Разработка измерительно-регистрирующего комплекса атмосферно-вакуумной аэродинамической трубы

РАЗДЕЛ 5

5.1 Основные требования к измерительным системам аэродинамической трубы

В последнее время в экспериментальной аэродинамике широко рассматриваются и используются возможности аэродинамических установок кратковременного действия. В атмосферно-вакуумной трубе сокращение длительности рабочего режима усложняет вопросы измерений и для получения количественных результатов в быстропротекающем эксперименте должны использоваться специальные быстродействующие автоматизированные измерительные средства - электрические датчики, регистраторы, системы син­хронизации и т.д. Развитие необходимых измерительных средств происходит ускоренными темпами на основе современных достижений в области электроники и позволяет приблизить точность основных измерений в установках кратковременного действия к довольно высокой точности аналогичных измерений в трубах стационарного типа.

В проектируемой атмосферно-вакуумной трубе используются сопла на различные числа Маха М=1.5 ÷ 4. На этапе проектирования основной задачей является исследование структуры течения в струе и распределения скоростей по сечению потока для этих сопел. Исследование поля скоростей в рабочей части атмосферно-вакуумной аэродинамической трубы имеет целью определение границ рабочей зоны струи и оценку равномерности скорости потока в ней.

Наиболее важной характеристикой совершенства аэродинамической трубы является равномерность поля скоростей в ядре струи. Она оценивается коэффициентом поля

,

где – значение скоростного напора в исследуемой точке рабочей части;

- среднее значение скоростного напора в рабочей части.

В лучших трубах максимальные значения коэффициента поля составляют 0,005÷0,007.

Для исследования указанных параметров течения необходима разработка следующих систем:

1) система визуализации потока и фото-видеорегистрации;

2) системы замера и регистрации давления;

3) система автоматизированной обработки и хранения данных.

5.1.1 Требования к системе визуализации и фото-видеорегистрации:

— использование теневого прибора с высокой степенью разрешения типа ИАБ-451;

— применение самых современных осветительных систем на светодиодных и лазерных осветителях

— применение фото- и видеорегистратора с электронным носителем информации и матрицей разрешением не менее 16 МП и частотой съемки не менее 25 кадров в секунду;

— возможность покадровой распечатки снимков с фиксацией времени для каждого кадра;

— возможность как цветной так и черно-белой видеосъемки.

5.1.2 Требования к системе измерения и регистрации давления

— измерение давления в вакуумной емкости, рабочей части и не менее чем в пяти точках в потоке или на поверхности модели;

— применение быстродействующих электрических систем измерения давления;

— частота опроса датчиков не менее 10 замеров в секунду;

— регистрация результатов измерения на электронном носителе как в виде аналогового сигнала, так и в цифровом формате;

— возможность четкой идентификации по времени результатов измерений для сопоставления с видеозаписями картин течения.

5.1.3 Требования к системе автоматизированной обработки и хранения данных:

5.2 Измерительно-регистрирующий комплекс атмосферно-вакуумной аэродинамической трубы

Схема измерительно-регистрирующего комплекса атмосферно-вакуумной аэродинамической трубы представлена на рисунке 4.1. Измерительно-регистрирующий комплекс состоит из следующих систем:

1. оптической системы для визуализации течений и видеорегистрации экспериментов;

2. системы измерения давлений в потоке и на поверхности модели;

3. система автоматизированной обработки и хранения данных.

5.2.1 Оптическая система для визуализации течений в атмосферно-вакуумной аэродинамической трубе

При больших скоростях в поле газового потока возникают значительные градиенты плотности. Неоднородность потока при этом позволяет широко применять оптические методы исследования.

Оптические приборы основаны на использовании известных свойств световых лучей, отклоняющихся от первоначального направления при пересечении среды переменной плотности и, следовательно, переменной преломляющей способности.

Для качественного изучения потока пригодны все приборы вне зависимости от того, каким методом определяется поле плотностей при количественном исследовании. Однако четкость и наглядность получаемой качественной картины потока, а также точность и трудоемкость обработки результатов качественного анализа существенно зависят от схемы и конструкции прибора.

