Способ определения поля завихренности Советский патент 1989 года по МПК G02F1/03 

Изобретение относится к области изучения физических процессов в жидкости в лабораторных экспериментах.

Целью изобретения является повышение точности и обеспечение определения поля завихренности в реальном масштабе рременн.

На фир,1 и 2 представлены схемы даух устройств, различн|11М образом реализующих данный способу на фиг.З схема, поясняющая работу резонансного усилителя в устройстве, изображенном на фиг.2.

Устройство, изображенное на фиг.1, содержит источник 1 света, оптически связанный через поляризатор 2 с расположенными последовательно расширяющим телескопом 3, кюветой 4 с исследуемой жидкостью, вращателем 5 плоскости поляризации и отражающим зеркалом 6, оптически связанные через поляризатор 2 с кюветой 4 последовательно расположенные расширяющий телескоп 7, объектив В и фотоиндикатор 9.

В качестве источника 1 света можно использовать любой стандартньп осветитель, формирующий на выходе параллельный пучок света, например промышленный газовьй лезер ЛГ-79-1. В качестве поляризатора 2 может быть использована призма Глана или

СП

со

сх

31509807

анизотропный клин с оптической осью,

10

15

20

параллельной или перпендикулярной образующей двугранного угла при вершине Ю1нна.

Для создания завихренности можно про качивать жидкость через неподвижную кювету или вращать герметически закрытую кювету с жидкостью вокруг некоторой оси (например, для цилиндрической кюветы - вокруг продольной оси) .

Расширяющие телескопы 3 и 7 могут отсутствовать, если источник света формирует световой пучок с апертурой, сравнимой с апертурой входного окна кюветы.

В качестве вращателя 5 плоскости поляризации может быть использована ячейка Фарадея.

В качестве фотоиндик 1тора может быть использован экран, фотоаппарат электронно-оптический преобразователь (ЭОП), фотоматрица и т.п.

Для исследования может быть взята практически любая жидкость, прозрачная в использующемся диапазоне длин волн.

Устройство, изображенное на фиг.25 обладает более высокой чувствительностью и содержит последовательно расположенные источник 10 монохроматического света, расширяющий телескоп 11, кювету 12 с исследуемой жидкостью, сужающий телескоп 13, поляризатор-модулятор 14, усилитель 15, оптически связанные элементом 16 связи с последовательно расположенными резонансным усилителем 17, фильтром 18, расширяющим телескопом 19 и ФОТО- JQ ризованного света.

В качестве активной среды резон сного усилителя можно {- пользовать красители, пары щелочных металлов и т.п.

Кювета и фотои щикатор аналогич ны описанным на фиг.1.

Способ определения поля завихре ности заключается в вьщелении в пр шедшем через движущуюся жидкость с те компоненты, пропорциональной за вихренности. Распределение интенси ности света, обусловленное этой ко понентой в плоскости, перпендикуля ной направлению его распространени повторяет распределение завихренно ти жидкости, через которую этот св прошел.

В тензоре диэлектрической прони емости двилсущейся жидкости присутс вует член, пропорциональньй завихренности жидкости

25

|К с+ /1,0

+ i-Ы

ЭУк

, Эх; DV,

+ )

9Хк

)

30

35

индикатором 20, источник 21 монохро- матического света, оптич ески связан- ньй тем же элементом 16 связи с элементами 17,18,19и20.

В качестве источника 10 монохроматического света можно использовать твердотельньш или газовьй лазер,например лазер типа ЛТИПЧ.

В качестве поляризатора-модулятора 14 можно использовать поляризаторы

Эх; ЭХк

Первое слагаемое о - диэлектри ческая проницаемость неподвижной жидкости, второе и третье слагаемы возникают из-за движения жидкости вызывают изменение поляризации про ходящего света (динамооптический эффект), причем второе слагаемое

ч (:г-- + --} пропорционально тен

сг X i Эх

зору деформации жидкости и приводи к эллиптической поляризации проходящего через жидкость линейно поля

а элементы тенз

) ра

i (

avK

третье сла

гаемое, rot v

45

. - ЭУ; Эх; ЭХк

пропорциональны компонента , т,е, компонентам вектора завихренности. Это слагаемое опреде ляет поворот поляризации проходяще го через жидкость линейно поляризо ванного света, характер поляризаци при этом не изменяется.

