Исследование потоков, характеризующихся малыми градиентами плотности

Some aspects of development of gas flow optic investigation methods.

A. A. Pavlov

Institute of Theoretical and Applied Mechanics SB RAS, 630090, Novosibirsk, Russia

1. Введение

Развитие авиационной и космической техники требует, наряду с дальнейшим совершенствованием традиционных для аэрофизического эксперимента методов, внедрения новых или мало распространенных, но более производительных, как количественных, так и качественных методов регистрации. Особый интерес в этой связи привлекают оптические методы диагностики. При этом следует отметить следующие основные тенденции в их развитии:

1. Появление методов, которые можно было реализовать с использованием давно известных подходов и оборудования;

2. Расширение возможностей известных методов, приобретающих новые возможности по сравнению с их стандартными реализациями;

3. Комбинация первых двух пунктов, т.е. появление новых методов, реализация которых стала возможной только с применением современного оборудования.

В докладе приводятся результаты некоторых исследований, проведенных в ИТПМ СО РАН, иллюстрирующие сказанное.

2. Исследование потоков, характеризующихся малыми градиентами плотности

Теневые методы без преувеличения являются одними из наиболее распространненых оптических методов применяемых в аэрофизическом эксперименте. Однако имеются существенные ограничения их применения при исследовании потоков, с малыми градиентами плотности. Например, гиперзвуковые и дозвуковые течения при отсутствии теплообмена характеризуются настолько малыми изменениями плотности (менее 10^-3 от плотности атмосферы), что использование стандартных теневых методов практически невозможно. Известно, что чувствительность теневых методов обратно пропорциональна размеру изображения источника света. Для ее увеличения можно использовать когерентное лазерное излучение с малым дифракционным пятном. Однако при этом высокая когерентность приводит к возникновению нежелательных шумов в результате дифракции на ноже Фуко (или ином визуализирующем транспаранте). Кроме того, увеличение чувствительности не позволяет визуализировать малые изменения плотности на фоне более сильных возмущений. Увеличивается чувствительность схемы к вибрациям установки.

Нами вместо ножа Фуко использовался пластина из фототропного стекла далее АВТ (адаптивный визуализирующий транспарант). При воздействии сфокусированного излучения материал АВТ затемняется в зависимости от интенсивности. Зондирующее излучение претерпевающее малые угловые отклонения даже на слабой неоднородности, проходит сквозь незатемненный участок АВТ, и проявляется на теневой картине в виде более яркого участка. Существенным преимуществом методики является тот факт, что сильные возмущения приводят к затемнению соответствующих участков АВТ, так что просветление участков изображения в областях больших градиентов плотности (например, вблизи ударных волн) существенно менее выражено по сравнению с обычной схемой и не заглушает более слабые возмущения, присутствующие на их фоне. Схема является самоподстраивающейся, что существенно упрощает проведение экспериментов.

Для тонкого АВТ зависимость коэффициента поглощения G можно представить в виде

,                                                         (1)

где I – интенсивность падающего на транспарант излучения, G_max – максимально возможный коэффициент поглощения, t – время. Коэффициенты θ_a и θ_d зависят от свойств используемого для изготовления АВТ материала и характеризуют скорость активации и дезактивации поглощающих центров. Величина обратная произведению Iθ_a может трактоваться как характерное время активации τ_a=1/Iθ_a, а τ_d=1/θ_d ‑ как характерное время дезактивации поглощающих центров. Для используемого нами материала время дезактивации составляло τ_d~10² с, а время активации в области фокусировки зондирующего излучения (при отсутствии возмущений) τ_d~1 с. В качестве источника света использовался лазер мощностью 4 мВт, с длиной волны излучения λ=0.53 мкм.

Важным для понимания работы АВТ являются следующие предельные случаи:

                                                                       (2)

                                                                             (3)

                                                                     (4)

                                                                                (5)

Почернение АВТ в области фокусировки излучения, прошедшего через исследуемый объем без искажений и на которое приходится большая часть энергии (интенсивности) описывается соотношениями (2) и (3). Соответствующие области изображения будет максимально затемнены. Излучение, претерпевающее малые угловые отклонения даже на слабой неоднородности, проходит через менее затемненный участок АВТ. Почернение при этом описывается соотношением (4) для стационарных неоднородностей и соотношением (5) для нестационарных. Эти неоднородности проявляются на изображении в виде более ярких участков.