Наиболее простым является прямой теневой метод оптических исследований. При использовании данного метода расходящийся пучок света от точечного источника пересекает воздушный поток, в котором находится модель , и падает на экран или фотопластинку. Возникающие при обтекании модели градиенты плотности отображаются на фотопластинке. В тех точках поля, где лучи светового пучка расходятся, на экране образуется темная область. Там, где лучи сходятся, освещенность на экране увеличивается. К недостаткам прямого теневого метода следует отнести невозможность видеорегистрации всего процесса обтекания. Этот метод позволяет произвести единственный снимок за все время функционирования трубы, что весьма сокращает объем полученной при эксперименте информации. Это не соответствует требованиям, предъявляемым к измерительному комплексу и не позволяет использовать прямой теневой метод в качестве основного метода оптических исследований в проектируемой установке.

Для нестационарных процессов, каким, по сути, является процесс обтекания модели в проектируемой атмосферно-вакуумной аэродина-мической трубе, важно иметь видеорегистрацию всего процесса истечения из сопла. Такую видеорегистрацию процесса позволяет произвести шлирен-теневой прибор. Это чувствительный и точный оптический прибор, позволяющий измерять первые производные плотности. Его принцип работы основан также на теневом методе. В этом приборе лучи, прежде чем попасть на экран, фокусируются в точку, к которой подводится нож. При наличии неоднородности в потоке точка фокусировки части лучей сместится и попадет на нож, который препятствует их дальнейшему распространению. В результате картина, образующаяся на экране, будет иметь большую контрастность, чем при регистрации прямым теневым методом.

Наиболее совершенным является прибор с зеркально-менисковой системой, который и выбран для использования в системе визуализации

Схема шлирен-теневого прибора приведена на рисунке 5.1. От источника 2 луч света проходит через конденсор 3 и щель 4. Плоское диагональное зеркало 5 изменяет направление хода лучей. Лучи попадают на вогнутое сферическое зеркало 6, преобразующее расходящийся пучок света в параллельный. Сферическое зеркало 6 вместе с рассеивающей менисковой линзой 7 образует зеркально-менисковую систему.

Эта часть прибора, состоящая из осветительного узла, зеркала 6 и линзы 7 создает параллельный пучок света и называется коллиматором. Этот пучок света направляется через рабочую часть аэродинамической трубы 1 в приемную часть оптической системы, которую составляют менисковая линза 8, сферическое зеркало 12, плоское диагональное зеркало 11, нож Фуко 9 и фоторегистратор 10.

Основное достоинство зеркально-менисковой системы заключается в том, что при одинаковой светосиле она значительно меньшие сферические и хроматические аберрации по сравнению с линзовой системой

Таким образом, в рассматриваемой схеме основными узлами являются крупная оптика прибора (зеркально менисковая), осветительный узел, включающий механизм перемещения и изменения щели и фокусировки источника света и механизм перемещения ножа с фотоприставкой В процессе эксперимента работа с прибором сводится к воздействию на осветительный узел, на механизм перемещения щели, на фоторегистратор и на механизм перемещения ножа.

Рисунок 5.1 – Схема шлирен-теневого прибора с зеркально-менисковой системой

В качестве источника света могут быть применены различные осветители, в том числе ртутная лампа, кинопроекционная лампа, искровой разрядник. Наиболее современными и эффективными являются лазерные и светодиодные источники света, позволяющие существенно улучшить качество и степень разрешения фотоснимков.

При качественном исследовании потока основная задача заключается в правильном выборе степени освещенности поля, которая зависит от размеров щели, положения ножа и типа осветителя. Наибольшая освещенность получается при максимальной щели и выведенном ноже.

Рисунок 5.2 – Схема размещения теневого прибора на аэродинамической установке

Существенное значение имеет также (расположение ножа отно­сительно изучаемого объекта. В зависимости от положения ножа (горизонтальное, вертикальное или диагональное) лучи, прошедшие неоднородное поле и отклонившиеся, могут быть по-разному задержаны ножом, что дает соответствующий вид теневой фотографии. Поэтому для получения наиболее полной картины течения необходимо выполнить несколько снимков исследуемого течения с различными положениями ножа.

