Влияние гидродинамического потока на элементы конструкции теневого прибора Текст научной статьи по специальности «Физика»

ВЛИЯНИЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ПОТОКА НА ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ ТЕНЕВОГО ПРИБОРА

П.В. Кужаков Научный руководитель - к.т.н., доцент А.Л. Андреев

Проводится моделирование форм и динамики конструктивных элементов теневого прибора. Дана оценка силового влияния обтекающего потока при разных скоростях течений на теневой прибор для последующих оценок внешних воздействий.

Введение

В настоящее время известно множество работ, посвященных исследованию морской среды [1, 3, 4]. Среди рефрактометрических методов и приборных средств их реализации, предназначенных для обеспечения прямых и косвенных измерений параметров состояния морской воды [1], особое место занимают теневые методы [3], внедряемые в практическую гидрооптику. Наиболее перспективными с точки зрения потребительской практики и к настоящему времени успешно апробированными в морских условиях являются теневые приборы [1, 3-5]. Согласно [5], теневым прибором в оптике называют систему, которая позволяет наблюдать и количественно исследовать прозрачные оптические неоднородности в различных средах. Теневой прибор (рис. 1) с двухпроходной оптической схемой предназначен для регистрации прозрачных объектов в водной среде. Работа прибора в реальных условиях требует устойчивости к воздействиям потока воды на прибор в просмотровой области 10 между иллюминаторами прибора 6, 7 (рис. 1) [1]. Для этого необходима оценка силового влияния обтекающего потока на теневой прибор при разных скоростях течений и определение размера зоны турбулентности в просмотровой области.

Рис. 1. Функциональная схема прибора

На рис. 1 представлена функциональная схема теневого прибора. Система излучения 1 состоит из полупроводникового лазера, конденсора и диафрагмы 2. Зеркало 3 расположено в фокальной плоскости объектива 5. В фокальной плоскости объектива 5 помещен нож Фуко 9. Между отражателем 8 и объективом 5 находится просмотровый объем 10, через который проходит поток исследуемой среды. Иллюминаторы 6 и 7 защищают отражатель 8 и объектив 5 от действия на них анализируемого потока среды. Прибор содержит светоделительные призмы 4 и 11, проекционные объективы 12 и 13, передающую телевизионную ПЗС ка-

меру 16, устройство регистрации изображения 17, фотоприемник 14 и блок анализа информации 15.

При обтекании жидкостью теневого прибора, ориентированного по направлению к потоку, на прибор будет действовать сила Е, направленная под некоторым углом к потоку (рис. 2). Эта сила возрастает при увеличении скорости потока. Составляющая этой силы параллельна потоку ¥н. Составляющая направленная поперек потока, носит название подъемной силы.

Наименьшим коэффициентом лобового сопротивления обладает осесимметричное каплеобразное тело, у которого коэффициент лобового сопротивления (Сх) составляет 0,045. При обтекании каплеобразного тела поток хорошо смыкается позади него, препятствуя, тем самым, падению давления за ним. Исходя из минимальной величины коэффициента лобового сопротивления, выбраны оптимальные по обтекаемости элементы конструкции прибора [2].

В настоящее время существует большое разнообразие [1, 3, 4] в построении автоколлимационной схемы отражающего элемента теневого прибора. Для получения однозначных данных о реальном распределении неоднородностей в поле зрения прибора и их параметров необходимо учитывать внешние влияния на прибор и использовать комплексный подход как для разработки обтекаемой формы приборов, так и в оценки силового влияния обтекающего потока при разных скоростях течений на прибор.

При моделировании гидродинамических воздействий на конструктивные элементы прибора необходимо задать скорость потока и размер объекта исследования в соответствии с реальными условиями эксплуатации прибора для получения оценки потока воздействия на прибор в просмотровой области 10 (рис. 1). Для иллюстрации возможностей предложенной модели обтекания прибора было проведено математическое моделирование (МЛТ1ЛВ, СОБМОБПоЖо^).

Приведем основные гидрофизические параметры, использованные в модели.

