автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.04, диссертация на тему:Метод оценивания параметров конвективных потоков в органических объемах

РГ6 ОД На

правах рукописи УДК 536.5: 532.57

Звездина Марина Евгеньевна

МЕТОД ОЦЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КОНВЕКТИВНЫХ ПОТОКОВ В ОГРАНИЧЕННЫХ ОБЪЕМАХ

Специальность 05.11.04 - Приборы и методы измерения тепловых

величин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном Институте Точной Механики и Оптики (Техническом Университете)

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Лукьянов Г.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Буравой С.Е.

кандидат технических наук, ст. научный сотр. Шорников Е.А.

Ведущая организация:

ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова'! (С-Петербург)

Защита состоится " 30 "

1997г. в

часов на

заседании диссертационного совета К053.26.03 в Санкт-Петербургском Государственном Институте Точной Механики и Оптики по адресу: 197101 Санкт-Петербург, ул. Саблинская, 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Отзыв на реферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направить в диссертационный совет института.

Автореферат разослан " № " и*Ол£_ 1997г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

№

Кораблев В.А.

I. ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Задачи контроля параметров движущихся сред возникают в различных областях науки и промышленности. Для осуществления такого контроля разработано много различных методов и приборов. Однако, для решения целого класса задач применение традиционных методов оказываются затруднительным или невозможным по ряду причин. К таким задачам относятся, например, исследования потоков различных сред в больших объемах при малых скоростях течения, при неустойчивых режимах течения. Необходимость решения таких задач часто возникает в энергетике, химической промышленности, при исследовании движения воздушных масс в жилых и производственных помещениях, в оптике при испытаниях крупногабаритных оптических изделий на воздушных коллиматорах, когда необходимо проводить диагностику неизотермической среды в большом объеме.

При модельном исследовании с успехом, могут быть применены такие методы, как доплеровская анемометрия, позволяющая получать результаты с малой погрешностью в широком диапазоне скоростей. Однако, практическая реализация данного метода для больших объемов отличается технической сложностью, ее стоимость может оказаться выше стоимости эксплуатации исследуемой технической системы. Использование термоанемометров для исследования естесгвенноконвективных потоков в больших объемах также затруднительно, так как погрешность измерения скорости может оказаться на уровне измеряемой величины из-за нагрева чувствительного элемента и неопределенности направления течения в контрольной точке. Сложным является восстановление связанной картины течения в большом объеме по результатам таких измерений в отдельных точках.

Таким образом, актуальной является разработка методов наблюдения процессов конвекции в больших объемах с неизотермической средой.

Результаты таких исследований могут быть с успехом применены для ряда других областей, например, для исследования течений в нагретых трубах и каналах, движения воздушных масс в жилых и производственных помещениях, в слоях жидкости, заключенных между параллельными пластинами, в энергетике при отводе тепла к системам накопления и хранения энергии, при контроле процессов сжигания отходов и сепарации продуктов сжигания на основе техники псевдоожижения, и т.д.

Цель работы. Разработка метода измерения распределений скоростей потоков в газовых и жидкостных объемах, применение этого метода для оценивания характера конвективных течений. Задачи исследования:

- разработка метода измерения распределений скоростей конвективных потоков в газовых и жидкостных объемах;

- разработка рекомендаций по практическому применению метода;

- проведение экспериментов на крупногабаритном воздушном оптическом стенде - коллиматоре с целью изучения особенностей естесгвенноконвективного движения воздуха в рабочем объеме стенда;

- восстановление структуры конвективного течения на основе разработанного метода и теории детерминированного хаоса;

- оценка искажений, вносимых движущейся средой в результаты испытаний оптических элементов на крупногабаритном воздушном коллиматоре по данным наблюдений конвективных потоков воздуха в рабочем объеме коллиматора;

- исследование конвективных течений в прямоугольной полости на основе разработанного метода, сравнение полученных результатов с известными данными и оценка возможностей метода.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- разработан метод измерения распределений скоростей потоков в газовых и жидкостных объемах;

- предложена методика определения характера и структуры конвективного течения в ограниченном объеме на основе разработанного метода и теории детерминированного хаоса.

Практическая ценность проведенного исследования состоит в следующем:

- разработан метод и устройство, позволяющие получить распределение скоростей потоков воздуха в ограниченных объемах, являющихся составной частью технических систем, в частности, крупногабаритных воздушных оптических систем, производственных и жилых помещений;

- разработанный метод позволяет определить характер течения газов или жидкостей в ограниченных объемах;

- разработанный метод позволяет увеличить достоверность оптических измерений на крупногабаритных оптических стендах и понизить затраты на проведение испытаний;

- модификация: метода позволила получить данные по движению постороннего объекта в псевдоожиженном слое и определить области его наиболее вероятного нахождения.