В разработанной для проектируемой установки системе визуализации в качестве источника света использован монохроматический лазерный осветитель, а в качестве ножа – пластина из фототропного стекла. Фототропное стекло обладает исключительным свойством затемняться при длительном (около 3 минут) интенсивном облучении. Таким образом можно при фокусировке луча получить на пластинке из этого стекла непрозрачное для лазерного излучения пятно заданного диаметра. Это пятно используется в теневой системе в качестве ножа Фуко круглой формы и располагается в фокусе приемной системы теневого прибора. А в качестве щели применяется круглая диафрагма. При использовании такого ножа лучи света, не отклонившиеся при прохождении через неоднородности потока в рабочей части попадают на него, а отклоненные лучи походят на фоторегистратор. Таким образом, появляется возможность получения картины течения независимо от положения ножа и щели.

Использовать фототропные материалы в качестве ножа для увеличения чувствительности теневых систем с лазерной или диодной подсветкой было предложено по результатам исследований, проведенных в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН. Важным свойством таких материалов является обратимое изменение окраски вещества в этом материале под действием видимого света или ультрафиолета. Воздействие света вызывает в фотохромном веществе атомарные перестройки, изменение заселённости электронных уровней. Параллельно с изменением цвета вещество может менять показатель преломления, растворимость, реакционную способность, электропроводимость, другие химико-физические характеристики. Фотохромизм присущ ограниченному числу органических и неорганических, природных и синтетических соединений.

В работе [69] показано, что для теневого прибора ИАБ-451 со стандартным ножом при идеальной его настройке, при переходе на тонкие фототропные материалы возможно улучшить степень разрешения регистрации на два порядка. Это связано с тем, что в этом случае затемнение фототропного материала (это пятно и играет роль ножа) происходит только в зоне концентрированного излучения. Поэтому важно, чтобы применяемый фототропный материал обладал хорошей чувствительностью на волне излучения подсветки системы. Для примера на рис. 5.3 показано как меняется размер пятна засветки в разные моменты времени непрерывным лазерным излучением одной мощности .

Рисунок 5.3–Затемнение стекла в зависимости от времени после включения излучения. Радиальное распределение интенсивности излучения, прошедшего через ABT

Второй задачей в модернизации системы шлирен-регистрации на базе используемого прибора, после включения в его состав непрерывного зеленого диода подсветки является выбор фототропной линзы в системе регистрации. Для крепления линзы была модернизирована каретка оптического прибора. Требования к линзе можно сформулировать следующим образом:

1) Чувствительность на длине волны 532 нм.

2) Малое время потемнения до высоких значений непропускания излучения

3) Тонкость материала, для наименьших оптических потерь и возможности монтажа в составе прибора

4) Малая чувствительность к излучению менее порогового, для возможности работать при освещении в рабочей зоне.

5) Отсутствие диоптрий линзы для возможности согласования с системой регистрации

Была проведена работа по выбору из каталогов возможных вариантов линз, из коммерчески доступных. В результате было установлено, что наиболее подходящим вариантом является линза Photosolar Superbrown. Эта линза поставляется в двух типах с различной чувствительностью к разным длинам волн. На рис. 5.4, 5.5 показаны спектральные чувствительности линз Photosolar Superbrown и Photosolar Supergrey, которые представлены в спецификациях линз.Видно, что в интересующей нас области (532 нм) большее потемнение обеспечивается линзой Photosolar Superbrown.

Рисунок 5.4 – Прозрачность фототропной линзы Photosolar Superbrown в зависимости от длины волны засвета

Рисунок 5.5 – Прозрачность фототропной линзы Photosolar Supergrey в зависимости от длины волны засвета

Другими важными характеристиками фототропного материала является скорость его затемнения. Для линзы Photosolar Superbrown этот график приведен на рис. 5.6. Видно, что затемнение происходит не мгновенно, основное затемнение происходит за первые 3 мин экспозиции, а затем с течением времени этот показатель изменяется слабо. Поэтому важным является то, что перед началом эксперимента фототропная линза должна быть экспонирована невозмущенным излучением минимум на протяжении 3 минут. Также из этого графика можно сделать вывод, что при быстропротекающих процессах, когда отклонение луча на неоднородностях в среде нестационарно, центральное пятно (которое работает как нож Фуко в теневой системе) не меняет своей формы, так как времени изменения положения и интенсивности свечения зеленого диода недостаточно для осветления или затемнения материала.

