Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках Советский патент 1993 года по МПК G01P3/36 

ел

С

Использование: измерительная техника, исследование турбулентных газовых и жидкостных потоков. Сущность изобретения: в качестве информативного параметра о пульсациях температуры используют интерференционную картину, образованную объектным и опорным пучками интерферометра путем смещения измерительного объема Zo лазерного доплеровского анемометра по нормали к объектному пучку интерферометра на величину .соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения U Y (Zo). 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании турбулентных газовых и жидкостных потоков.

Цель изобретения - расширение области применения и повышение точности измерений,

На фиг.1 схематически изображено устройство, реализующее заявленный способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках,-на фиг.2 - 4 приведены результаты измерения по предложенному способу для различных объектов.

Устройство, реализующее способ, содержит лазерный доплеровский анемометр (ЯДА) 1 с измерительным объемом в окрест- ности точки Zo, интерферометр, содержа- щи и источник когерентного излучения (лазер) 2, плоскопараллельную пластину 3,

компенсатор 4, уголковый отражатель 5, фотоприемник 6,а также блок корреляционной обработки 7, в который поступают сигналы от фотоприемников ЛДА и интерферометра. Узкий объектный пучок 8 интерферометра проходит через исследуемый поток и точку Zo в нем. Опорный пучок 9 проходит вне объекта, граница 10 которого изображена замкнутой линией.

Интерферометр работает следующим образом. Излучение лазера 2 попадает на пярскопараллельную пластину 3. Лучи, отраженные от передней и задней поверхностей пластины, проходят через компенсатор 4, представляющий собой слегка клиновидную стеклянную пластину и, отразившись от уголкового отражателя 5, приобретают обратное направление. При движении в обратном направлении узкий объектный пучок 8 проходит через точку Zo в турбулентном пооо 00

Оч

оо

Сд

токе. Опорный пучок 9 проходит через невозмущенную исследуемым потоком среду. Опорный и объектный пучки соединяются на пластине 3 и интерферируют. Интерференционная картина регистрируется фотоприемником 6, сигнал от которого поступает в блок корреляционной обработки 7, в котором сигналы от ЛДА и фотоприемника 6 перемножаются, а результат перемножения осредняется по времени.

Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках осуществляется следующим образом.

Лазерным доплеровским анемометром определяют сигнал и (т.),пропорциональный пульсациям скорости в измерительном обьеме Z0 ЛДА.

Одновременно с сигналом U (t) определяют сигнал Г (т.), пропорциональный пульсациям температуры в потоке. Сигнал l (t) выходной, сигнал фотоприемника 6 интерферометра. Этот сигнал связан с пульсациями температуры T (t,z) в турбулентом потоке следующим образом:

«00

1C -Р(

/T(z;t)dz.

-00

где К - постоянная Гладстона-Дейла; А - длина световой волны;

С - -Чг4 Ь - тарировочный коэффициR rент, в котором:

Р - давление газа;

и - молекулярная масса;

R - универсальная газовая постоянная;

Т - температура в потоке;

b - коэффициент пропорциональности;

z - направление просвечивания потока.

Сигналы U (t) и l (t) поступают в блок корреляционной обработки 7, где перемножаются, а результат перемножения осредняется по времени:

UT(Zo)

jfU (Zo)T (Z)dZ.

-00

Черта сверху означает усреднение по времени.

Введем пространственную корреляционную функцию (Zo,Z) в виде:

Ku T(Zo,Z) - Ku-T-(Z0) F(Z),

(ЗУ

где

Kirr(Zo)

U Т (Zo)

(4)

F(Z) - функция, описывающая форму корреляционной кривой и изменяющаяся в пределах+1;

O t (Zo) - совместная одноточечная корреляция скорость-температура в точке Z0.

При этом (2) примет вид:

UT(Z0} ЈЈ

UT2(Z0)12(Zo) x

00

х Ku-r(Zo) / F(Z)dZ .

. -со

(5)

20

25

В последнем выражении использовано предположение о том. что среднеквадратичное значение пульсаций температуры м 12 (Z0) не меняется в пределах корреляционной длины, т.е. при F(Z) Q.

