Лабораторная работа № 4
НЕОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ
ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ
Ознакомление с простейшими из распространенных методов визуальных исследований структуры обтекания моделей, используемых в практике аэродинамического эксперимента.
Одним из первых этапов изучения взаимодействия потока с телом является установление картины обтекания и построение на ее основе физической модели взаимодействия.
В практике аэродинамического эксперимента применяются две основные группы методов визуализации спектров обтекания: оптический и неоптический. Непосредственное наблюдение структуры течения невооруженным глазом, как правило, не представляется возможным из-за того, что присутствие тела в потоке незначительно изменяет его оптические свойства.
Оптические методы визуализации основаны на изменении коэффициента преломления воздуха, который слабо зависит от его массовой плотности. Они широко распространены при исследовании высокоскоростных потоков, когда на структуру течения существенно влияет сжимаемость среды. При этом в эксперименте используется сложное и дорогостоящее оптическое оборудование: прямотеневые и шлирентеневые приборы, интерферометры и т.д.
Неоптические методы основаны на введении в поток или нанесении на поверхность модели каких-либо визуализирующих частиц: пыли, дыма, нитей, масляных капель и т.п. По характеру их движения судят о структуре потока.
Существенным недостатком неоптических методов является необходимость вводить в поток визуализирующие добавки, изменяющие физические свойства исходного потока. Кроме того, внесенные в поток, например, тяжелые и крупные частицы пыли или длинные и тяжелые нити не будут строго отслеживать траектории струек газа.
Однако, несмотря на указанные недостатки, неоптические методы визуализации при соответствующем подборе визуализирующих добавок (по концентрации, удельному весу, физическим свойствам, размерам и т.п.) несущественно изменяют физические свойства среды и позволяют получать не только .качественную, но в ряде случаев и количественную информацию о взаимодействии потока с моделью.
Благодаря простоте, малой себестоимости, высокой информативности неоптические методы визуализации с равным успехом применяются как для сжимаемых, так и несжимаемых потоков газов и жидкостей.
К числу наиболее распространенных неоптических методов визуализации газовых потоков относятся: дымовой; метод нитей; масляной пленки и масляных капель; каолина; лазерного (светового) «ножа»; треков (метод меток); искровой; методы с использованием химических индикаторов; методы, основанные на использовании свойств жидких кристаллов и многие другие. по мере развития аэродинамического и эксперимента постоянно появляются новые способы неоптической визуализации и различные модификации уже ранее известных. рассмотрим некоторые методы из перечисленных выше.
К сожалению, ни один из известных методов визуализации не дает возможности однозначно судить о структуре течения. Поэтому достоверную модель взаимодействия потока с обтекаемым телом получают, применяя в одном исследовании несколько независимых методов визуализации. Искусство экспериментатора как раз и заключается в том, чтобы из множества известных методов выбрать оптимальные для данного объекта, которые бы позволили получить надежный результат при допустимых затратах времени, усилий и средств.
В последнее время при визуальных исследованиях структуры течения широко применяются находят ЭВМ. Существенно снижая трудоемкость обработки результатов визуализации, они в значительной степени повышают их информативность, позволяя получать панорамные, а в ряде случаев и пространственные спектры обтекания.
Линия тока – линия в пространстве, направление касательной к которой в каждой точке в данный момент времени совпадает с направлением вектора скорости в этой точке.
Траектория – линия в пространстве, описываемая частицей во времени.
Трубка тока – поверхность, образованная линиями тока, проходящими через замкнутый контур, на являющийся линией тока.
Струя – часть жидкости (газа), ограниченная трубкой тока.
Вихревая линия – линия в пространстве, направление касательной к которой в данный момент времени в каждой точке совпадает с направлением вектора вихря в этой точке.
Вихревая трубка – поверхность, образованная вихревыми линиями, проходящими через замкнутый контур, не совпадающий с вихревой линией.
В стационарном течении линии тока совпадают с траекториями.
Точка отрыва потока – точка на поверхности, в которой градиент скорости равен нулю.
Линия отрыва – совокупность точек отрыва потока на поверхности тела.
Отрывное течение – течение газа с отделением линий тока от поверхности тела.
Возвратное течение – течение газа в некоторой области, направление которого противоположно направлению основного потока.
Ламинарный поток – поток, в котором частицы газа движутся упорядоченно по слоям и процессы переноса происходят на молекулярном уровне.
Турбулентный поток – поток, в котором частицы газа движутся сложным неупорядоченным образом и процессы переноса происходят преимущественно на макроскопическом уровне.
Дымы – взвеси мелких твердых или жидких частиц в прозрачном газе.
Дымовой метод получил наибольшее распространение при визуализации газовых потоков малых скоростей. Иногда его используют и для визуализации сверхзвуковых потоков.
Как правило, дым в поток вводится отдельными, совпадающими с линиями тока струйками через гребенки. Для уменьшения диффузии струек стремятся, чтобы скорость, температура и давление в них были равны скорости, температуре и давлению визуализируемого потока. Наблюдая за отдельными струйками дыма или за его скоплениями, можно судить об общей картине обтекания модели, характере отрывных течений и их размерах. Качество визуализируемой картины в значительной степени зависит от качества освещения. Когда общая структура течения уже известна, визуализация характерных ее областей осуществляется введением в них дыма. При этом зачастую используются дренажные отверстия модели или дополнительные гребенки.
Дымы, применяемые в описываемом методе, должны отвечать следующим требованиям: не быть токсичными; не вызывать коррозию модели; не забивать осадками гребенки и дренажные отверстия модели; обладать достаточной плотностью и видимостью; быть легкими. Дым, отвечающий указанным требованиям, можно получить, сжигая солому злаков, некоторые химические вещества, дымовые шашки и даже табак. В практике аэродинамического эксперимента чаще всего применяется метод сжигания и испарения капель масла или керосина, падающего на горячую поверхность. Этот метод получения дыма прост, дешев, отвечает всем основным требованиям, предъявляемым к нему при визуализации.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