Рисунок 5.6 Прозрачность фототропной линзы Photosolar Superbrown в зависимости от времени засвета

Пример затемнения фототропной линзы показан на рисунке 5.7 Лазером засвечивалась область на линзе в виде полоски на протяжении трех минут. На рисунке отчетливо видно появившееся пятно.

Рисунок 5.7. a) до засветки лазером b) после засветки лазером

Фототропная линза является идеальной заменой ножа Фуко, при которой нет необходимости точной настройки, что приводит к очень хорошей чувствительности. Единственным минусом данной линзы является то, что необходимо некоторое время для затемнения засвеченной области.

Картины течения, полученные с использованием шлирен-теневого прибора представлены на 5.8

Рисунок 5.8–Теневая фотография гребенки системы измерения давлений в потоке и на поверхности модели при М=2. Слева – срез сопла.

5.2.2 Система измерения давлений в потоке и на поверхности модели

.

В экспериментальной аэродинамике одним из основных методов определения скорости потока является измерение полного давления (скоростного напора) и статического давления в потоке. Измерив давления в соответствующих точках потока, можно определить местную скорость потока.

Измерение скоростного напора производилось с помощью насадка полного давления (трубки Пито), представляющей собой цилиндрическую трубку наружным диаметром 1 мм, внутренним – 0,7 мм, срезанную перпендикулярно оси, с отверстием, обращенным против потока, соосно вектору скорости. Такой насадок нечувствителен к углам скоса потока в пределах ±12^о[ ]. При сверхзвуковой скорости потока перед носовой частью насадка образуется прямой скачок уплотнения, за которым газ тормозится уже при дозвуковой скорости. Таким образом, насадок измеряет давление, равное полному давлению за скачком и отличающееся от давления до скачка на величину потерь механической энергии на скачке. Отношение полных давлений до скачка и за ним определяется из выражения:

, ( )

где – полное давление до скачка уплотнения,

– полное давление после скачка уплотнения,

– показатель адиабаты для рабочего газа (воздуха),

М – число Маха.

Трубки Пито смонтированы в виде так называемой «гребенки», изготовленной в соответствии с рекомендациями [57] (см. рис5.9). Расстояние между отдельными трубками Пито в гребенке равно 5 мм. Перемещая гребенку по оси струи можно установить действительное распределение скоростных напоров как по диаметру, так и по оси потока.

Рисунок 5.9 –. Схема измерения полного давления в сверхзвуковой струе

Статическое давление в потоке определяется с помощью насадка в виде срезанной на клин под углом 20^о цилиндрической трубки диаметром 1 мм (рис. 5.10). Со стороны среза отверстие запаяно. На расстоянии 10 мм со стороны, противоположной срезу в трубке выполнено дренажное отверстие диаметром 0,3 мм. Давление по трубке передается на датчик давления. Таким образом, при соосном потоку расположении трубки в зоне отверстия поток оказывается практически невозмущенным (если не учитывать возмущения от самого отверстия), отсутствуют поперечные градиенты скорости.

Поскольку весь процесс истечения является нестационарным по времени, использование сканирующих зондов с электроприводом для ускорения эксперимента является невозможным. Поэтому для измерения давления используется координатное устройство, с помощью которого зонды для измерения давления устанавливались в заданном положении в зоне ядра струи, на ее границе и в спутном потоке. Поле скоростей определяется при выполнении нескольких запусков аэродинамической трубы. При каждом запуске производятся замеры давлений в отдельных точках пространства. Регистрация показаний датчиков полного и статического давления производится одновременно с записью давления в вакуумной емкости.

Рисунок 5.10– Схема измерения статического давления в сверхзвуковой струе

Измерения давлений торможения за прямым скачком уплотнения p₀₂ производились в каждом сечении в вертикальной и горизонтальой плоскостях.

Измерения статического давления p₂ производились как в вакуумной емкости, так и непосредственно в рабочей части. При этом давление в вакуумной емкости измерялось с помощью образцового вакуумметра, а давление в рабочей части – с использованием датчика давления с регистрацией на компьютер.

Число Маха в потоке рассчитывалось по замеренным значениям атмосферного давления и статического давления в струе с использованием выражения:

5.2.3 Система автоматизированной обработки и хранения данных: