55, выведенного в одномодовый
.режим...генерации. Остальные элементы . резонатора выставлялись параллельно
стопе с точностью до 0,5" с помощью автоколлиматора АК-0,25..........
Генерация низшей пространственной моды проверялась по излучению дальнего поля [9]. Угловая расходимость излучения равна 4'. Длина временнбй когерентности излучения (40 см) рассчитывалась по интерферограмме излучения, полученной с помощью эталона Фабри — Перо с базой 30 мм.
$5
Луч лазера выходит из резонатора и разделяется на два луча полупрозрачным зеркалом 32. Лучи расширяются отрицательными линзами Л1 и Л2. Объектный луч проходит через рабочую часть ударной трубы и попадает на фотопластинку ВРЛ-2, установленную на расстоянии 150 мм от рабочей части. Перед окнами рабочей части ставится диффузный рассеиватель — матовое стекло. Опорный пучок с помощью двух зеркал 34 и 35 проходит над рабочей частью ударной трубы и падает на фотопластинку под углом 35° к сигнальному пучку. Разность хода между двумя пучками составляет 35 см, размер поля излучения равен 7 см, угловой размер голограммы 20°.
Восстанавливались голограммы на той же установке с помощью гелий-неонового лазера ЛГ-36А. На фотопленку фотографировалось под разными углами наблюдения восстановленное мнимое изображение струи азота. Таким образом, голографическая методика позволяла получать мгновенное трехмерное изображение нестационарной струи азота.
Ранее [3, 10] в опытах по образованию ударной волны в ударной трубе было обнаружено, что струя толкающего газа вблизи диафрагмы имеет сверхзвуковую скорость, в ней возникает нестационарный скачок уплотнения — второй ударный разрыв; при раскрытии диафрагмы образуется конечное число возмущений— волн сжатия, движущихся по покоящемуся газу. Возникает вопрос о том, где образуются волны сжатия. Многие авторы, рассматривая работу ударной трубы, считают, что толкающий газ в ней можно отождествить с подвижным поршнем, движущимся ускоренно благодаря постепенному раскрытию диафрагмы [1, 2, 4]. Поршень и образует волны сжатия.
На фиг. 2 представлены фотографии толкающей струи азота, истекающей из камеры в канал ударной трубы на поздней стадии раскрытия диафрагмы. Газ течет слева направо. На фотографиях видны волны сжатия, идущие по струе толкающего газа и в покоящемся газе. Форма первых двух волн, идущих по струе, на разных снимках отличается одна от другой. На верхней и средней фотографиях волны имеют сферическую форму. На нижнем снимке две первые волны изображаются прямыми линиями. Остальные волны сжатия — прямые под любыми углами наблюдения. Фронт их успел выпрямиться в результате отражения от стенок ударной трубы.
На фиг.: 3, б представлены фотографии струи в начальной стадии раскрытия диафрагмы. Газ течет слева направо. На нижней фотографии видна раскрывающаяся диафрагма, скачок уплотнения около нее сложной формы и криволинейные волны сжатия;,в струе. На фиг. 3, а показана схема течения. На верхней фотографии скачок уплотнения, возникающий около диафрагмы, имеет другую форму:
Фиг. З
видны также волны сжатия, идущие непосредственно от скачка уплотнения и имеющие ту же форму, что и скачок.
Таким образом, анализ течения нестационарной струи толкающего газа показывает, что волны сжатия возникают непосредственно за скачком уплотнения в струе толкающего газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. White D. R. .Influence of diaphragm opening time on shock-tube flows. J. Fluide Mech., vol. 4, N 6, 1958.
2. Дунцова Ж. С., Ершов Н. В., Киреев В. Т., Р у з а-вин Е. И. Расчет движения ударной волны и параметров потока при немгновенном открытии диафрагмы в ударной трубе. Изв. АН СССР МЖГ, 1969, № 2.
3. I k u 1 Т., М a t s и о К-, N a g a i М. Investigations of the aerodynamic characteristics of the shock tubes. Pt. 2. On the Formation of Shock Waves. Bull of J. S. М. E., vol. 12, N 52, 1969.
4. Хеншелл Б. Д. Некоторые аспекты использования ударных труб в аэродинамических исследованиях. Сб. „Ударные трубы* (под ред. X. А. Рахматуллина и С. С. Семенова). М., Изд. иностр. лит., 1962.
5. Баженова Т. В., Набоко И. М., Предводителе-в а О. А. Влияние диссипации на параметры потока за скачком в ударной трубе. Сб. .Физическая газодинамика и свойства газов при высоких температурах* (под ред. А. С. Предводителева). М , .Наука“, 1964.
6. Ш т е м е н к о Л. С. Возникновение скачка уплотнения в начальный период течения газа вблизи диафрагмы в ударной трубе. .Вестник Московского университета“, »Физика, астрономия“, 1968, № 3.
7. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М., „Мир“, 1973.
8. Hercher М. Stngle-mode operation of a Q-switched rubv laser. Appl. Phys. Letters, vol. 7, N 2, 1965.
9. Высокосов E. П., Куба рев А. В., Морозов Б. Н., Пронин В. Р. Методы измерения расходимости излучения оптических квантовых генераторов. »Измерительная техника“, 1973, №5.
10. Ш теме н ко Л. С. Образование ударной волны в ударной
трубе. .Вестник Московского университета', „Физика, астрономия“, 1972, № 5. '
11. ФайзулловФ. С. Пирометрическое исследование состояния воздуха, азота и аргона за ударной волной. Труды ФИАН, т. 18, 1962.
Рукопись поступила 5/ VI1975 г.
