Главная

        На данном ресурсе представлена база данных научных и педагогических работ группы авторов, профессиональная деятельность которых связана с модификацией известных и разработкой новых оптических методов диагностики применительно к задачам аэродинамики. Представленные материалы (публикации, презентации видеоролики, и др.), являются результатом многолетних исследований, проводимых авторами по данному направлению в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (ИТПМ СО РАН) и в других организациях. Приведены также материалы, касающиеся педагогической деятельности авторов. Содержимое данного ресурса является централизованной базой представленных в открытой печати работ авторов и доступно для свободного использования.  

Ресурс может быть полезен для специалистов, занимающихся экспериментальными аэрофизическими исследованиями. Также для студентов и аспирантов высших учебных заведений и просто для тех, кто интересуюется физическими основами и методами оптической диагностики.
 
Краткий обзор оптических методов диагностики газовых потоков
Под оптическими подразумеваются методы, основанные на регистрации изменения характеристик собственного (для излучающих объектов) или внешнего излучения, взаимодействующего с исследуемым объектом (газовым потоком), в зависимости от регистрируемого параметра. Несмотря на очевидность данного определения, его необходимо несколько расширить. Действительно, если к оптическим методам отнести только методы, основанные на изменении параметров излучения в зависимости от свойств объекта, то мы исключим методы, основанные на изменении оптических свойств датчиков, внесенных, непосредственно в поток. При этом термин «датчик» необходимо понимать в широком смысле.
Например, при использовании лазерных доплеровских измерителей скорости (ЛДИС) регистрируется изменение частоты зондирующего излучения при отражении (рассеянии) от движущегося объекта. В обычных условиях интенсивность рассеянного излучения в чистых газах настолько мала, что использование метода становится невозможным. Тем не менее, ЛДИС широко применяются для измерения скорости газа. При этом регистрируется сдвиг частоты излучения, рассеянного на специально введенных или изначально присутствующих в потоке частицах. Иначе говоря, определяется скорость не газа, а частиц, которые в данном случае являются датчиком данного параметра. При соблюдении соответствующих ограничений на размеры частиц их скорость с достаточной точностью совпадает со скоростью потока, что и делает возможным проведение подобных измерений.
Можно привести довольно большое количество методов, основанных на оптической регистрации состояния датчиков в зависимости от свойств исследуемого течения. К ним относятся простейшие методы визуализации – такие, как методы сажемасляной визуализации предельных линий тока, метод ворсинок, методы, использующие различные оптические метки и трассеры. Более сложными являются методы: регистрации поверхностного трения, тепловых потоков, распределения поверхностной температуры и давления и некоторые другие.
В свете сказанного, под оптическими методами мы будем понимать методы, основанные на регистрации изменения характеристик собственного или внешнего излучения, взаимодействующего с исследуемым объектом, и / или на регистрации изменения оптических свойств датчиков в зависимости от измеряемого параметра.
Диагностика, основанная на применении излучения для контроля состояния газового потока, обладает рядом преимуществ.
 
К наиболее существенным достоинствам оптических методов относятся:
 •  возможность бесконтактных измерений, т. е. получение информации без внесения существенных искажений в исследуемый поток;
    возможность получения информации сразу в большом поле исследуемого течения, в том числе и полной, т. е. трехмерной, картины регистрируемого параметра; 
    возможность получения «мгновенной», по сравнению с характерным временем исследуемого процесса, информации (время регистрации определяется характеристиками источников и приемников излучения, чувствительностью и временем релаксации оптических датчиков, минимально необходимым временем измерения, зависящим от регистрируемого параметра и используемого метода; например, применение импульсных лазеров позволяет получать информацию о структуре потока теневыми и интерференционными методами, методом лазерного ножа и др. меньше чем за 10–8 с); 
 •  высокое, до 1 мкм, потенциальное пространственное разрешение (зависит от качества используемых оптических элементов, метода и свойств исследуемого объекта); 
возможность ввода оптической информации (изображений) в ЭВМ с последующей обработкой по заданному алгоритму; 
•  возможность получения информации, недоступной при использовании других методов. 
 

 

   Любой оптический метод сводится к регистрации изменений параметров оптической волны, таких как: циклическая частота излучения; интенсивность; фаза; направление распространения; вид поляризации. Наиболее важными параметрами газового потока являются пространственные и временные распределения концентрации молекул в единице объема N, температуры Т, макроскопические скорости V, а также флуктуации перечисленных параметров dN,dT, dV.

