книги из ГПНТБ / Кутателадзе, С. С. Пристенная турбулентность

переводилась на пер­ фоленту аналого-кодовым преобразователем. Автокорреляци­ онная функция, спектральная плотность пульсаций потока массы вычислялись из ЭВМ с помощью стандартных алго­ ритмов [28]. Спектральная плотность пульсаций трения на стенке рассчитывалась с помощью формулы для передаточ­ ной функции (1.5):

Спектры т/, полученные для турбулентных и переходных режимов, показаны на рис. I . 6.

Приложение I I

В. В. ОРЛОВ

ИЗМЕРЕНИЕ КИНЕМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКОВ

МЕТОДОМ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ

Введение в практику термоанемометра [232] с необходи­ мым электронным оборудованием весьма продвинуло иссле­ дования турбулентности. Стало возможным измерять не только осредненные скорости, но и пульсационные по всем трем осям координат, спектр частот пульсаций. Двухниточные термоанемометры [266, 267] позволили измерять также

180

корреляционные характеристики турбулентного потока. Одна­

весьма сложная задача.

Для некоторых измерений термоанемометр неэффективен (интерпретация его показаний затруднена) или вообще не­ применим. В первую очередь это относится к исследованиям

вносить поправку, зависящую не только от величины измеряе­ мой пульсационной компоненты, но и от корреляции этой компоненты с другими [231]. Измерения в неизотермиче­ ских потоках сильно затрудняются из-за одновременного воз­ действия на нить пульсаций температуры и скорости.

От указанных недостатков свободны известные методы визуализации течения. При использовании этих методов в движущиеся газ или жидкость вводятся «метки», движение которых регистрируется с помощью фотографии. Эти метки могут быть мелкими твердыми или жидкими частицами в газовом потоке, твердыми частицами или газовыми пу­

искусственным свечением газа или жидкости, вызванным ог­ раниченным пучком излучения или корпускулярным пучком.

Так как методами визуализации измеряют скорости частиц-меток, а не самой сплошной среды, то в каждом конк­ ретном случае необходимо проанализировать, насколько точ­ но частицы-метки в своем движении следуют за жидкостью или газом. На основе анализа, представленного в работе [223], можно определить допустимый размер частиц в зави­ симости от необходимой точности измерений и параметров потока. Этот размер, как правило, оказывается весьма малым (например, d ~ 5 мк), так что фотографирование приходится вести с увеличением. Методы визуализации позволяют полу­

182

мощью лазерного луча. В принципе эти методы имеют много преимуществ перед фотографическими, однако в настоящее время, по-видимому, их возможности ограничиваются не­ достаточной монохроматичностью излучения, так что точность измерения малых скоростей невысокая.

Фотографические методы визуализации представляют со­ бой фотографирование частиц-меток в проходящем свете или фотографирование светящихся (например, отраженным или рассеянным светом при боковом освещении) частиц-меток.

Прежде всего следует подчеркнуть, что фотографирование в проходящем свете позволяет получить на одном кадре лишь

изображение частицы в некоторой точке а фотоматериала

смещается. Если это смещение превосходит несколько ее ди­ аметров, то изображение может не получиться.

Для получения достаточного количества последовательных изображений одной и той же частицы в движении при фото­ графировании в проходящем свете необходимо либо переме­ щать фотопленку, либо применять ту или иную систему оптической развертки, чтобы при каждой последовательной экспозиции экспонировать новые участки фотоматериала. Поэтому применение проходящего света возможно лишь при киносъемке. Можно легко показать, что частота киносъемки должна быть большой, а длительность каждой отдельной экспозиции достаточно малой. Для получения резких изобра­ жений движущихся частиц экспозиция не должна превышать

183

групп по нескольку соседних кадров. Группы эти должны быть разделены достаточными интервалами времени, чтобы мгновенные поля скоростей в группах были статистически независимы. Фотографирование, таким образом, не обязатель­ но нужно вести в течение всего времени осреднения. Доста­ точно получить некоторое число групп из нескольких экс­ позиций.

Неточность измерения сдвига одной и той же частицы, изображенной на двух разных кадрах, определяется неточ­ ностью положения пленки и развертывающей системы. При­ менение каких-либо реперов, фотографируемых на каждом кадре и служащих базой отсчета, затруднительно ввиду объемности объекта съемки. Для этого необходим вспомо­

свете является снижение требований к яркости источника света.

Применение фотографирования при боковом освещении позволяет упростить фотографическую аппаратуру, однако

одной и той же движущейся частицы. При достаточно боль­ шом времени экспозиции эти изображения сливаются в непрерывный след, по длине и направлению которого можно,

184

зная продолжительность экспозиции, вычислить две проекции вектора мгновенной скорости частицы. Значительно большую точность измерения скорости можно получить, используя тот плп ilпоіі метод модуляции светового пучка; при этом полу­ чается прерывистый трек от каждой частицы.

Методы модуляции светового пучка могут быть, различны­

отпадает. Практически оказывается необходимым применять

Кроме того, всякий источник непрерывного горения требует еще il модулирующего устройства (например, ячейка Keppaf механический вращающийся затвор). В противовес этому импульсный источник такой же яркости более прост в изго­ товлении. Применение импульсного источника очень упро­ щает сам источник, по к управляющей электронной схеме предъявляет высокие требования по мощности, частоте и точ­ ности выдерживания интервалов.