При падении линейно поляризован-СГ t ilCl,U,C;n-riJ:l Jinns- rinVJ iiWJl l j:ju.l

модуляторы, работагощие на основе эф- света на слой движущейся жидфекта Фарадея.

В качестве усилителя 15 можно ис- пользовать усилитель с активным элементом, подобным используемому в источнике 10.

В качестве элемента 16 связи можно использовать плоскопараллельнуш пластину.

55

кости толщиной L вектор Е амплитуды электрического поля световой волны в прошедшем свете имеет вид

i/l(k L(

Е

Bbll

Ео-ь2 ЕС

л -.,

gk L

5.

rot V

1,

(2)

0

5

0

В качестве активной среды резонансного усилителя можно {- пользовать красители, пары щелочных металлов и т.п.

Кювета и фотои щикатор аналогичны описанным на фиг.1.

Способ определения поля завихренности заключается в вьщелении в прошедшем через движущуюся жидкость свете компоненты, пропорциональной завихренности. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости, через которую этот свет прошел.

В тензоре диэлектрической проницаемости двилсущейся жидкости присутствует член, пропорциональньй завихренности жидкости

Q ризованного света.

5

|К с+ /1,0

+ i-Ы

ЭУк

, Эх; DV,

+ )

9Хк

)

0

5

Эх; ЭХк

Первое слагаемое о - диэлектрическая проницаемость неподвижной жидкости, второе и третье слагаемые возникают из-за движения жидкости и вызывают изменение поляризации проходящего света (динамооптический эффект), причем второе слагаемое

ч (:г-- + --} пропорционально тенсг X i Эх

зору деформации жидкости и приводит к эллиптической поляризации проходящего через жидкость линейно поля-

а элементы тензо) ра

i (

avK

третье слагаемое, rot v

5

. - ЭУ; Эх; ЭХк

пропорциональны компонентам , т,е, компонентам вектора завихренности. Это слагаемое определяет поворот поляризации проходящего через жидкость линейно поляризованного света, характер поляризации при этом не изменяется.

При падении линейно поляризованГ t ilCl,U,C;n-riJ:l Jinns- rinVJ iiWJl l j:ju.l

света на слой движущейся жид5

кости толщиной L вектор Е амплитуды электрического поля световой волны в прошедшем свете имеет вид

i/l(k L(

Е

Bbll

Ео-ь2 ЕС

л -.,

5.

rot V

1,

(2)

где Ее,

k л Gf

тензор

вектор амплитуды падающей на среду волны; волновое число;

(ЭУц + 9vi ч. xi Эх/ Я, -2- коэсйициенты. При выборе оси Z по направлени распространения света, оси х - по направлению поляризации падающего света в прошедшем через движущуюся жидкость света наряду с компонентой света

Си

(Ьх ),

, поляризованной вдоль оси х появляется компонента света

с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего света, т.е. по(). Эта

ляризованная вдоль оси у

в первом приближе„ бЬИ

компонента Е (

состоит из двух слагаемых, одно оторых пропорционально деформасреды, а другое - завихренности.

/Ilk L

. 6Ы

EI

р1 Е,, ЭУх

8у

+ 1) Эх

J

(3)

где Л - осевая компонента (z-компо- нента) вектора завихренности, Ji (rot v)ij . Первое слагаемое в этом выражении, пропорциональное дефор- 4ации, имеет фазу, перпендикулярную фазе компоненты Е , т.е. колеблет„бьч. ся в квадратуре с полем волны Е ,

а второе слагаемое, пропорциональное завихренности, имеет фазу, совпадаювЫ1

с фазой компоненты Е , т.е. , выт

щую

синфазно с Е ,

Таким образом, в прошедшем через движущуюся жидкость эллиптически по- 45 ляризованном свете присутствует пропорциональная завихренности жидкости компонента с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего линейно поляризованного света, и фазой, 50 синфазна с , а компонента поля Е,

циональна завихренности ж едкости. Эту пропорциональную завихренности жидкости компоненту можно отделить от компоненты Е J пропусканием све через поляризатор. Распределение ин тенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, пер- пендикулярной направлен1Ж1 его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости через ко торую этот свет прошел. Визуализаци поля завихренности можно осуществит по картине распределения интенсивности света, обусловленного этой ко понентой, на фотоиндикаторе, установленном в плоскости, перпендикулярной направлению его распростране ния . Измерение поля завихренности осуществляется фотометрированием этой картины.

