Визуализация вихревых зон течения методом стробоскопического лазерного «Ножа» Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XVI 1985 М2

УДК 532.526.5

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВИХРЕВЫХ ЗОН ТЕЧЕНИЯ МЕТОДОМ СТРОБОСКОПИЧЕСКОГО ЛАЗЕРНОГО «НОЖА»

И. А. Белов, В. М. Литвинов

Исследована возможность визуализации течения в пограничном слое продольно обтекаемого цилиндра с помощью стробоскопического лазерного «ножа». Рассмотрены особенности развития и перемещения системы вихрей, генерируемых в пограничном слое за преградой при управляемом периодическом срыве застойной зоны.

Среди оптических методов исследования течений газа [1—5] большое распространение получил в последнее время метод лазерного «ножа» [6—8]. Этим методом получен ряд интересных результатов при изучении пространственного обтекания моделей в аэродинамических трубах.

Метод лазерного «ножа» позволяет визуализировать в основном стационарные течения. Однако не менее актуальной является задача по визуализации течений, имеющих нестационарный характер, такие как течение за лопатками компрессора, движение вихревых структур в пограничных слоях, в следе за крылом и т. д. Применение скоростной фоторегистрации расширяет возможности метода при изучении нестационарных процессов, но разрешающая способность известных фоторегистраторов из-за малости светового потока от рассеивающих частиц ограничена. Исследование структуры сложных вихревых и периодических течений, изменение характера течений во времени и пространстве наиболее просто может быть выполнено при стробоскопическом освещении.

В данной статье приведена схема стробоскопического лазерного «ножа», описаны методика исследований и некоторые результаты использования схемы для визуализации течения в пограничном слое продольно обтекаемого цилиндра при наложении периодических вихрей.

1. Принципиальная схема стробоскопического лазерного «ножа» приведена на рис. 1. Схема содержала лазер 1, дефлектор в виде ультразвуковой акустооптической (АО) ячейки 2, оптическую формирующую систему 3 и фоторегистратор 4. Свет от лазера 1 направлялся на АО-ячейку 2, в которой часть света отклонялась на некоторый угол от первоначального направления и попадала в оптическую формирующую систему 3, обеспечивавшую необходимую ориентацию плоскопараллельного зондирующего пучка света относительно поверхности модели. В качестве источника непрерывного излучения использовался аргоновый лазер, работавший на длине волны, равной

0,5145 мкм, при мощности — 100 мВт. АО-ячейка 2 устанавливалась к падающему лучу лазера под углом, обеспечивающим брэгговский режим дифракции света на ультразвуковой волне, при котором в первом дифракционном максимуме сосредотачивалась наибольшая (~85%) мощность излучения. Ячейка была выполнена из кристалла парателлурита с просветляющим покрытием для снижения потерь света до 1 % и имела размеры 30X40X70 мм [9]. Возбуждение АО-ячейки осуществлялось на частоте 28 МГц от генератора Г4-102 через усилитель УЗ-5А. Стробоскопический режим визуализации течения реализовывался путем модуляции питающего АО-ячейку напряжения от генератора импульсов Г5-54 с регулировкой частоты и длительности модулирующего сигнала. В проведенных опытах длительность световых импульсов лазерного «ножа»

регулировалась в диапазоне 10~3-н10-5 с, что составляло 0,1 -т-0,01 часть от характерного времени исследуемого периодического течения (частота процесса 100-И 500 Гц). Формирующая оптическая система была выполнена в виде двух плоских зеркал и комбинации двух сферических и цилиндрической линз соответственно с фокусными расстояниями — 30, 300 и 20 мм. Ширина сформированного таким образом плоского лазерного пучка света составляла 15 мм, а минимальная толщина 0,2 мм.

В исследуемый поток вводился аэрозоль в виде паров масла, а излучение, рассеянное частицами масла, регистрировалось на фотопленку чувствительностью 90 ед.

Рис. 1

ГОСТ с использованием фотоаппарата «Зенит-С», оптическая ось которого составляла угол ~37° к световой плоскости зондирующего пучка. Выдержка при фотографировании менялась в диапазоне 1/15 -н 1 с.