Плотность морской воды (р) является функцией температуры (Т), солености (Б) и давления (р): р = р (Т,Б,р). Поэтому ее изменение с глубиной полностью определяется изменением этих параметров:

Рис. 2. Конструкция верхней части прибора

Воздействие гидродинамического потока на прибор

р(г) = ДТ, Б, рр).

(1)

В верхнем (деятельном) слое океана зависимостью р(р) можно пренебречь. Поскольку вертикальные профили температуры и солености обладают тонкой (неоднородности > 10 [см]) и микротонкой (неоднородности < 10 [см]) структурой, то и плотность также имеет тонкую и микротонкую структуры. Отношение вертикального масштаба тонкой структуры к горизонтальному - Н/ > 10-3. Минимальный размер плотностной неоднородности определяется минимальным размером соленосной неоднородности и имеет значение порядка 0,08 [см] (минимальный размер температурной неоднородности - 0,8 [см]. Время существования тонкой структуры (Л) зависит от ее размеров. Так, для ЛТ« 0,1[оС]-Л^ ^10 [ч].

В реальных морских условиях движение жидкости носит турбулентный характер. Поэтому число Рейнольдса:

Я > (VI * ¡)Л> >1, (2)

где V - коэффициент вязкости, VI определяется изменением скорости движения среды на масштабах порядка I. Для моря V > Б£ (V Б£ л ~ 103), где Б£ - коэффициент диффузии, выражаемый через константы среды (коэффициенты температуропроводности, соленость).

В рассматриваемой модели были выбраны следующие значения параметров:

• плотность жидкости р=1000 [кг/м3],

• вязкость жидкости ц=1-10-6 [м2/с],

• скорость потока м1=0,5[м/с], и2=2 [м/с], и3=5 [м/с], и4=7,5 [м/с].

Для моделирования турбулентных течений используются уравнения Навье-Стокса [2], а также уравнения состояния компонентов текучей среды:

др +(рик ) = 0, (3)

дхк

^-^(еи,.*,Т = 0, (4)

дхк

+ А ((рЕ + Р)ик - т. ) = ик, (5)

& дхк

где I - время обтекания потоком прибора, и - скорость потока, р - плотность жидкости, Р - давление текучей среды, Е - полная энергия единичной массы текучей среды, тк - тензор вязких сдвиговых напряжений.

- трЧ-, (6)

3

т = м

ди1 ди. 2 ди1 _ —- +-------- 8

Кдх] дх1 3 дх] 4 у

где ц - коэффициент динамической вязкости, 5у - символ Кронекера (5у =1 при /'=/'; §£¡=0 при 1ф]), к - кинетическая энергия турбулентности, определяемая в результате решения следующих двух уравнений:

М+Ар,кк)=А((м+м)дк)+Хк, (7)

& дхк дхк дк дхк

дре+^(ри„е) =±.((м+J;L)^-) + S„ (8)

д дхк дхк де дхк

где

О Я ди. „

^ = т дк -р£+мР

/

^е = Се1 , к

Я_

дх

/ У

/т +мСвРЕ

- с / Ре

^■е2J2 1

2

( ды. ды. 2 ды _ ')

—L+—----L 5r

дх. дХ: 3 дХ: 11 v - 1 1 J

Р =- Ж. 1 dR

в ив р dx¡ '

gi - составляющая гравитационного ускорения в координатном направлении х;, ов =1, при Рв>0 и Св=0 при Рв<0,/1=1+(У/^)/2=1-ехр(-Я2т), С61=1,44, 02=1,92, оЕ=1,3, ок=1.

% А й

¡É V f1 ff V

N

F,[H]

3

—I-1—

1

1 i' !l

, 11 1 Л h i

Л

-M'^tí—ifffir-

i I il I 11 il А | N J 1 |

v \l Y

lll

--,. 2

D ai D.4 C'.h П.В 1 1.3 14 16 18 3 0 D.5 1 1.S 2 f.S 3 J.S

T,[c] T,[C]

Рис. 3. Графики силового воздействия на основания прибора

Скорость (м/с) Сила(H) Частота и1 (Гц) Частота и2 (Гц)

0,5 0,015 0,1667 1,6

2 0,2 0,5 5

5 1,5 1,25 12,5

7,5 3 1,667 20

Таблица 1. Значения скорости, силы, частот

Из графика на рис. 3 (обтекание верхнего и нижнего основания прибора) можно определить максимальную по модулю силу, частоту и1, частоту и2, что соответствует табл. 1.

