ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
В последние десятилетия в гидродинамике все чаще применяются бесконтактные (или условно бесконтактные, с засевом частицами) оптические методы измерения полей скорости, показателя преломления и связанных с ним величин: температуры, плотности, концентрации примесей. Современные варианты этих методов отличаются от классических методов визуализации (трассирования, теневого и шлирен-методов) прежде всего компьютерной обработкой полученных изображений для получения количественных результатов. В проекте предлагается расширить возможности существующих методов за счет новых способов обработки. В теневом фоновом методе повышение точности измерений, необходимое в областях с высоким градиентом показателя преломления, может быть достигнуто при использовании специально сконструированных цветных фонов и методов обработки, заимствованных из интерферометрии. Кроме того, и теневой фоновый метод, и инфракрасная термография, помимо измерения термодинамических величин, могут служить источником информации о мгновенном поле скорости, являясь, в отличие от цифровой трассерной визуализации, абсолютно бесконтактными методами, применимыми и в случаях, когда засев частицами может изменить картину течения. Одна из возможностей использования данных методов для измерения скорости заключается в кросс-корреляционном сравнении полей температуры, полученных в последовательные моменты времени. Вторая возможность основана на связи мгновенных полей температуры и скорости, выраженной в уравнении переноса энергии. Для ряда течений (по крайней мере, для квазидвумерных) эта связь позволяет рассчитать линии тока по найденному полю температуры, что существенно расширяет экспериментальные возможности теневого фонового метода. Новые методы будут экспериментально апробированы на конвективных течениях, имеющих большое прикладное значение. В первую очередь, на течениях под и над поверхностью испаряющейся жидкости, конвективных струях и течениях в пограничных слоях у твердой стенки или у границы раздела жидкость-газ. Полученные поля скорости будут проверены с помощью измерений методом цифровой трассерной визуализации.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2014 г.-31 декабря 2014 г. | Одновременное определение полей температуры и скорости при помощи теневого фонового метода и термографии |
Результаты этапа: Основной задачей проекта на данном этапе являлись измерения полей температуры в конвективном течении с помощью инфракрасной термографии и теневого фонового метода (ТФМ), а также использование полученных распределений для восстановления поля скорости. Были проведены эксперименты по всплытию конвективной струи в воде и спирте с одновременным измерением температуры поверхности тепловизором и среднего вдоль линии наблюдения распределения температуры в вертикальной плоскости с помощью ТФМ. Сравнение полученных результатов с двумерным численным моделированием показало, что максимальная температура по данным ТФМ несколько ниже из-за пространственного осреднения метода и влияния трехмерных эффектов, которые не учитываются в двумерном моделировании. Кроме того, традиционный вариант ТФМ с использованием черно-белого фона и кросс-корреляционной обработки не может разрешить области с высоким градиентом температуры вблизи тонкого нагревателя. Тем не менее, сравнение поверхностного распределения температуры с данными термографии в воде показало хорошее согласие, а в спирте ТФМ успешно разрешил изменения температуры в тонком поверхностном слое, заметно отличающемся от поверхностного слоя в воде из-за наличия конвекции Марангони. Полученные поля температуры также были использованы для определения поля скорости. При этом было показано, что для успешного определения поля скорости по двум последовательным полям температуры методом оптического потока требуется отличие от нуля градиента температуры в исследуемой области. Для всплывающей конвективной струи это требование выполнено только на краях струи. Сравнение полей скорости, полученных кросс-корреляционной обработкой инфракрасных изображений поверхности и цифровой трассерной визуализацией с использованием частиц с положительной плавучестью, показало заметное отличие скорости частиц на поверхности и скорости гидродинамического переноса тепловых структур на глубине менее 50 мкм, которое нельзя было обнаружить другими экспериментальными методами. Была предложена оригинальная методика оценки поля гидродинамического поля давления по мгновенному полю температуры в конвективном течении. Сравнение с численным моделированием показало, что погрешность данной методики сравнима с погрешностью определения давления по данным цифровой трассерной визуализации. Также были проведены измерения полей температуры при остывании горячей жидкости при наличии испарения. Эта широко распространенная в технологической практике постановка задачи приводит к известному парадоксу Мпембы, согласно которому вода с большей начальной температурой может остыть быстрее. В течение более чем 50 лет температура жидкости в эффекте Мпембы измерялась только локально, с помощью термопар. В настоящей работе с помощью ТФМ впервые были получены мгновенные двумерные распределения температуры. Было показано, что за исключением тонких пограничных слоев у стенок сосуда основную роль играет вертикальная стратификация, которая, в зависимости от соотношения теплоотдачи с боковых стенок и через свободную поверхность, может быть как полностью неустойчивой, так и устойчивой в нижней части сосуда. Сравнение временной зависимости средней температуры с инженерными расчетами показало важность учета отличия температуры поверхности, которая в воде может быть на 10-15 градусов ниже, чем в объеме. | ||
2 | 1 января 2015 г.-31 декабря 2015 г. | Одновременное определение полей температуры и скорости при помощи теневого фонового метода и термографии |
Результаты этапа: |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".