Способ исследования скоростей в трехмерном потоке жидкости или газа Советский патент 1984 года по МПК G01P5/20 

Изобретение относится к измерител ной технике и может быть использовано в экспериментальной гидрогазодина мике для исследований скоростных характеристик турбулентности трехмерно го потока светопоглощающих жидкостей или газов. Известен способ анало ичного назначения, реализуемый ь устройстве для определения характеристик турбулентности трехмерного потока жидкости, согласно которому исследуемый поток с частицами освещают плоским лучом света, перемещаемым в плоскости фоторегистрации, что позволяет за определенную временную реализацию определить третью координату скорости движения частиц, принимаемую за скорость движения потока l . Недостатком данного способа является необходимость исследований скоростей в различньк сечениях потока в различные моменты времени, что ограничивает область применения способа случаями сравнительно низкоскоростных течений. Известен способ, согласно котором в исследуемый поток вводят сферические, светорассеивающие частицы нулевой плавучести, облучают их в исследуемой области ортогонально направлению потока пучком света, фоторегис рируют движущиеся частицы в плоскост ортогональной направлению потока и пучка света позиционно-чувствительны фотоприемником и измеряют оптические и геометрические характеристики полу ченных при фоторегистрации треков частиц, по которым определяют соответственно координаты и скорости час тиц в исследуемом потоке. Пучок света представляет собой на бор плоских пучков различного спектрального состава. Полученный цветовой сендвич позволяет исследовать поля скоростей одновременно в различных сечениях потока. Фоторегистрацию при этом проводят на цветную фотоплен ку 21. Недостатком известного способа является сложность его практической реализации, связанная с необходимость применения «ысокоинтенсивных источник полихроматического света и цветных фо топленок. Цель изобретения - упрощение практической реализации способа. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу исследования скоростей в трехмерном потоке жидкости или газа, предусматривающему введение в поток сферических светорассеивающих частиц нулевой плавучести, облучение их в исследуемой области ортогонально направлению потока пучком света,, фоторегистрацию движущихся частиц в плоскости, ортогональной направлениям потока и пучка света, позиционно-чувствительным фотоприемником и измерение оптических и геометрических характеристик полученных при фоторегистрации треков частиц, по которым определяют соответственно координаты и скорости частиц в исследуемом потоке, поток облучают однородным по сечению пучком света, спектральный состав которого задают из условия его частичного поглощения потоком, измеряют светораспределение в треках, по которому судят о координате частиц ортогональной плоскости фоторегистрации. В основе способа лежит то, что исследуемые жидкости и газы в гидрогазодинамическом эксперименте в большей или меньшей степени поглощают свет (по крайней мере, всегда можно найти частотный диапазон светового излучения, поглощаемого исследуемой средой). Поэтому интенсивность света, -рассеянного от частиц в различных сечениях потока в направлении фоторегистрации, будет различной и определяется законом Бугера, что приводит к тому, что светораспределение в треках частиц, расположенных в различных сечениях потока, также различное и зависит от координаты ортогональной плоскости фоторегистрации. На фиг.1 представлена схема устройства для реализации предлагаемого способа; на фиг. 2 и 3 - диаграммы, поясняющие работу устройства. Устройство (фиг.1) содержит трубчатую импульсную газоразрядную лампу 1, расположенную в фокусе цилиндрической линзы 2. Последняя формирует однородный по сечению пучок света. Направляемый висследуемую область потока 3 со сферическими светорассеивающими частицами нейтральной плавучести (не показаны). Ортогонально направлению потока и пучка света установ.иен позиционно-чувствительный фотоприемник с проекционной оптической системой, выполненный, например, в виде фотокамеры 4 и фоточувствительный материал (фотопленка) 5, ко3110торым перекрыт светофильтр 6. Пропус кание излучения последнего изменяетс по координате Y по закону чтоб чувствительность фотоприемника 4 по координате Y удовлетворяла закону Бу гера. (Здесь fj.