Современные методы диагностики развивающихся потоков. ЛДИС оборудование

В основу ЛДИС потока жидкости и газа положен эффект Доплера, который заключается в следующем: при относительном перемещении источника и приемника электромагнитных колебаний частота колебаний ν₁, воспринимаемых приемником, отличается от частоты колебаний ν₀ источника, причем

_, (1)

где v – скорость относительного движения; с – скорость света; β- угол между направлением движения источника и линией, соединяющей приемник и источник. Знак + отвечает приближению источника, знак - - удалению.

Эффект Доплера нашел широкое применение в гидродинамике, теплообмене и имеет место при рассеивании направленного излучения источника частицами движущейся среды. Этот эффект положен в основу создания ЛДИС среды.

Лазеры – источник мощного монохроматического когерентного излучения.

Рис. 1. Схема лазерного доплеровского измерителя скорости с опорным лучом. 7 —лазер; 2 —диафрагма; 3 — фокусирующий объектив; 4 — собирательный объектив для рассеянного излучения; 5 — зеркало; 6 —свето-делительная пластина (полупрозрачное зер­кало ПЗ); 7 — зеркало; 8 —фотоэлектрический умножитель; 9 — нейтральный фильтр; 10— со­бирательный объектив для опорного излучения; 11— усилитель; 12— спектроанализатор; 13— блок питания; 14 — генератор рассеивающих частиц (I — опорный луч. II—луч рассеянного излу­чения).

Рис.1. Схема одного из вариантов ЛДИС.

Луч лазера 1 непрерывного действия (это опорный луч), пройдя диафрагму 2, фокусируется объективом 3 в исследуемой точке пространства M.

Излучение лазера, рассеянное под углом α к направлению прямого луча, собирается объективом 4, фокусируется и при помощи зеркала 5 через полупрозрачное зеркало 6 направляется в фотоэлектрический умножитель 8 (ФЭУ). Зеркало 7 предназначено для устранения разницы оптических путей прямого и рассеянного лучей. Равентсво оптических путей необходимо для улучшения качества гетеродинирования (это процесс выделения разностной частоты при смешении двух процессов с разными частотами) на входе в ФЭУ. Полученный в результате гетеродинирования сигнал посупает в усилитель 11, а затем в 12 (анализатор спектра), где регистрируется доплеровская частота .

Скорость потока определяется по измеренной доплеровской частоте из соотношения

,

где - масштабный коэффициент; n – показатель преломления среды; α – угол между прямым и рассеянными лучами; λ_∞ - длина волны основного излучения.

Для рассеяния луча лазера поток должен содержать частицы (центры рассеяния), движущиеся со скоростью света. Ими могут быть частицы пыли, находящиеся в потоке, или частицы, искусственно вводимые в поток. Для этой цели предназначен генератор рассеивающих частиц 14.Концентрация рассеивающих частиц составляет 1:30 000÷1:50 000 часть объема газа. Схемы с одним опорным лучем нашли применение для определения трехмерных потоков. В этих схемах ЛДИС доплеровская частота зависит от направления наблюдения.

По способу выделения доплеровской частоты схемы регистрации ЛДИС делятся:

1. Фотоэлектронные, основанные на гетеродинном преобразовании опорного и рассеянного излучения.

2. Оптические (спектральные), основанные на использовании интерферометров Фабри-Перо или Кона..

Для первой группы: здесь верхний предел для измерения скоростей -100м/с, нижний – 0.01 м/с (это порядок скоростей диффузии в газе).

Достоинства второй группы: 1) имеют высокие значения верхний пределов (нет ограничений); 2) нижний предел – 1 м/с.

Преимущества ЛДИС над термоанемометрическим оборудованием.

1. Непосредственно определяют значения локальных скоростей

2. Не вносят возмущений

3. Не нуждаются в градуировке

4. Обладают малой погрешностью

5. практически безинерционны

6. незаменимы в анализе турбулентных течений, т.к. быстродейственны.

Недостатки ЛДИС.

1. Сложность аппаратуры
2. Необходимость введения в поток примеси, нормированных по размеру и количеству.

Глава 3. Понятие о методах изучения сплошных сред и их теплофизичеких свойствах

1. Феноменологический и статистический методы описания среды

Все явления природы на основе представлений современной физики могут быть описаны двумя методами: феноменологическим и статистическим.

Определение. Метод описания процесса, игнорирующий микроскопическую структуру вещества и рассматривающий его как сплошную среду (континуум) называется феноменологическим ( ФМ).

Определимся в терминологии.

Определение. Среда, которую допустимо рассматривать как непрерывную (континуум), пренебрегая дискретным ее строением называется сплошной средой (СС).

Различают СС: однородная, неоднородная, изотропная, анизотропная, однофазная, многофазная.