Основные научно- методические разработки, представленные в диссертации внедрены в ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова".

На защиту выносятся:

- метод измерения распределений скоростей в газовых и жидкостных объемах;

- методика определения структуры конвективного течения и определения режима течения в ограниченных объемах на основе теории детерминированного хаоса.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференции "Прикладная Оптика -96"; на XXIX Научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава (СПбГИТМО, 1997).

Публикации. Основные положения диссертации изложены в 6 работах, включая 1 патент на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка цитируемой литературы и 9 приложений. Она содержит ¿/2- страниц машинописного текста, /ОО рисунков, и -3 таблиц. Список литературы включает наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется направление проведенных исследований, дается общая характеристика работы, ее новизна и практическая значимость, основные положения выносимые на защиту, а также, описана структура диссертации.

Глава 1 содержит краткий обзор результатов теоретических и экспериментальных исследований конвекции с точки зрения влияния колебательных процессов, происходящих в конвективных потоках, на режим течения. Рассматривается возможность экспериментального исследования конвективных течений на основе анализа колебательных процессов.

Исследования последних лет показали, что в конвективном потоке могут сосуществовать и взаимодействовать области с ламинарной и турбулентной конвекцией.

В системах с естественной конвекцией, где конфигурация поля температур в движущейся среде существенным образом зависит от конфигурации поля скоростей, возникающие пульсации скорости потока приводят к колебаниям температуры, и наоборот

[КутателадзеС.С. Основы теории теплообмена. -Изд. 5-е перераб. и доп.- М.:Атомиздат, 1979, 416с.]. Таким образом, как температурное возмущение, так и возмущение скорости в потоке равновероятно могут привести к возникновению турбулентности.

При условиях, способствующих распространению возмущений скорости и температуры, поток жидкости при естественной конвекции становится полностью турбулизованным и в нем можно наблюдать четко выраженные колебания как скорости, так и температуры.

Типичный пример колебаний температур воздуха при естественной конвекции в ограниченном объеме представлен на рис.1.

Наиболее сложная

структура потока возникает при турбулентном режиме течения. В этом случае в потоке образуются переме-

жающиеся вихри,

взаимодействующие друг с другом, и области квазиламинарной конвекции, образующиеся в результате этого

взаимодействия.

Характерная отличительная особенность спектра колебаний параметров потока в случае турбулентной конвекции заключается в проявлении известного спектрального закона Колмогорова-Обухова:

Е = С82/3к"5/3, (1)

где: Е - спектральная плотность кинетической энергии пульсаций е; 1 2

е = )/А; к - модуль волнового вектора; V/2 - характерная

скорость пульсаций; с - некоторая постоянная; I - время.

При переходе к частоте со=2лГ (к • у=со), как показано Бершадским, в низкочастотной области спектра выполняется закон:

Е~С1Ш"5/3, (2)

где: Г=1Л - частота; С1 - некоторая постоянная; V - скорость течения.

В случае переходного к турбулентному режима, характеризуемого явлением перемежаемости, наблюдается так называемый субгармонический каскад, или удвоение периода - по мере увеличения влияющего фактора в спектре колебаний параметров потока происходит появление новых субгармоник (Ш, ЪУ2, 5Е/2 и т.д.).

т,°с

Время, мин.

Рис.1 Колебания температуры воздуха в контрольной точке в горизонтальном цилиндре ((1*1.7,1.-24М.)

Возникновение субгармоник связано с перекачкой энергии из крупномасштабного движения и каскадным процессом дробления вихрей, который состоит в следующем. Крупные (энергосодержащие) вихри дробятся и тем самым передают свою энергию более мелким вихрям, а те в свою очередь также дробятся, и т.д. до тех пор, пока размеры порождаемых вихрей не станут столь малыми, что они быстро будут исчезать под действием вязкости (и на них будет осуществляться диссипация энергии). Реальность процесса дробления, а также обратного ему процесса соединения вихрей подтверждается прямыми наблюдениями.

Явление перемежаемости при естественной конвекции в воздушном объеме при малых перепадах температуры иллюстрирует рис. 1. На рисунке хорошо видно изменение периода - каскад удвоений и возврат к старому значению. В соответствии с теорией детерминированного хаоса, субгармонический каскад является одним из способов перехода к хаосу.

В связи с тем, что в системах с конвекцией происходят колебания различных параметров потоков, для изучения режимов конвективных течений удобно использовать спектральное представление временных серий этих характеристик. Известным и хорошо изученным методом получения спектрального представления временных зависимостей является преобразование Фурье этих зависимостей. Если х(Ч) -периодическая функция от I, то ее спектральное представление Х(0 можно определить как:

со

Х(0 = [хфехрГ-гтцТОЛ, где Го=1/Т. (3)

-00

Типичный вид спектра колебаний температуры при естественной конвекции в ограниченном объеме с воздухом при среднем уровне температур 20°С представлен на рис.2.

