Установка для изучения гидродинамических течений методом голографической интерферометрии Советский патент 1992 года по МПК G01B9/02 

Изобретение может быть использовано при создании тепломассообменных и сепарирующих устройств.

Целью изобретения является увеличение чувствительности исследования гидродинамических пристенных и струйных течений низкоскоростных потоков.

На чертеже показан общий вид установки.

Установка состоит из лазера 1 (оптического квантового генератора), системы линз 3.8, 9,19, зеркал 2,4,6,7,светоделительной пластины 5, аэродинамического рабочего участка 10. включающего обтекаемую преграду 11 (в случае канала и стенки 12) с рубашками подачи охлаждаемого до температуры окружающей среды теплоносителя (подвод и отвод теплоносителя указан стрелками); патрубка раздачи газа 14 с охлаждаемой рубашкой 15; подогревателя газа 16, нагнетателя 17 (на схеме средства

регулирования и контроля температуру не показаны); голограммы 18 (фотопластины); экрана 20, на который проектируется изображение; фотокамеры 21, Обтекаемая газом преграда 11 образует рабочий объем аэродинамического участка, который располагается в области фотослоя фотопластинки 18. Лазер 1, светоделительная пластина 5, канал формирования опорного пучка (через линзу 3), канал формирования предметного пучка (от зеркала 7 и линз 8, 9) оптически связаны между собой. Аэродинамический рабочий участок 10 размещен в канале формирования предметного пучка. Преграда 13 установлена параллельно оптической оси к выходной плоскости патрубка раздачи газа и на расстоянии от нее, образуя рабочий объем аэродинамического участка. На пересечении осей каналов предметного и опорного пучков находится регистрирующая среда - голограмма 18. За регистрируV|00

со ю ч ю

ющей средой установлен блок регистрации интерферограммы, состоящий из линзы 19, экрана 20 и фотокамеры 21, Синхронизатор пуска электродвигателя кинокамеры соединен с патрубком раздачи газа.

Исследование газовых потоков методом голографической интерферометрии основано на изучении распределения плотности газа р, которая определяет его показатель преломления п и связана с ним соотношением

гл

dT -RT2 I

где Тир- абсолютная температура К, и давление, Па;

М и R - молекулярная масса газа, кг/моль, и универсальная газовая постоянная, Дж/(кмоль К);

К - постоянная Гладстона-Дейла, зависящая от свойств газа.

В газовых потоках при числах Прандтля, близких к единице (Рг « 1), наблюдается аналогия между гидродинамическими и тепловыми процессами, В этом случае по характеристикам теплового слоя можно судить о гидродинамическом. Температурное поле в слое при р const однозначно характеризует распределение плотности газа в нем, что позволяет применять уравнение (1) для изучения голографической интерферометрии.

Установка функционирует следующим образом, луч, генерируемый оптическим квантовым генератором 1 (гелий-неоновый лазер ЛГ-38), при помощи зеркал 2 и б направляется на светоделительную пластинку 5 с коэффициентом отражения 0,5. Проходящий через пластинку луч отражается от зеркала 4 и через короткофокусную линзу 3 формирует опорный пучок. Отраженный от пластинки луч при помощи зеркала 7 и системы линз 8 и 9 создает предметный пучок, который проходит через исследуемую область 10. В этой области установлен рабочий обьем 10 аэродинамического участка. Предметный пучок пересекается с опорным в плоскости фотослоя 18. Результирующее изображение при помощи восстанавливающей линзы 19 проецируется на экран 20. Для регистрации изображения использована скоростная кинокамера 21 приубранном экране или фотоаппарат.

Для получения результирующей интерферограммы применяется метод реального времени, который делится на два этапа. Сначала снимается опорная голограмма без рабочего объема 10. Фотопластинка обрабатывается на месте, а затем отбеливается. На втором этапе в исследуемую область

вводится рабочий обьем 10 и гологрэфиче- ское изображение проецируется на экран.