При нарушении равновесия возникают дополнительные параметры, например электронная, колебательная, вращательная и поступательная температуры и т. п. Наличие многокомпонентности, например при исследовании двухфазных потоков или смесей газов требует, раздельной регистрации параметров отдельных компонент.
Кроме перечисленных величин, относящихся непосредственно к исследуемому потоку, для решения многих научно-прикладных задач необходимо знать распределение параметров, реализующихся на обтекаемой поверхности, и их пульсации. К ним относятся давление, тепловой поток, температура, поверхностное трение.
Таким образом, существует большое количество параметров, регистрация которых необходима при решении тех или иных задач. Теоретически все эти величины могут быть измерены различными оптическими методами. Однако на практике их реализация связана с рядом ограничений, что в некоторых случаях делает затруднительным, а иногда и невозможным их использование.
Возможны различные подходы к классификации оптических методов. С точки зрения экспериментатора, занимающегося непосредственно исследованием газовых потоков, наиболее естественным является разделение методов в зависимости от регистрируемого газодинамического параметра. Однако при изучении, разработке и использовании методов как таковых для понимания физических эффектов и механизмов, лежащих в их основе, а также для грамотной и наиболее приемлемой их реализации на конкретных аэрофизических установках, основополагающим критерием является измеряемый параметр светового излучения, способ его регистрации и связь со свойствами исследуемого объекта. С этой точки зрения оптический подход при классификации методов является более предпочтительным. 
Обоснованием такого подхода может служить следующее. С одной стороны, для регистрации какого-либо газодинамического параметра возможно применение методов, существенно отличающихся по физическим эффектам, лежащим в их основе, и по регистрируемым параметрам оптического излучения. С другой стороны, регистрация разных газодинамических параметров может быть основана на однотипных оптических эффектах, которые имеет смысл рассматривать в общем случае, без привязки к конкретным методам регистрации. Приведем несколько характерных примеров. 
Для визуализации структуры потока могут применяться теневые и интерференционные методы; методы лазерного ножа с использованием эффектов рассеяния зондирующего излучения на присутствующих в потоке светорассеивающих частицах или на молекулах газа; различные оптические метки и трассеры и т. д.
Для регистрации плотности  теневые и интерференционные методы; методы лазерного ножа на молекулярном рассеянии света; методы, основанные на регистрации параметров собственного излучения и др.
Регистрация скорости может производится с помощью различных модификаций лазерных допплеровских измерителей скорости (ЛДИС). Они позволяют регистрировать как скорость в отдельной точке (локальные методы), так и распределение скорости в выбранном сечении потока (панорамные методы). Существуют схемы с использованием оптического гетеродирования и прямой оптической регистрации допплеровского сдвига частоты, как собственного излучения газа, так и излучения рассеянного на присутствующих в потоке частицах или на молекулах газа. Известны ЛДИС с голографической регистрацией.
Кроме ЛДИС используются различные модификации оптических времяпролетных методов и примыкающие к ним методы, основанные на оптической регистрации смещения специально введенных или изначально присутствующих в потоке меток (трассеров) за известный промежуток времени. Эти методы применяются как для локальных, так и для панорамных измерений. Последние получили в современной литературе название PIV (Particle ImageVelocimetry) методов.
Интерференционные методы могут использоваться для визуализации и регистрации полей плотности, для измерений тепловых потоков и поверхностного трения. Различные оптические интерферометры используются в ряде схем прямого оптического определения доплеровского сдвига частоты при регистрации скорости потока. Эффекты интерференции лежат в основе ЛДИС с оптическим гетеродированием и ЛДИС с голографической регистрацией рассеянного излучения. Объясняют визуализацию полей температур с помощью жидкокристаллических покрытий и т. д.
Приведенные примеры, далеко не исчерпывающие весь спектр оптических методов, показывают предпочтительность их классификации и изучения, по крайней мере, на этапе рассмотрения общих принципов, лежащих в основе их работы, исходя из закономерностей взаимодействия излучения с веществом и возможности регистрации параметров электромагнитного излучения.
 
 