Каждый из двух способов съемки (в проходящем свете и при боковом освещении) имеет свою область применения; результаты, полученные с их помощью, взаимно дополняют друг друга. Например, применение кинематографической съемки со скоростью 1000 кадр/с нерационально для получе­ ния средних значений скорости, тогда как такая съемка, про­

обеспечивающая импульсное освещение с достаточно высо­ кими параметрами.

Электронный стробоскоп состоит из двух основных частей: электронной схемы управления (рис. П. 1) и блока тиратро­ нов с накопительными, конденсаторами и импульсной лампой (рис. II.2). Работа отдельных каскадов в схеме управления поясняется рис. ІІ.З.

Каскад запуска /(см. рис. ГІ.1), служащий для согласова­ ния электронной схемы с еннхроконтактом фотопли кино­ камеры, посылает сформированный . импульс на каскад 2 с регулируемым временем задержки, что необходимо для синхронизации работы электронной схемы с затворами раз­

185-

л _

îrfÇL

Рис. IIA. Электронная схема управления.

дом Т от отдельного генератора приводят в действие формиро­ ватель 5, выдающий острые импульсы с тем же периодом Т. Запирающий каскад 3 имеет два устойчивых состояния и ос­ тается открытым до тех пор, пока пересчетиый блок с коэффи­ циентом пересчета (яг+1) (для определенности па рис. 1.1

каждый импульс направляется по отдельному каналу через предусилители 76—7г и оконечные усилители 86—8г к ти­ ратронам Ті—Т3 . Первый импульс не используется, так как интервал времени между первым и вторым импульсами из-за

586

держиваиия которых определяется стабильностью частоты

и менее. Стабильность частоты можно обеспечить, применяя кварцевый генератор с делителем частоты.

Блок тиратронов (см. рис. II.2) для получения цуга им­ пульсов тока состоит из m тиратронов, каждый из которыхдает по одному импульсу от собственного накопительного конденсатора С, что позволяет получить период Т, меньший времени восстановления электрической прочности тиратронов.

непрерывно в режиме тлеющего разряда через сопротивление Такое включение устраняет нестабильность моментов про­ боя импульсной лампы от отдельных импульсов тока. В ка­ честве импульсной лампы применялась обычная лампавспышка ИФК-120, нагрузочные характеристики которой ог­

ностная яркость разряда в этом режиме составляет по приб­

разрядной цепи около 0,5 м составляет 30—50 мкс. Еще

жигающих импульсов, работающий синхронно с тиратронами (рис. II.4).

Описанный вариант схемы блока тиратронов, имеющий m параллельных каналов, может обеспечить весьма большую

187'

частоту вспышек (например, 20 кГц), так как каждый из тиратронов работает однократно и существование конечного времени деионизацин тиратронов не имеет значения. Если же требуемый интервал между вспышками значительно больше времени деионизацин управляющего тиратрона, то возможен второіі вариант схемы, в котором единственный тиратрон многократно разряжает рабочий конденсатор через импульс­

Со через балластное—сопротивление /?(рис. 11.5). В этом варианте схемы для более быстрой деионизацин тиратрона нужно вводить в разрядную цепь специально подобранную индуктивность L . Так, даже при неоптн.малыіых параметрах разрядной цепи, удавалось довести частоту в цуге из 8 вспы­ шек до нескольких килогерц (С, = 2 мкФ, U = 2 кВ, тиратрон ТГІІ 1—400/16). Допустимую частоту можно еще несколько повысить, используя трансформаторную связь разрядной

цуга) может многократно превышать его паспортное значение для условий непрерывной работы.

Для определения направления движения частиц в жидкости

можно определить начало или конец трека. В схеме с одним тиратроном ограничение емкости также позволяет определить начало трека по плотности изображений. Направление дви­ жения можно установить заменой равномерного распределе­ ния вспышек в цуге определенным кодом.

Оптическая схема установки для регистрации мгновенных скоростей в турбулентном слое около нижней стенки прямо­

188

ние, причем его оптическая ось перпендикулярна оси све­

В поле зрения фотоаппарата заметны в виде ярких точек на темном фоне все частицы, попавшие внутрь освещенного параллелепипеда, так что возможно изменение поля концент­

соседними изображениями позволяет определить два ком­ понента вектора мгновенной скорости частицы и и ѵ. Одновременно на фотопленке получается изображение тон­ кой риски, нанесенной на внутреннюю поверхность стенки

более двух можно определить, кроме этого, поле мгновенных ускорений.

Отсчет (/-координаты можно также производить по отра­ женному от поверхности стенки изображению частицы, одно­ временно регистрируя все три декартовы компоненты ско­ рости.

Обработка полученных пленок производилась полуавто­ матически с помощью прибора ПУОС-1, состоящего из опти­ ко-механического устройства с оптическими датчиками пере­ мещения по двум осям координат и электронной стойки с перфоратором. Изображение пленки с треками частиц про­ ецируется в тридцатикратном увеличении на экран. Точка изображения, координаты которой должны быть зарегист­ рированы, совмещается передвижением кареток с перекрести­ ем экрана. При этом оптические датчики (используется муа­ ровый эффект) выдают две последовательности импульсов, число которых пропорционально перемещению, а сдвиг фаз зависит от направления движения. Электронная стойка, имеющая реверсивные пересчетные блоки, регистрирует с со­

189