Рабочий аэродинамический участок состоит из патрубка раздачи газа 14, снабженного охлаждаемой рубашкой 15, плоской преграды-пластины 11, охлаждаемой с помощью трубчатой спирали 13, паро- или электронагревателя 16 и нагнетателя воздуха 17, Пластина 11 располагается перпенди0 кулярно раздатчику 14 и закрепляется на хоординатнике. Горизонтальное расположение пластины, охлаждение ее и раздатчика исключает вертикальные конвективные потоки воздуха. Раздатчик 14 и нагнетатель

5 17 установлены на координатнике и соединены гибким шлангом. Мощность нагревателя 16 и расход воздуха через нагнетатель 17 регулируются при помощи автотрансформаторов. Расход воздуха измеряется по

0 перепаду давлений на входном коллекторе по показаниям микроманометра. Во время работы охлаждающая вода с температурой 15-20° поступает в трубчатую спираль 13 и рубашку 15, что обеспечивает практически

5 одинаковую температуру стенок раздатчика и поверхности пластины, Температура окружающего установку воздуха поддерживается при помощи кондиционера около 20°С. Пластину 11 обтекает струя горячего возду0 ха с температурой 80-100°С, поступающая из раздатчика 14, Измерения температур производятся хромель-Копелевыми термопарами. На поверхности пластины образуется тепловой погранич5 ный слой с различной плотностью по толщине; кроме того, плотность воздуха может меняться вследствие повышения давления. Все элементы оптической схемы закрепляют в держателях, позволяющих по0 ворачивать их в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, и устанавливают на виброзащищенной плите, где также размещен рабочий объем. Скоростная кинокамера позволяет фиксировать развитие

5 основных областей обтекания препятствия во времени при различных скоростях истечения и расстояниях от раздатчика до пластины. Динамика процесса изучается просмотром кинопленки на кинопроекторе,

0 а также по кинограммам.

Применение подогревателя газа со средствами регулировки и контроля температуры и снабжение патрубка раздачи газа и обтекаемой преграды соответственно на5 ружной и внутренней рубашкой для циркуляции теплоносителя со средствами контроля температуры позволяет использовать аналогию между гидродинамическим и тепловым пристенным слоями для газов, которые характеризуются числами Прандтля,

близкими к 1, т.е. по характеристикам теплового слоя можно однозначно судить о пристенном и струйном слоях и течениях. Наличие градиента температуры в пристенном слое изменяет показатель преломления газа, что позволяет использовать в этом случае метод голографической интерферометрии. Изменение полос фиксируется на фотослое голограммы.

Применение кинокамеры и фотоаппарата и соединение синхронизатора пуска электродвигателя кинокамеры с патрубком раздачи газа позволяет документализиро- вать процесс. Кроме того, используя синхронный пуск, можно осуществить документализацию динамики процесса обтекания - от начального момента до установившегося режима.

Установка позволяет изучать гидродинамические пристенные и струйные течения при любых скоростях газа - от 0,1 до 200 м/с и более; осуществлять документализацию процесса при помощи кинограмм интерфе- рограмм.

Формула изобретения Установка для изучения гидродинамических течений методом голографической интерферометрии в реальном времени, состоящая из оптически связанных лазера,

светоделительной пластины, канала формирования опорного пучка, канала формирования предметного пучка, в котором установлен исследуемый аэродинамический рабочий участок, и регистрирующей среды, размещенной на пересечении осей каналов формирования предметного и опорного пучков, причем за регистрирующей средой установлен блок регистрации

0 интерферограммы, отличающая с я тем, что, с целью увеличения чувствительности исследования гидродинамических пристенных и струйных течений низкоскоростных потоков, в установку введен нагреватель га5 за со средствами регулировки и контроля температуры, установленный в аэродинамическом рабочем участке, патрубок раздачи газа и преграда, снабженные охлаждаемой рубашкой с патрубками под0 вода и отвода теплоносителя, при этом преграда установлена параллельно оптической оси к выходной плоскости патрубка раздачи газа и на расстоянии от нее, образуя рабочий объем аэродинамического участка, блок

5 регистрации интерферограммы содержит установленные последовательно за регистрирующей средой линзу, экран и фотокамеру и синхронизатор пуска электродвигателя кинокамеры, соединенный с патрубком раз0 дачи газа.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике газовых потоков и позволяет изучать гидродинамические пристенные и струйные течения ниэкоскорост- ных потоков методом топографической интерферометрии, Установка для изучения гидродинамических пристенных и струйных течений методом голографической интерферометрии в реальном времени состоит из лазера с набором линз и зеркал, голограммы, аэродинамического рабочего участка с нагревателем и средствами регулировки и контроля температуры, рабочего участка с рубашкой циркуляции теплоносителя. 1 ил.

г го 19