- коэффициент поглоще ния света; М - масштаб изображения), Устройство работает следующим образом. Подают на лампу 1 импульс дозированной энергии от накопительной системы (не показана). Лампа 1 вспыхивает на известное время, освещая поток 3 светом с равномерным по сечени пучка интенсивностью о В силу поглощения света жидкостью интенсивность последнего вдоль координаты Y будет убывать согласно зако ну Бугера. График этой зависимости представлен кривой 7 на фиг.2. Движущиеся в потоке 3 сферические частицы рассеивают свет, которьй регистрируется в плоскости фоторегистрации YZ.B силу движения частиц их изображение на фотопленке 5 представ ляется в виде треков, длина которых определяется величиной скорости частиц. Оптическая плотность треков в режиме нормальных почернений фотопленки зависит от величины скорости и интенсивности светорассеяния частиц Dy. Последняя величина, в свою очередь, зависит от координаты X (направления фоторегистрации) и опре деляется также законом Бугера. По скольку в плоскости фоторегистрации светофильтр с характеристикой пропускания обратной закону Бугера и иллюстрируемой кривой 8 на фиг.2, то логарифм плотности почернения фотопленки (1)не зависит, от координаты Y, а определяется лишь координатой X и величиной скорости частицы V. Характерные кривые 9-13 этих зависимостей представлены на фиг.З. Таким образом, по фотонегативу, измерив длину трека по известной дли тельности световой вспышки, определяют скорость потока в данной точке, предположив, что скорости движения частиц и потока равны. Координаты частицы Y и Z нетрудно определить также по фотонегативу. Координату X, ортогональную направлению фоторегистрации, можно определить, зная коэффициенты светопоглощения и светорассеяния по плотности почернения фотопленки, г.бсолютным способом без градуировки. Однако на практике значения этих коэффициентов, как правило, неизвестны и поэтому координата X определяется по градуировочным кривым 9-13 (фиг.З). Градуировка проводится методом тонкого светового пучка, устанавливаемого в различных сечениях потока по координате X в той же самой жидкости, с теми же частицами и с той же геометрией эксперимента. Если в качестве фоторегистратора движения частиц применять фотоаппарат, то предлагаемым способом возможно измерение трех координат частиц Х,Чи 2 и двух компонент скорости V и V. Для большинства практических применений этого бывает достаточно. При необходимости измерения третьей компоненты V необходима кинорегистрация движения частиц. При этом скорость в направлении фоторегистра1Д1и измеряется по скорости изменения светораспределения трека движущейся в направлении X частицы, что возможно сделать при сравнении двух соседних кинонегативов кинопленки. Применение фотоэлектронной регистрации (электронно-лучевых трубок) позволяет определить скорость смещения частиц в направлении X в реальном масштабе времени. По сравнению с известным предлагаемый способ позволяет упростить практическую реализацию из-за отсутствия высокоинтенсивных полихроматических источников света и цветной фоторегистрации.

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ СКОРОСТЕЙ В ТРЕХМЕРНОМ ПОТОКЕ Ж1-ЩКОСТИ ИЛИ ГАЗА, предусматривающий введение в поток сферических светорассеивающих частиц нулевой плавучести, облучение их в исследуемой области ортогонально направлению потока пучком света, фоторегистрацию движущихся частиц в плоскости, ортогональной направлениям потока и пучка света, позиционно-чувствительным фотоприемником и измерение оптических и геометрических характеристик полученных при фоторегистрации треков частиц, по которым определяют соответственно координаты и скорости частиц в исследуемом потоке, отличающийся тем, что, с целью упрощения практической реализации способа, поток облучают однородным по сечению пучком света, спектральный состав которого задают из условия его частичного поглощенгя потоком, измеряют светораспределение в треках, по которому судят о координате частиц (Л ортогональной плоскости фоторегистрации . ел СХ)