Введение к работе
Актуальность темы. Развитие оптико-электронных приборов и комплексов для измерений кинематических и структурных параметров конденсированных сред актуально как для научных исследований, так и для высоких промышленных технологий. Многие проблемы поддаются решению только при разработке специальных, оптимизированных средств измерений и невозмущающего контроля.
Нестационарность кинематичеких характеристик присуща подавляющему большинству течений в природе и технических устройствах. Проблема изучения нестационарного движения является одной из центральных для гидро- и аэродинамики, метеорологии, энергетики и т.д. Сложность нестационарного движения, трудности, связанные с его математическим описанием и моделированием, обусловливают особую важность развития экспериментальных методов исследований.
Измерительные технологии, основанные на методах лазерной доплеровскои анемометрии (ЛДА), наиболее эффективны при измерениях кинематики нестационарного движения конденсированных сред. В числе их преимуществ: высокое пространственное и временное разрешение, отсутствие механических возмущений исследуемой среды, возможность формирования зондирующего светового поля с заданной геометрией и широкий диапазон измеряемых скоростей.
Исследования нестационарных потоков требуют комплексного подхода, включающего визуализацию и измерение скорости методами ЛДА. На практике, измеряя скорость нестационарного движения, динамику явления можно анализировать только по конкретным реализациям процесса. Это накладывает ограничения на возможность исследования нестационарного движения на различных временных масштабах. В ряде сложных явлений (закрученные потоки, импульсное знакопеременное движение светорассеивающич поверхностей и т.д.) исследование нестационарного движения с использованием стандартных методов обработки доплеровского сигнала либо очень сложно, либо практически невозможно.
Исследование нестационарного движения конденсированных сред связано с необходимостью создания и применения автоматизированной лазерной доплеровскои измерительной системы, позволяющей выполнять оценку пространственно-временного масштаба кинематических параметров и обес-
печивающей адаптацию алгоритмов обработки доплеровского сигнала к динамическим свойствам исследуемой среды. В подобной системе применение ЭВМ актуально не только для сбора и обработки экспериментальных данных, но и для управления различными процессами в ходе эксперимента. К этим процессам, в первую очередь, относятся управление параметрами источников и приемников лазерного излучения, автоматическое позиционирование локальной области измерения, что позволяет значительно сократить длительность экспериментов при исследовании кинематических и структурных характеристик сложных физических явлений.
Цель диссертационной работы:
-
Разработка и реализация методов и устройств автоматического управления функциональными узлами лазерных доплеровских измерительных систем, расширение функциональных возможностей ЛДИС на измерение скорости нестационарного движения поверхностей и потоков.
-
Разработка и практическое применение лазерного измерительного комплекса для исследования нестационарных закрученных потоков.
-
Разработка и применение доплеровского сигнального процессора следящего типа в лазерной измерительной системе, предназначенной для исследования кинематики знакопеременного импульсного движения светорассеивающих поверхностей.
Научная новизна диссертации:
-
Предложен и обоснован метод комплексной лазерной диагностики, включающий доплеровскую анемометрию и визуализацию, обеспечивающий измерение кинематических параметров реакции исследуемой среды на управляемое внешнее воздействие, оценку и выбор пространственно-временных масштабов, необходимых для адаптивной обработ -ки сигналов, и пространственное позиционирование зондирующего поля.
-
Выполнены исследования кинематической структуры нестационарного закрученного потока в закрытом прямоугольном контейнере. Впервые обнаружено явление низкочастотной прецессии вихревого ядра и спиральный механизм его распада. Установлено, что значение первого низкочастотного пика спектральной плотности осевой и тангенциальной компонент вектора скорости пропорционально угловой скорости внешнего циклического возмущения.
3. Впервые выполнены бесконтактные измерения кинематических характеристик (скорости, ускорения и перемещения) гидропневматического молота М10К с применением методов лазерной доплеровской анемометрии. Получена динамическая картина движения молота, проведен сравнительный анализ для различных режимов работы.
В работе использованы методы фотометрии, цифровой обработки сигналов, численного моделирования, а также экспериментальные методы исследования кинематики нестационарного движения светорассеивающих поверхностей и потоков. Теоретические оценки получены с применением методов волновой оптики и статистической радиотехники.
Достоверность результатов подтверждается созданием на основе разработанных функциональных модулей завершенных действующих макетов измерительных систем, результатами испытаний и измерений, анализом погрешностей, сопоставлением экспериментальных данных, полученных различными методами измерений.
Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе полученных результатов и выводов разработаны и реализованы функциональные узлы измерительных систем. Созданы действующие макеты и стенды. Разработанные измерительные системы применяются в исследованиях гидродинамики низкоскоростных закрученных потоков и импульсного знакопеременного движения светорассеивающих поверхностей. Сфера применения может быть расширена на другие области научного эксперимента и промышленного производства.
На защиту выносятся:
-
Расширение функциональных возможностей лазерной доплеровской измерительной системы и системы стабилизации кинематических режимов гидродинамического стенда для исследования низкоскоростных закрученных потоков.
-
Экспериментальные результаты по исследованию низкоскоростных нестационарных закрученных потоков.
-
Методы контроля точностных характеристик и результаты испытаний доплеровского процессора следящего типа лазерного анемометра для
измерения импульсных знакопеременных скоростей светорассеиваю-щих поверхностей. 4. Экспериментальные результаты измерения кинематических характеристик гидропневматического молота Ml ОК.
Личный вклад автора заключается в разработке функциональных модулей и интерфейсов лазерных доплеровских измерительных систем, предназначенных для измерения скорости нестационарного движения свето-рассеивающих поверхностей и потоков. Автором выполнены экспериментальные исследования, отраженные в диссертации, обработка и анализ результатов исследований.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и представлялись на: 4-ой межгосударственной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1997 г.), международной научно-методической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1998 г.), 5-ой международной конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, 1998 г.), международной научно-практической конференции «Новые информационные технологии в университетском образовании» (Новосибирск, 1999 г.), 5-ой международной научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1999 г.), 6-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Актуальные вопросы теплофизики и физической гидродинамики» (Новосибирск, 2000 г.), 8th International Conference on «Laser Anemometry Advances and Application» (Roma, Italy, 1999), 9lh (Millennium) International Symposium on Flow Visualization (UK, Edinburgh, 2000), а также на научных семинарах ИТ СО РАН.
Публикации. По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 18 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения. Содержит 149 страниц, 4 таблицы и 47 рисунков. Список цитируемой литературы включает 152 наименования.