Работа устройства, представленного на фиг.2, также основана на то

что когшонента поля Е,

в формуле

(3), пропорциональна завихренности.

, I

10

5098076

в формуле (3), взаимно, а поворот i поляризац1ш, обусловленный завихренностью среды (второе слагаемое в g формуле (3J), невзаимен (.фарадеевс- кого типа. Поэтому, если после прохождения ;шнейно поляризованного света через движущуюся жидкость в прямом направлении пропустить свет через жидкость в обратном направлении по тому же пути, развернув предварительно его поляризац 1ю на 90, то изменение поляризации, обусловленное деформацией среды, скомпенсируется, а поворот поляриз.ации, обусловлен- ньпЧ завихренностью жидкости, удвоится.

Следовательно, в дважды прошедшем (вперед и назад) через движущуюся жидкость св.ете наряду с компонентой света, поляризованной вдоль оси х

15

20

х„6Ы1 ч

(,Ь , ), будет присутствовать только та KONmoHeHTa света, поляризованная

25 вдоль оси у

(кГ),

которая пропор

синфазна с , а компонента поля Е,

циональна завихренности ж едкости. Эту пропорциональную завихренности жидкости компоненту можно отделить от компоненты Е J пропусканием света через поляризатор. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, пер- пендикулярной направлен1Ж1 его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости через которую этот свет прошел. Визуализацию поля завихренности можно осуществить по картине распределения интенсивности света, обусловленного этой компонентой, на фотоиндикаторе, установленном в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения . Измерение поля завихренности осуществляется фотометрированием этой картины.

Работа устройства, представленного на фиг.2, также основана на том.

синфазна с , а компонента поля Е,

что когшонента поля Е,

в формуле

синфазна с , а компонента поля Е,

(3), пропорциональна завихренности.

, I

Изобретение предназначено для изучения физических процессов в жидкости в лабораторных условиях. Цель изобретения - обеспечение возможности определения поля завихренности в реальном масштабе времени с высокой точностью. Способ заключается в том, что через жидкость пропускают линейно поляризованный свет. Затем в прошедшем через жидкость свете выделяют компоненту с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на жидкость света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света. Выделенную компоненту света используют для визуализации поля завихренности, а по распределению интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, измеряют поле завихренности. 3 ил.

совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией параллельной поляризации падающего света.

В основу работы устройства для реализации способаj приведенного на фиг.1, положено то свойство, что изменение пслярнзащда,.обусловленное деформацией среды {.первое слагаемое

55

пропорциональная деформаздии, колеблется в квадратуре с полем волны

„ выч

(

Формируемый источником монохроматический линейно поляризованньм вдоль оси X свет частоты , проходя через кювету с исследуемой жидкостью, при

15

обретает на выходе из кюветы эллиптическую поляризацию, причем возникающая деформация жидкости приводит к возникновению эллиптичности прошедшего света, а возникающая завихренность приводит к повороту большой оси эллипса относительно оси х, оставляя характер поляризации неизкенным. Для того, чтобы вьщелить компоненту света, пропорциональную завихренности, свет сначала пропускается через поляризатор-модулятор 14, в котором угол 8 наклона поляризаш и прошедшего через него -света к оси у модулируется с частотой Д , выбираемой

с (t - время релаксации населенности активной среды усилителя . 17) и , При этом целесообразно выбрать амплитуду модуляции этого угла такой, чтобы на выходе поляризатора- модулятора . 14 компоненты света

, вых

sin 0, (Е ч +

Е5

COS

были

J уЬ O-it у Ч-LJ ч

одного порядка (амплитуда Е света на выходе поляризатора-модулятора 14 равна сумме этих компонент - закон Малюса) .

Этот линейно поляризованный и мо дулированньй с частотой Л свет используется в качестве подсветки в резонансном усилителе 17, в который одновременно направляется свет час- .тоты a7iiWo (фиг.З) от источника 21. В результате на выходе усилителя 17 поле содержит член, пропорциональ- ньш Е I CWf), где Е ( - усиливаемое в нем поле частоты с«Э( .