Эксперимент проводился в дозвуковой аэродинамической трубе с разомкнутым контуром с входным соплом 5 на одном конце и центробежным вентилятором 6 на другом (см. рис. 1). Диаметр цилиндрической рабочей части трубы составлял 0,6 м при длине 1 м. Скорость потока в трубе 11 м/с, величина пульсаций 0,3%. Со стороны входного сопла по оси трубы устанавливалась цилиндрическая консольно закрепленная модель 7 длиной 2,62 м с возможностью регулирования длины обтекаемого потоком участка в диапазоне 0,2 -5-1 м.

Модель представляла собой последовательно состыкованные между собой три элемента: полный цилиндр, вихреобразователь и конический обтекатель. Длина каждого элемента составляла соответственно 2, 0,18 и 0,44 м, а диаметр цилиндрических частей модели — 0,08 м. Вихреобразователь был выполнен в виде цилиндра, на поверхности которого устанавливался кольцевой съемный щиток 8 высотой 1-^-2 мм. Непосредственно за щитком имелась кольцевая щель шириной 0,4 мм, сообщающаяся с помощью ряда каналов с внутренней полостью вихреобразователя, в которой были расположены динамик 9 типа 0,1 Г9-6 и генератор аэрозоля в виде подогреваемой асбестовой полоски, пропитанной маслом.

Для визуализации течения плоскопараллельный пучок света лазера направлялся с помощью формирующей оптической системы вдоль образующей поверхности модели навстречу набегающему потоку. Регулирование положения световой плоскости лазерного «ножа» осуществлялось с помощью узла крепления формирующей оптической системы к аэродинамической трубе, при этом плавная регулировка осуществлялась посредством двух зеркал, образующих перископическую систему.

2. Результаты испытаний по визуализации процесса обтекания модели с помощью стробоскопического лазерного «ножа» показаны на фотографиях, приведенных на рис. 2. На снимках зафиксированы картины течения в пограничном слое продольно обтекаемого цилиндра при наличии на его поверхности преграды в виде щитка малой высоты (й=1 мм) по сравнению с толщиной пограничного слоя б в зоне расположения щитка (/г/6 = 0,17). Осуществлялся управляемый периодический срыв застойной зоны за щитком путем воздействия на нее периодического выдува через щель в модели воздуха в пограничный слой с помощью динамика, расположенного внутри модели и питаемого от генератора Г3-34. На рис. 2, а приведена картина обтекания для случая, когда система стробоскопирования не включена. При включенной системе стробоскопического освещения на частоте, равной частоте акустического воздействия на застойную зону, непосредственно за препятствием проявляются периодические структуры течения вдоль образующей поверхности модели (см. рис. 2,6). При небольшом отличии

частоты стробоскопирования и частоты сигнала динамика визуально наблюдается эффект медленного движения периодических структур течения либо по потоку, либо против потока в зависимости от знака разности величин указанных частот, что позволяет провести киносъемку процесса обтекания при высоком разрешении без применения высокоскоростной фоторегистрации.

Для выяснения вопроса о том, имеют ли обнаруженные периодические структуры вихреобразный характер, было проведено дополнительное исследование течения с помощью термоанемометра постоянной температуры. На рис. 3 приведены осциллограммы реализаций измеряемой скорости в виде аналога напряжения при расположении датчика термоанемометра на расстоянии от поверхности модели, равном соответственно 1,8 и 0,4 мм. Фаза колебаний сигнала на сравниваемых осциллограммах по истечении времени, равного і —і0, от начала процесса движения структур от преграды отли-

х/к = Ю; 1-д =500Гц х/к =20, Рд = 500 / *

У/К,

/?/>

0,4

ОЛ

/1 £ = Ь п

\f7-t

- 1 1/• ь=г„+т/2 ~ ГС/ игогТ!2

1 * - 1 1

1 1 1 м

* ~ 1 - /| /

+ у„/к /1 у II 1

I !