Смещают измерительный объем ЛДА по нормали к объективному пучку интерферометра на величину Ј0, соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения U l (Zo). При этом (2) запишем в общем виде:

30

UT(ZO, а г Ј°- $ г (z)dz+

Л -00

+ Г LT(Zo. $ Г (Z).dZ .(6)

35

Интегрирование по интервалам от - со до - Ј и от Ј до оо отражает тот факт, что минимальное расстояние между измерительным объемом ЛДА и объектным пучком интерферометра равно Ј и, следовательно, отсутствует вклад в корреляцию при расстояниях, меньших чем Ј. После дифференцирования по Ј последнее соотношение принимает вид:

IUT.«U(7)

55

50

Сделав предположение о симметричности поведения пространственной корреляционной функции KuT(Zo,Z) относительно осей Z и Ј, можно утверждать, что Ku T tZo.Z), а следовательно, и F(Z) обращаются в ноль, когда в ноль обращается производная, стоящая в левой части уравнения (7), т.е. когда осредненное по времени произведение сигналов U (t) от ЛДА и r(t) от интерферометра достигает экстремума. Поскольку в первом приближении функция F(Z) может

аппроксимироваться прямой, то интеграл в уравнении (5) павен Ј0:

ооЈ07

/F(Z)(1-Ј)dZ |o

- 00-ЈQ

Определяют значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура в точке Zo по формуле-jo

, |.-г. V UT (Zo) I

U Т {Zo) Я

$0 1

которая получается из уравнения (5) с уче- том (8) и (4).

В качестве объекта для проведения измерений совместных одноточечных корреляций скорость-температура была выбрана затопленная струя подогретого воздуха, истекающая из сопла диаметром 2.R 10 мм. Скорость потока воздуха на выходе из сопла составляла 25-30 м/с, а перегрев относительно окружающего воздуха - около 8 К. Измерения проводились в сечении 9 калибров. Вторым объектом служила та же струя, вытекающая в открытую с двух сторон трубу диаметром 2R 30 мм. Расстояние от среза сопла до трубы -10 мм. длина трубы -. 90 мм. Измерения проводи- лись на расстоянии 130 мм от среза сопла. Второй объект представлял собой, по сути, эжектор.

Измерения распределения турбулентных тепловых потоков в поперечном сече- нии струи проводились следующим образом. Узкий (диаметр около 1,5 мм) объектный пучок интерферометра с фотоэлектри- ческой регистрацией пропускался примерно через ось потока в выбранном сечении. В непосредственной близости от луча, однако ниже его по потоку, устанавливался датчик термоанемометра. Датчик был установлен на подвижную платформу и мог сканироваться вдоль объектного пуч- ка интерферометра (вдоль оси Z). Электрические сигналы от интерферометра и датчика поступали в блок корреляционной обработки.

В выбранном точке Zo измерялся корре- ляционный сигнал UT(Zo). Затем датчик термоанемометра смещали по нормали к узкому объектному пучку интерферометра на величину Ји измеряли корреляционный сигнал UT(Zo, D при различных значениях Ј По полученной зависимости определяли величину смещения §о, соответствующую экстремуму корреляционного сигнала UT(Zp. Ј) Значение совместной одноточечной корреляции рассчитывали по формуле (9). Анало

-jo

15

20 2530

3540 45

50 55 гичные измерения проводились для различных точек Z вдоль объектного пучка интерферометра.

Техническую эффективность способа подтверждают полученные экспериментальные данные. На фиг.2 в безразмерном виде приведено радиальное распределение совместных одноточечных корреляций скорость-температура для затопленной струи в сечении 9 калибров от сопла. Точка Z/R - 0 соответствует оси струи. На фиг.З приведено аналогичное распределение в сечении, отстоящем на 3 калибра от среза трубы в эжекторе. На фиг.4 приведен пример определения смещения Ј0. Видно, что корреляционный сигнал достигает экстремума при Ј0 8 мм.

Предлагаемый способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках позволяет проводить бесконтактные измерения, не внося в поток возмущающих его датчиков и тем самым повысить точность измерений. При этом существенно расширяется область применения способа за счет возможности его использования для исследований высокотемпературных потоков, потоков агрессивных сред и др.

Формула изобретения Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках, заключающийЬя в определении сигналов U (t) и l (t), пропорциональных соответственно пульсациям скорости и температуры потока в измерительном объеме Z0 лазерного доплеровско- го анемометра и усреднении произведения U i {Zo) этих сигналов по времени, отличающийся тем. что, с целью расширения области применения и повышения точности, в качестве информативного параметра о пульсациях температуры используют интерференционную картину,образованную объектным и опорным пучками интерферометра, при этом измерительный. объемно лазерного доплеровского анемометра смещают по нормали к объектному пучку интерферометра на величину Ј0. соответствующую экстремуму значения осред- ненного по времени произведения UT(Z0). a значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура ITT (Zo) определяют как

UTgo) 1 ). Uj-K-C

где UT(2o) - осредненное по времени произведение сигналов, пропорциональных

соответственно пульсациям скорости и температуры;

Јо - смещение, соответствующее экстремуму осредненного по времени произведения сигналов UT(Zp);

Фиг «2,

К - постоянная Гладстона-Дейла; С - тарировочный коэффициент; А - длина световой волны; Zb - координата точки измерения.

U tfty

{Гз (о)

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

Редактор

Составитель В. Гербрандт

Техред М.МоргенталКорректор М. Ткач

tЈy fa.)U J (i,0)

iO

Фиг. 4.