СПОСОБ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ ГАЗА ИЛИ ЖИДКОСТИ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2007 года по МПК G01P5/20 G01M9/06 

Изобретение относится к области экспериментальной аэро- и гидродинамики, в частности к оптическим способам исследований структуры потока газа или жидкости на поверхности объектов. Визуализация поверхностных течений позволяет определять предельные линии тока, наличие и формы областей отрыва пограничного слоя, скачков уплотнения, положение линии перехода пограничного слоя, а также получать представление о распределении напряжения трения.

Известен и широко применяется в мире для визуализации поверхностных течений метод жидкой пленки ("Авиация: Энциклопедия", М., Большая Российская Энциклопедия, 1994, с.137). В данном методе визуализирующая жидкость равномерно наносится на поверхность исследуемой модели перед опытом. Под действием внешнего потока слой жидкости утолщается у линии отрыва пограничного слоя и утончается у линии присоединения потока. Добавление в жидкость твердой примеси позволяет визуализировать предельные линии тока. Одной из модификаций классического метода жидкой пленки является способ визуализации течения жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта незастывающей масляной краски, нанесения на поверхность краски частиц сухого красителя, растворимого в краске, и помещения исследуемого объекта в поток (Watson Hugh M.L., "Method of fluid flow visualization", US4915975, 1988). Под действием внешнего потока частицы красителя начинают двигаться по поверхности объекта, покрытого краской, растворяясь в краске и оставляя следы и, таким образом, визуализируя предельные линии тока. Картина поверхностного течения в классических методах фиксируется жидкой пленкой и анализируется после окончания эксперимента, что позволяет применять эти методы для исследования как неподвижных, так и подвижных объектов.

Недостатком известных классических методов жидкой пленки является их одноразовость; то есть одна подготовка исследуемого объекта позволяет осуществить визуализацию поверхностного течения только для одного режима обтекания. Картина предельных линий тока, полученная в потоке, не может быть устранена иначе, чем смыванием визуализирующего слоя и повторной подготовкой исследуемого объекта к исследованию другого режима обтекания. Недостатком является также необходимость достаточно большого времени удержания режима потока для визуализации картины обтекания, много большего времени выхода на режим для того, чтобы уменьшить вклад нерасчетного режима в итоговую картину обтекания. Указанные недостатки приводят к высоким затратам времени, сил и средств, необходимых для проведения полного цикла исследований одного объекта.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ визуализации течения газа или жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, введения на поверхность или в толщу вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещения объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определения параметров движения твердых частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановления из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта (В.Е.Мошаров, А.А.Орлов, В.Н.Радченко, "Использование корреляции в методе визуализации поверхностных течений масляной пленкой", труды конференции "Оптические методы исследования потоков" (ОМИП), Москва, 2005). Так как твердые частицы не растворяются в вязкой жидкости, они не оставляют треков, а перемещаются вместе с вязкой жидкостью под действием внешнего потока, не меняя своего состояния. В связи с тем, что картина течения газа или жидкости на поверхности объекта восстанавливается из анализа последовательности изображений распределения частиц на поверхности объекта при интересующем режиме и на поверхности объекта не появляется остаточной картины поверхностного течения, объект может быть повторно использован без дополнительной подготовки для исследования другого режима обтекания.

Недостатком данного способа является невозможность его применения для исследования подвижных объектов ввиду того, что определяются параметры суммарного движения частиц, обусловленного как движением слоя вязкой жидкости на поверхности исследуемого объекта, так и самого объекта как целого.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение применимости способа визуализации течения газа или жидкости на поверхности для исследования подвижных объектов за счет определения и компенсации движения объекта как целого.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта, заключающемся в нанесении на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, введении на поверхность или в толщу вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещении объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определении параметров движения твердых частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановлении из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, дополнительно на исследуемую поверхность подвижного объекта перед нанесением слоя вязкой жидкости наносят ансамбль (ряд) жестко связанных с данной поверхностью маркеров, оптически отличимых от твердых частиц, введенных в вязкую жидкость, например, по размеру, форме, цвету и т.п., регистрируют изображения данного ансамбля (ряда) маркеров одновременно с регистрацией изображений распределения твердых частиц, помещенных в вязкую жидкость, на тех же либо на отдельных кадрах, определяют параметры движения объекта как целого путем анализа зарегистрированной последовательности изображений маркеров, компенсируют параметры движения твердых частиц в слое вязкой жидкости на движение объекта как целого и восстанавливают из полученных скомпенсированных параметров движения частиц картину течения газа или жидкости на поверхности подвижного объекта.

Компенсация движения твердых частиц на движение объекта как целого позволяет выделить параметры движения твердых частиц, обусловленного только движением вязкой жидкости по поверхности исследуемого объекта, и, таким образом, восстановить картину течения на поверхности подвижного объекта.