В настоящее время проявляется особенный интерес к описанным выше процессам при естественной конвекции в реальных физических системах.

Например, в оптической промышленности при существующих жестких требованиях к точности контроля крупногабаритных оптических элементов (с диаметром ~1м. и более) особое значение приобретает учет влияния рабочей среды на работу оптики, в первую очередь, в случае использования воздушных крупногабаритных оптических коллиматоров. Это связано с тем, что используемые в настоящее время крупногабаритные стенды работают нестабильно.

Поэтому необходимой частью проведения испытаний оптических изделий является контроль параметров рабочей среды коллиматора, оценка режима течения воздуха в условиях малых

перепадов температур и скоростей потоков.

Полученные при таком контроле данные являются основой для оценки искажений, вносимых неизотермической средой и анализа готовности коллиматора к работе, а также, для разработки дополнительных мер по стабилизации работы коллиматора, что

целесообразно при работе с оптикой диаметром менее 1м. В настоящее время актуальным является переход к новым оптическим стендам больших размеров, где обеспечение стабильной работы стенда является более сложной задачей. Получаемая при указанном контроле информация является основой для разработки новых стендов.

Решение этой задачи предполагает разработку таких методов наблюдения, которые позволяют получать необходимую информацию о состоянии коллиматора с точки зрения предъявляемых требований.

Таким образом, для проведения испытаний крупногабаритных оптических изделий на воздушных коллиматорах необходимо разработать методы наблюдения процессов естественной конвекции в ограниченном объеме при малых значениях перепадов температур и скоростей потоков.

В большинстве случаев достаточно точные модельные расчеты конвекции возможны только для упрощенных условий. С помощью таких расчетов можно приближенно оценить режим течения. В частности, модельные исследования естественной конвекции воздуха в ограниченных областях больших размеров (диаметр-1м.) показывают, что при граничных условиях, характерных для крупногабаритных коллиматоров, в рабочем объеме может возникать как ламинарное, так и турбулентное течение сложной структуры. Математическая оценка такого течения является практически очень сложной задачей. Поэтому удобным является экспериментальное наблюдение поведения подобных систем и анализ их состояния, измерение скоростей потоков и оценка режима течения на основе сведений об особенностях колебаний параметров конвективных потоков.

Глава 2. Во второй главе представлены: метод измерения распределений скоростей потоков в газовых и жидкостных объемах, и результаты экспериментального исследования естественной конвекции

Рис. 2 Спектр колебаний температуры воздуха в горизонтальном даливдре в контрольной точке при естественной конвекции (1)=1.7м.,Ь=24 м.).

в рабочем объеме крупногабаритного воздушного оптического стенда на основе разработанного метода.

Одним из наиболее широко применяемых методов измерения скоростей потоков при естественной конвекции, является метод лазерной доплеровской анемометрии. Однако, необходимость введения в поток хотя бы в небольшой концентрации взвешенных частиц исключает его использование для оптической системы, где принимаются специальные меры для сохранения однородности рабочей среды. Кроме того, практическая реализация данного метода для больших объемов отличается технической сложностью, ее стоимость оказывается выше стоимости проведения испытаний оптических изделий.

При исследовании естественной конвекции часто применяют методы термоанемометрии, основанные на зависимости теплообмена нагретого тела от скорости набегающего потока. При естественной конвекции, теплообмен чувствительного элемента происходит путем смешанной конвекции, так как восходящее течение, создаваемое нагретым чувствительным элементом вносит существенный вклад в механизм теплообмена. В этих условиях необходимо производить тарировку термоанемометра при той же ориентации потока, как и при измерениях. Это затрудняет применение данного метода для естественноконвективных потоков в больших объемах при неустойчивом режиме течения и заранее неизвестном направлении скорости потока в контрольных точках.

Известен метод измерения расхода, скорости потока, основанный на использовании вызванных турбулентностью потока или особыми течениями многофазных смесей случайных возмущений, например местных и нерегулярных колебаний давления, температуры, электропроводности, перемещения электрических зарядов. Особенность этого метода состоит в том, что два термодатчика должны быть установлены друг за другом строго по направлению скорости потока, так как отклонение от него приводит к внесению дополнительной погрешности в результат измерений. Использование высокочувствительных измерительных преобразователей позволяет измерять малые скорости. Однако, этот метод предполагает точное в пределах требуемой погрешности знание направления скорости исследуемого потока, то есть знание профиля скорости, что затрудняет использование метода для естественной конвекции в больших объемах.