Определение. Однородная СС – это СС, в разных точках которой ее физические свойства одинаковы при одинаковых температуре и давлении. Неоднородная СС – это СС, в разных точках которой ее физические свойства различны при одинаковых температуре и давлении. Изотропная СС - это СС, физические свойства которой не зависят от направления. Анизотропная СС - СС, физические свойства которой различны по разным направления. Однофазная СС – СС одно- или многокомпонентная среда, физические свойства которой в пространстве могут изменяться только непрерывно. Многофазная СС - СС одно- или многокомпонентная, состоящая из ряда однофазных частей, на границах которой ее физические свойства меняются скачком.

Т.к. в дальнейшем будем иметь дело с газообразными и жидкими средами, то приведем определения.

Определение. Жидкостью будем называть СС, обладающую свойством текучести, т.е. допускающую неограниченное изменение формы под действием сколь угодно малых сил.

Замечание. ФМ дает возможность установить некоторые общие соотношения между параметрами, характеризующими рассматриваемое явление в целом. Здесь законы носят общий характер, причем роль физической среды учитывается через коэффициенты (теплофизические свойства), полученные из опыта. С этой точки зрения законы Фурье, Ньютона, Фика и.д. – ФМ законы.

Определение. Статистический метод (СМ) – метод изучения физических явлений на основе исследования внутренней структуры вещества и обобщения их в макросвязи. Задача СМ – получение макроскопических характеристик по микроскопическим свойствам среды.

Замечание (д остоинства и недостатки ФМ и СМ).

1. Достоинство ФМ – в установлении общих связей между параметрами процесса с использованием эмпирической информации о процессе. Причем точность метода предопределена точностью данных из опыта. Недостаток ФМ – в наличии эмпирической информации.

2. Достоинство СМ – в получении искомых соотношений (законов) по заданным свойствам микроскопической структуры среды без дополнительного эксперимента. Здесь среда рассматривается как некоторая система, состоящая из огромного числа молекул, ионов, атомов с заданными свойствами. Недостаток СМ – сложность обобщения этих зависимостей и проблемы реализации метода, т.к. необходимо знать ряд параметров, которые могут быть определены в специальных разделах физики, химии, биологии и других областях знаний.

2. Проблемы моделирование гидродинамических процессов с средах со сложной структурой и химическими реакциями

Движение высокотемпературных сред, происходящее в ряде технических устройств, может сопровождаться сложными химическими превращениями, способными существенно влиять на гидродинамику процесса и теп­ловой режим элементов конструкции. Такие явления протекают в двигателях внутреннего сгорания, аппаратах ядерной энергетики, устройствах химических произ­водств и лазерной техники. Во внутренних течениях химически реагирующих смесей газов определяющую роль играют вязкие эффекты. Осложненный процессами турбулентного переноса и существенной нелинейностью, вызванной зависимостью констант скоростей химической реакции от температуры, расчет этих явлений представ­ляет достаточно трудную задачу. Опытные исследова­ния часто сопряжены с не меньшими, чем при теоретическом изучении, трудностями из-за недостаточной раз­решающей способности аппаратуры, несовершенства методик измерений.

Такое положение предъявляет повышенные требо­вания к математическому моделированию течений высокоэнтальпийных сред. Лишь для достаточно простых течений химически реагирующих смесей возможно по­строение решений аналитическими методами. Это от­носится к случаям бинарных смесей, постоянных теплофизических свойств, равенства чисел Льюиса единице, линейной кинетики химических реакций. В других усло­виях широкое применение нашли численные методы. В настоящее время описание движений газовых смесей проводят с использованием различных приближений полных уравнений движения: погранслойной модели течения, приближения «узкого канала» и модели с параболизованными уравнениями Навье — Стокса. Такое по­ложение определяется имеющейся во многих случаях возможностью выделить определяющее направление движения, а также пренебречь влиянием распространя­ющихся вверх по потоку возмущений.

Использование приближения пограничного слоя по­зволяет пренебречь в полной системе уравнений Навье — Стокса членами, учитывающими процессы молекулярного переноса импульса, тепла, массы, массы отдельных ком­понент смеси в аксиальном направлении, изменением градиента давления поперек канала. Такие же допу­щения делаются и при построении приближения «узкого канала». В сравнении с параболизованными моделями течений газовых смесей приближения пограничного слоя и «узкого канала» выглядят предпочтительнее. Послед­нее объясняется исключительной трудоемкостью постро­ения численных решений параболизованных уравнений движения для внутренних течений реагирующих сред. Особенности решений таких уравнений будут рассмотрены ниже. Поскольку все они требуют точных или приближенных эмпирических формулировок для теплофизических свойств рабочей среды. Остановимся на этом вопросе подробнее.

Дата добавления: 2014-11-29