На фиг.1 приведено изображение модели крыла в воздушном потоке с нанесенными на ее поверхность маркерами и слоем масла, содержащего оптически контрастные частицы.

На фиг.2 приведена картина предельных линий тока на поверхности крыла, восстановленная из двух последовательных изображений распределения частиц без компенсации смещения модели как целого.

На фиг.3 приведена картина предельных линий тока на поверхности крыла, восстановленная из двух последовательных изображений распределения частиц с компенсацией смещения модели как целого.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере визуализации течения на верхней поверхности модели прямоугольного крыла, помещенного в воздушный поток (фиг.1). Для реализации способа на поверхность прямоугольного крыла 1 наносится ансамбль оптических маркеров 2, например, из раствора люминофора в прозрачном лаке. Далее на поверхность крыла наносится тонкий слой вязкой жидкости 3, содержащей твердые оптически инородные частицы, например силиконового масла, содержащего частицы кристаллофосфора. Вязкость жидкости выбирается такой, чтобы смещение свободной поверхности слоя под действием внешнего потока за время проведения регистрации серии последовательных изображений на исследуемом режиме обтекания составляло порядка 0.1-1% от размера регистрируемой поверхности (в зависимости от разрешения приемника изображений). Наиболее удобно наносить вязкую жидкость с помощью пульверизатора, предварительно разбавив ее до необходимой вязкости соответствующим растворителем. Толщина слоя вязкой жидкости после высыхания растворителя составляет порядка 20 мкм. Для увеличения контрастности изображения частиц целесообразно использовать частицы кристаллофосфора. Типичный размер частиц кристаллофосфора 3-5 мкм, при этом на поверхности присутствуют как отдельные частицы, так и их конгломераты, образованные на стадии нанесения слоя вязкой жидкости. Количество частиц подбирается таким, чтобы обеспечить их визуальное разделение на регистрируемых изображениях.

После высыхания растворителя модель устанавливают в воздушный поток 4. После установления стабильного режима потока производится регистрация серии последовательных изображений распределения частиц (фиг.1). При использовании частиц кристаллофосфора регистрируют изображение люминесцирующих частиц. Люминесценция частиц возбуждается источником ультрафиолетового света, в частности лампой-вспышкой, снабженной ультрафиолетовым светофильтром. Регистрацию изображений удобно проводить с помощью цифровой ПЗС-камеры и изображения сохранять в цифровом виде на компьютере. На регистрируемых изображениях одновременно фиксируются как частицы кристаллофосфора, помещенные в вязкую жидкость, так и люминесцирующие маркеры, жестко связанные с поверхностью исследуемой модели. Частицы кристаллофосфора и маркеры на изображениях разделяются по размеру, для чего маркеры изначально делаются достаточно большими.

Для нахождения параметров движения частиц производится кросскорреляционный анализ двух изображений, снятых в разные моменты времени, при этом из кросскорреляционных функций для малых участков изображения (например, окна 32×32 элемента) находится матрица смещений отдельных элементов изображения. Каждый элемент этой матрицы представляет собой смещение соответствующего элемента изображения за время между экспозициями, при этом величина смещения пропорциональна напряжению трения в соответствующей точке поверхности, а вектор направления смещения касателен к предельной линии тока в данной точке. При исследовании поверхностных течений с большим диапазоном напряжения трения целесообразно проводить аналогичную обработку нескольких пар изображений, снятых с разными интервалами времени, с целью более точного определения параметров движения частиц в различных областях исследуемой поверхности.

Анализ получаемой матрицы смещений позволяет восстановить картину движения частиц, например восстановить траектории движения частиц (фиг.2). Однако получаемая таким образом матрица смещений отражает суммарное движение частиц, образованное как движением слоя вязкой жидкости, так и смещением модели как целого, в частности, обусловленного вибрациями экспериментальной установки при недостаточно жестком креплении модели. Чтобы выделить движение слоя вязкой жидкости, которое и отражает течение на поверхности исследуемого объекта, необходимо определить смещение модели как целого и вычесть его из суммарного движения частиц. Для этого на анализируемых изображениях находятся координаты оптических маркеров (их центров) и методом наименьших квадратов вычисляется функция смещения модели как целого, обеспечивающая наименьшую среднеквадратичную ошибку смещения всего ансамбля маркеров. Далее с помощью полученной функции вычисляются смещения, обусловленные смещением модели как целого, для всех анализируемых участков исследуемой поверхности. Полученные смещения вычитаются из соответствующих суммарных смещений, в результате чего получается матрица смещений, обусловленных исключительно движением слоя вязкой жидкости на поверхности исследуемого объекта. Анализ получаемой таким образом матрицы смещений позволяет восстановить картину поверхностного течения, например восстановить предельные линии тока на верхней поверхности прямоугольного крыла (фиг.3). Устранение вклада смещения модели как целого существенно меняет картину визуализации течения на поверхности крыла, особенно в областях малых напряжений трения, в частности в зонах отрыва. Так, после устранения смещения модели как целого отчетливо визуализируется зона отрыва вблизи задней кромки крыла (фиг.3), которая совершенно не визуализировалось без устранения смещения модели как целого (фиг.2).