х/к =30, ГА =500 Гц

¿4-024 а) В)

Рис. 4

О 2 Ч у /Л

Я

Рис. 5

чается на 180°, что свидетельствует о вихреобразном характере сформированных структур. Направление вращения вихрей таково, что в нижних слоях пограничного слоя происходит уменьшение, а в верхних — увеличение скорости потока. Об этом свидетельствуют построенные на основе обработки осциллограмм мгновенные профили скорости в пограничном слое для моментов времени, когда через заданное сечение х от препятствия проходил центр вихревой ЗОНЫ (¿=/о), и в момент времени, отличного от первого на половину периода Т (рис. 4). Характерным для приведенных профилей скорости является наличие точки пересечения профилей, которую можно принять за координату центра вихря у0 от поверхности модели. При значениях У<Уо мгновенные скорости, наведенные вихрем в момент прохождения его центра через заданное сечение (см., например, пунктирную кривую на рис. 4, а при t=to), значительно меньше, чем скорости в момент времени ¿=¿0+1/2 Т. При у>у0 наблюдается обратная картина.

В результате обработки фотографий, полученных при визуализации картины течения стробоскопическим лазерным «ножом», были определены фактические размеры вихрей, расстояние между ними при различных частотах воздействия на пограничный слой и скорость движения сформированных структур. Указанные параметры были измерены также с помощью термоанемометрической аппаратуры. Поступательная скорость каждого вихря по мере удаления от препятствия сначала резко возрастает, а затем при х//г=20 относительная скорость вихря достигает значения 0,8 (при /г=1 мм) и 0,9 (при /г=2 мм) и далее не меняется (рис. 5,а). Одновременно наблюдается «всплывание» вихря, которое характеризуется увеличением относительного расстояния

Уо/к между центром вихря и поверхностью модели (рис. 5, б). Установлено также, что частота срыва вихрей за препятствием равна частоте акустического воздействия динамика.

Таким образом, применение стробоскопического лазерного «ножа» позволило провести визуализацию сформированных за препятствием малой высоты (1-^2 мм) периодических структур, движущихся в пограничном слое продольно обтекаемого цилиндра, и выявить некоторые качественные и количественные характеристики течения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Божков В. М., Хонькин А. Д. О визуализации течения в пограничном слое несжимаемой жидкости.—Ученые записки ЦАГИ, 1972, т. III, № 6.

2. Божков В. М., Захарченко В. М., Мозольков А. С., Хонькин А. Д. Метод визуализации дозвуковых течений и его применение к исследованию обтекания профилей. — Ученые записки ЦАГИ, 1972, т. III, № 5.

3. Беспалов А. М., Горшков М. И., Горюнов В. В., Осин М. И., Ц х а й Н. С. Визуализация водяной пленки на поверхности модели в сверхзвуковом потоке. — Ученые записки ЦАГИ, 1980, т. XI,

№ 2.

4. Головкин В. А., Гончаров Э. Г., Ка л яв кин В. М., Колков В. Г., Копылов А. П., Красовский Э. И. Об оптической визуализации течений в гидродинамической трубе. — Ученые записки ЦАГИ, 1980, т. XI, № 5.

5. А л х и м о в А. П., П а п ы р и н А. И. Некоторое применение метода скоростной лазерной визуализации для исследования двухфазных потоков.—Труды ЦАГИ, 1976, вып. 1755.

6. Боровой В. Я-, Иванов В. В,, Орлов А. А., Харчен-

ко В. Н. Визуализация пространственного обтекания моделей с помощью «лазерного ножа». — Ученые записки ЦАГИ, 1973, т. IV, № 5.

7. И в а н о в Б. А., М а й к а п а р Г. И. Экспериментальное исследо-

вание обтекания крыла с Л-образным поперечным сечением и тела вращения под большим углом атаки с помощью «лазерного ножа». — Ученые записки ЦАГИ, 1981, т. XII, № 3.

8. Горшков М. И., Иванов Б. А. Установка «лазерный нож»

для визуализации пространственного обтекания моделей в аэродинамической трубе.—Труды ЦАГИ, 1977, вып. 1881.

9. Антонов С. Н., Литвинов В. М., Проклов В. В., Скворцов В. В., Филатов А. Н. Акустооптические расщепители в двухкомпонентной системе ЛДИС.— Автометрия, 1982, № 4.

Рукопись поступила 4/ VII 1983 г.