В первом приближении все оптические методы можно отнести к следующим основным категориям.
1.    Методы, основанные на регистрации собственного излучения объекта. Преимущество этих методов заключается в относительной простоте, связанной с отсутствием внешнего источника излучения. Регистрация интенсивности и спектрального распределения характеристического излучения позволяет идентифицировать объект, определить его форму, а также распределение плотности, температуры и скорости. К основным недостаткам можно отнести равновероятное распределение излучения по направлению, поляризации и фазе, т. е. указанные параметры не содержат информации об объекте. Информацию несут только интенсивность излучения I и ее зависимость от частоты. Кроме этого, для того чтобы излучение стало возможным, газ должен быть нагрет до высокой температуры, т. е. должны быть возбуждены электронные состояния. Это наблюдается в условиях горения, детонации и т. п. Для большинства аэродинамических экспериментов собственное свечение лежит в далекой инфракрасной области, и его регистрация затруднена. В этих случаях применяются специальные методы и оборудование (например, тепловизоры).
2. Методы, основанные на просвечивании объекта излучением внешнего источника. Требуется внешний источник излучения. Возможна регистрация изменения всех параметров волны после прохождения через среду. Методы достаточно просты в реализации и широко используются в аэрофизическом эксперименте. Позволяют проводить локальные и панорамные измерения в двумерных потоках с высоким пространственным и временным разрешением. К недостаткам можно отнести интегральный характер изменения параметров волны по всему пути зондирующего излучения. Это затрудняет их использование для проведения локальных измерений в трехмерных потоках.
3. Методы, основанные на регистрации рассеянного в среде излучения. Также нужен внешний источник. Обладают всеми преимуществами методов просвечивания. Позволяют проводить как локальные, так и панорамные измерения в трехмерных потоках с высоким пространственным и временным разрешением. В настоящее время для измерений в газах являются самыми универсальными и информативными. Требуют использования относительно дорогого оборудования, в частности мощных источников излучения и чувствительных фотоприемников.
4. Внешнее возбуждение. К оптическим методам следует отнести также и методы, основанные на регистрации излучения газа, в том числе и холодного, возбуждаемого в результате различных внешних воздействий и физико-химических процессов в газе, таких как процессы диссоциации и рекомбинации, химические реакции, возбуждение под действием электрических разрядов и другие. Например, возбуждение газа электронным пучком, позволяет не только визуализировать поток, но и измерять практически все газодинамические параметры. Использование электронного пучка особенно эффективно при исследовании разреженных потоков и иногда является единственно возможным методом исследования структуры гиперзвуковых течений.
5. Методы, основанные на применении оптических датчиков. В некоторых случаях, в частности для регистрации параметров на обтекаемой поверхности, используются датчики, оптические свойства которых зависят от регистрируемого параметра. К ним относятся различные термоиндикаторные покрытия (термоиндикаторные краски, индикаторы плавления, жидкокристаллические покрытия), датчики регистрации тепловых потоков, бароиндикаторные покрытия. При регистрации поверхностного трения датчиком является тонкая масляная пленка, нанесенная на поверхность модели. Все эти методы требуют соответствующей обработки поверхности и, как правило, внешнего по отношению к рабочей области датчика источника излучения.
 

 
Все оптические методы можно разделить на локальные и панорамные. Локальные методы позволяют получать информацию в отдельной точке (локальной области) потока. Зачастую они существенно проще в реализации и обладают более высокой точностью. Для получения информации о пространственном распределении параметра необходимо проводить сканирование интересующей области потока, что существенно увеличивает время эксперимента, а соответственно и его стоимость. Кроме того, в некоторых случаях, особенно при исследовании нестационарных, импульсных и быстропротекающих процессов, использование данного подхода сталкивается с существенными трудностями, а иногда и вовсе неприемлемо.
Альтернативой являются панорамные методы. При этом экспериментальные данные фиксируются в виде отдельных изображений или их серии, что позволяет регистрировать (визуализировать) значение параметра в каждой точке изображения. В публикациях, посвященных панорамным оптическим методам и их применению в аэрофизическом эксперименте, довольно часто используются такие термины, как качественные методы, или методы визуализации, и количественные методы. Количественные методы предназначены для получения численного значения регистрируемого параметра. Качественные − позволяют визуализировать структуру потока. При этом яркость изображения исследуемой области зависит от регистрируемого параметра. Данная зависимость может быть нелинейной и даже неоднозначной. Однако подобные изображения позволяют определить положение характерных особенностей потока, таких как скачки уплотнения, вихри, области перехода ламинарного пограничного слоя в турбулентный и др.
Разделение методов на качественные и количественные достаточно условно и относится в основном к вопросам терминологии. Во-первых, информация о геометрии потока (угол отклонения скачка уплотнения, толщина пограничного слоя, положение центра вихря и т. п.) сама по себе является количественной, а во-вторых, довольно часто значения геометрических величин используются для верификации теоретических исследований и численных расчетов. Очевидно, что говорить о результатах, используемых для верификации теоретических исследований, как о качественных, несколько некорректно.
Кроме того, информация об общей структуре потока сама по себе является очень важной, особенно на начальной стадии исследований сложных пространственных течений. Она позволяет выявить характерные особенности и наиболее важные области потока для дальнейших более подробных количественных исследований.

 

26.06.2017