В силу того, что угол 0. модулируется во времени с частотой-и : Wo j подсветка содержит различные гармоники низкой частоты А , а поле на

50

выходе усилителя 17 среди прочих име- метрирования распределения интенсивет гармонику ОР. + А , амплитуда ко- ности света.

Способ осуществляют следующим образом.

В начальньш момент времени кювета 4 находится в покое. Включают лазер 1 и осуществляют калибровку всей системы. Она заключается в следующем. Сформированньш источником 1 параллельньй пучок света направляют на поляризатор 2 - призму Глана. Поскольку лазер 1 формирует линейно поляризованное излучение, то поляризатор 2 настраивают на максимальное пропускание падающего на него света.

торой пропорциональна Е Е( ,

т„е. пропорциональна завихренности.

Выделение этой гармоники можно осуществить с помощью фильтра 18, который, однако, целесообразно конструктивно объединить с усилителем 17, собрав последний по регенеративной схеме с одномодовым резонатором на частоте 05, + Л , при этом лучше использовать такую активную среду, у которой один из уровней расщеплен с частотой расщепления, равной /V i 55

8

0

5

0

5

0

5

0

Пример. Способ осуществляют на установке, собранной по схеме,, приведенной на фиг.1. В качестве источника 1 света используют газовьй лазер ЛГ-79-1. Поляризатор 2 вьшол- някут в виде призмы Глана. Поле завихренности создают в цилиндрической кювете 4, заполненной дистиллированной водой. Длина кюветы d 300 мм. Окна кюветы диаметром 100 мм изготовляют из оптического стекла К-8 и укрепляют через резиновые прокладки накидными гайками. В кювете выполняют отверстие, закрывающееся завинчивающейся пробкой, для заливки кюветы лшдкостью. Кювета 4 вращается на двух шариковых подшипниках, внутренние обоймы которых запрессованы в тело кюветы, а внешние запрессованы в опоры, закрепленные на массивном основании. Вращение кюветы 4 осуществляют от трехфазного электродвигателя мощностью 600 Вт с помощью ременной передачи. Шкив на кювете 4 располагают на середине ее длины и выполняют как 1:1, 1:1/2, 1:1/4 соответственно. Электродвигатель, через резиновую прокладку укрепляют на том же основании, что и кювету. Система содержит устройство регулировки натяжения приводного ремня. Скорость враще}1ия кюветы может регулироваться от нуля до 3600 об/мин.

В качестве зеркала 6 использую диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения на Л 63 мкм 1 99%, диаметром 100 мм.

В качестве невзаимного.элемен: используют ромб Френеля.

В качестве фотоиндикатора 9 используют экран, изображение с которого, снимают на фотопленку для фото-

9150

Линейно поляризованное излучение, получаемое на выходе поляризатора 2, через расширяющий телескоп 3 направляют в кювету 4 с исследуемой Ж1щ- костью. С вькода кюветы 4 световой пучок направляют на вращатель 5 плоскости поляризации, которьй поворачивает поляризацию на .

Затем световой пучок направляют на отражающее зеркало 6. Отраженньй зеркалом 6 световой пучок вновь проходит через вращатель плоскости поляризации и испытывает поворот плоскости поляризации еще на 1Г/4.Далее пучок последовательно пропускают через кювету. 4 и телескоп 3 в обратном направлении и направляют на поляризацию 2. При этом на экране 9, установленном за расширяющими телескопом 7 и объективом 8, должно быть темное поле, поскольку вследствие взаимности на обратном проходе светового пучка через систему происходит компенсация поворота поляризации, обуслов- ленного случайной анизотропией оптических элементов.

10

Затем проводят кювету во вращение до скорости 3600 об/мин и на экране 9 наблюдают поле завихренности, а фо- тометрированием распределения интенсивности светового поля на экране измеряют поле завихренности.

Формула изобретения

Способ определения поля завихренности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения измерения поля завихренности в реальном масщтабе времени через жидкость пропускают линейно поляризованный свет, в прошедшем через жидкость света вьделяют пространственное амплитудное распределение компоненты с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на среду света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света, и по распределению амплитуд вьщеленнрй компоненты судят о поле завихренности.

ФиеЛ

fi)

11

ff

/

ti

Фие.г

Фиа.