Рис. 4. Графики силового воздействия на килевую часть прибора

Скорость (м/с) Сила(Н) Частота и1 (Гц) Частота и2 (Гц)

0,5 0,005 0,31 2,5

2 0,1 1 10

5 0,5 3 30

7,5 1,2 4,5 45

Таблица 2. Значения скорости, силы, частот

Из графика на рис. 4 (обтекание килевой части прибора) можно определить максимальную по модулю силу, частоту и1, частоту и2, что соответствует табл. 2.

Рис. 5. Графики силового воздействия на головную часть прибора

Из графика сил, действующих на разные части прибора (рис. 5), находятся частоты колебаний и} = 3[Гц], и2 = 27[Гц] при воздействии проточной воды со скоростью 7,5 [м/с]. Максимальное силовое влияние при боковых течениях:

- на килевую часть теневого прибора 1,2[Н], с максимальной частотой и2 =45 [Гц], (табл. 1),

- на верхнее основание 3[Н], с максимальной частотой и2 =20 [Гц], (табл. 2). Зависимость силы Р(И), действующей на теневой прибор от времени Т(с) (рис. 3, 4): для кривой 1 сила вдоль координаты X, для кривой 2 сила вдоль координаты У (координаты Х,У рис. 6).

Рис. 6. Модель возникновения вихревого потока от прибора

В результате получена модель возникновения потока вихревого характера от прибора, на рис. 6 вихревой поток в виде темных пятен на расстоянии 0,6[м], 0,75[м], 0,9[м], 1,1[м], 1,3[м], 1,45[м], 1,7[м], 1,85[м], 2,4[м].

Рис. 7. Модель распространения потока внутри просмотровой области

Как показано на рис. 7, при скоростях 7,5 [м/с] поток жидкости создает зону неоднородности размером 3 [мм] в просмотровой области теневого прибора при наличии фаски на основаниях и 60 [мм] без фаски (черный цвет - это возникающая неоднородность).

Полученные результаты могут быть использованы при разработке аппаратуры для исследования водной среды. Результаты представляют интерес для специалистов в области океанологии и гидрооптики.

Заключение

Показано, что при реальных режимах работы теневого прибора обтекающий поток будет оказывать на его конструкцию силовое влияние. Неодинаковое силовое воздействие в разных точках профиля верхнего и нижнего оснований при обтекании потоком жидкости возникает из-за влияния боковых сил, разных по значению. Указанное воздействие минимизируется при введении жесткой механической связи верхней и нижней части просмотрового объема, с введением фасок с двух сторон - на верхнем и также нижнем основаниях. Эту связь обеспечивают стойки каплевидной формы. Если ввести фаски на верхнем и нижнем основании прибора, то при воздействии гидродинамического потока с максимальной скоростью 7,5 [м/с] образуется зона турбулентности толщиной 3 [мм] в просмотровой области теневого прибора. Образуемая зона мала по сравнению с зоной турбулентности при отсутствии фасок равной 60 [мм].

Литература

1. Брамсон М.А., Красовский Э.И., Наумов Б.В. Морская рефрактометрия. - Л.: Гид-рометеоиздат, 1986. - 247 с.

2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика: Учебное пособие. В 10 т. Т. VI. Гидродинамика. - 3-е изд. - М.: Наука. Гл. ред. физ-мат. лит., 1986. - 736 с.

3. Васильев Л.А. Теневые методы. - М.,1968. - 400 с.

4. Наумов Б.В. Фотоэлектрический теневой прибор на основе принципа четырехкратного прохождения зондирующего светового пучка // ОМП. - 1982. - №2. - С.26.

5. Сороко Л.М. Гилберт-оптика. - М: Наука, 1981. - 160 с.