Описанный пример иллюстрирует применение предлагаемого способа при регистрации маркеров на одном изображении вместе с твердыми частицами. Для упрощения формализации процедуры обработки изображений маркеры могут быть зарегистрированы на отдельных изображениях (например, отделяя их спектрально с помощью светофильтров) либо на отдельный приемник изображения одновременно с регистрацией изображений распределения твердых частиц, либо с минимальной задержкой на тот же приемник изображений. При этом ансамбль маркеров можно наносить как в виде ограниченного набора достаточно больших маркеров, так и в виде большого количества мелких точек, распределенных случайным образом. В последнем случае для нахождения функции смещения объекта как целого целесообразно проводить анализ последовательности изображений распределения маркеров аналогично анализу последовательности изображений распределения твердых частиц, а не находить координаты маркеров непосредственно.

Описанный пример иллюстрирует применение предлагаемого способа для визуализации течения газа на поверхности объекта. С равным успехом данный способ может быть применен и для визуализации поверхностных течений жидкости при условии, что вязкая жидкость, наносимая на исследуемую поверхность, не растворяется в жидкости внешнего потока.

Благодаря тому что частицы выбираются твердыми и нерастворимыми в вязкой жидкости, они не оставляют треков на исследуемой поверхности. Кроме того, для нахождения матрицы смещений достаточно относительно малых смещений частиц, а значит, и слоя вязкой жидкости. Таким образом, состояние слоя вязкой жидкости с твердыми частицами изменяется несущественно за время исследования одного режима обтекания, и этот слой может быть использован для исследования следующего режима обтекания без необходимости остановки потока и повторной подготовки исследуемой поверхности. Кроме того, так как картина течения восстанавливается из анализа ряда изображений, снятых на исследуемом режиме течения, исключается влияние нерасчетного режима течения (например, во время запуска установки и установления режима течения) на конечный результат, что позволяет сократить время проведения исследования одного режима течения по сравнению с классическими методами визуализации. Указанные преимущества предложенного способа позволяют существенно сократить затраты сил, средств и времени на проведение полного цикла исследований объекта по сравнению с классическими методами визуализации.

В то время как прототип дает искаженную картину течения при наличии смещения объекта во время проведения исследований, предложенный способ позволяет визуализировать течение газа или жидкости на поверхности подвижных объектов.

Изобретение относится к области экспериментальной аэро- и гидродинамики, в частности к оптическим способам исследований структуры потока газа или жидкости на поверхности объектов, и может быть использовано для визуализации течения газа или жидкости на поверхности подвижных объектов. Способ заключается в нанесении на исследуемую поверхность объекта ансамбля жестко связанных с данной поверхностью оптически различимых маркеров. Затем исследуемую поверхность объекта покрывают слоем вязкой жидкости, содержащей оптически инородные, твердые частицы, нерастворимые в вязкой жидкости. Маркеры и твердые частицы должны быть различимы оптически, например, по размеру, форме, цвету и т.п. Под действием внешнего потока частицы перемещаются вместе с вязкой жидкостью, не меняя своего состояния и не оставляя треков. При интересующем режиме потока газа или жидкости регистрируют два или более последовательных изображения распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта и одновременно регистрируют изображения ансамбля маркеров на тех же либо на отдельных кадрах. Анализируя зарегистрированную последовательность изображений, определяют параметры движения твердых частиц. По маркерам дополнительно определяют параметры движения объекта как целого и компенсируют параметры движения твердых частиц на движение объекта как целого, восстанавливая, таким образом, параметры движения вязкой жидкости на поверхности объекта. Из полученных параметров движения вязкой жидкости восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности подвижного объекта. Технический результат заключается в обеспечении применимости способа визуализации для исследования подвижных объектов при сокращении средств и времени на проведение полного цикла исследований объекта. 3 ил.

Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности подвижного объекта путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, введения на поверхность или в толщу вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещения объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определения параметров движения твердых частиц в слое вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановления из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, отличающийся тем, что на исследуемую поверхность подвижного объекта перед нанесением слоя вязкой жидкости наносят ансамбль жестко связанных с данной поверхностью маркеров, оптически отличимых от твердых частиц, введенных в вязкую жидкость, регистрируют изображения данного ансамбля маркеров одновременно с регистрацией изображений распределения твердых частиц, помещенных в вязкую жидкость, на тех же либо на отдельных кадрах, определяют параметры движения объекта как целого путем анализа зарегистрированной последовательности изображений маркеров, компенсируют параметры движения твердых частиц в слое вязкой жидкости на движение объекта как целого и восстанавливают из полученных скомпенсированных параметров движения частиц картину течения газа или жидкости на поверхности подвижного объекта.