Разработанный метод измерения распределения скоростей потоков основан на измерении времени прохождения т0 температурной неоднородности в потоке на участке известной длины. Результатом такого движения является изменение температуры потока в контрольных точках.

Сдвиг по времени х0 и соответствующая скорость потока V

(4)

между двумя

определяются по данным о взаимной фазовой 6ху(0 и амплитудной характеристиках Аху® сигналов х(Ч) и у(1), измеренных в двух точках:

где: й - частота пика Аху(0; Ь - расстояние контрольными точками.

Для получения этой информации в течении периода измерений Т с интервалом между измерениями Л производится N измерений температуры потока в к контрольных точках исследуемого объема. Результаты измерений температур обрабатываются с помощью методов спектрального анализа и вычисляются:

- функции взаимной спектральной плотности мощности (СПМ) -БхуСО колебаний температуры для пар контрольных точек:

I 1 N-111-1 Зху© = Т Хгху[т]ехрН2яМГ), гху(т) = -- Хх[п+т]-у[п], (5)

т=-Ь N т п=0

где: Гху[т] - дискретно - временная оценка взаимной корреляции длиной т; т,п - временные индексы; Ь - максимальный сдвиг; Г -частота; Т - период наблюдения.

- функции амплитудной частотной характеристики двух сигналов х(Ч) и у(0, измеренных в двух контрольных точках объема:

(6)

аху(0 =

ЯхуО

- фазовой частотной характеристики:

ехуф = агс16( 1т[8ху(0]/ке[8ху(0] ) . (7)

Функцию СПМ для всех контрольных точек можно представить в виде эрмитовой матрицы спектральной плотности мощности:

Гвцсо ■ • ■

ик1(0

(8)

Матрица СПМ состоит из элементов, соответствующих автоспектрам Бй, 1=1,..., к, и элементов, соответствующих взаимным спектрам Бу, 1 для всех возможных пар датчиков.

Присутствие на частоте пика у функции взаимной СПМ свидетельствует о том, что между сигналами х(1:) и у(Ч) существует взаимодействие. Величина этого пика и значение частоты характеризуют мощность и динамику наблюдаемого процесса.

Существенным отличием разработанного метода является совместное рассмотрение амплитудной и фазовой характеристик потока в различных точках, в результате чего становится возможным определение геометрии гоготностных неоднородностей, восстановление структуры потока. Вид фазовой характеристики 9xy(f) на частоте fo содержит информацию о направлении распространения сигнала и о характере движения (однонаправленное движение или возвратное -контур). Использование такого метода избавляет от необходимости предварительного определения направления потоков в контрольных точках.

Разработан следующий алгоритм проведения исследований на основе разработанного метода.

На I этапе должны быть проведены предварительные исследования, позволяющие оценить: диапазон скоростей наблюдаемых потоков [Vmm jVmax]; ДИапаЗОН перепадов температур [ATminjATmax]; минимальный размер контура течения, который необходимо зафиксировать - сЬсонг .min.

На II этапе на основе полученных сведений производится выбор системы контрольных точек с учетом условия:

Hrnin is dkoht.min-, (9)

где: Hmin - пространственный шаг сетки контрольных точек.

На III этапе производится оценка динамических параметров измерений:

Тнабл> —, At<—-— , (10)

inin ^max

где: Тнабл. - минимальный период наблюдения; At - шаг дискретизации по времени; [fmin; fmax] - диапазон частот измеряемой величины; п -количество измерений за период Т= 1/fmax.

На IV этапе на основе полученной информации необходимо выбрать измерительный преобразователь, удовлетворяющий следующим условиям:

od

[Ахиезер Н.И., Лекции по теории аппроксимации.

Изд. 2-е, перераб. и доп.- М.,Наука, 1965г., 407с.];

Хг

где: ^(t)^ - максимальное значение измеряемой величины; |x'(t)| - скорость изменения измеряемой величины; xBX(f) - минимальное значение измеряемой величины, которое необходимо зафиксировать при ее изменении с частотой f; хпорог - порог чувствительности

Wf)>™1, 02)

измерительного преобразователя; А(Г) - амплитудно-частотная характеристика измерительного преобразователя.

2. При использовании термопреобразователей

АТ-л

'V Л

зад., (13)

где: Ре - критерий Пекле; &

ш - максимальная амплитуда колебаний температуры; АТ - перепад температур между двумя контрольными точками; (Vконв./УгЕпл.)зад. - заданный предельный вклад скорости распространения тепловой волны в неподвижной среде посредством теплопроводности в измеряемое значение скорости течения при конвекции, удовлетворяющий требованиям погрешности.

На У этапе проводятся непосредственно измерения и обработка полученных данных на основе методов спектрального оценивания.

VI этап включает первичный анализ данных с целью:

1.оценки режима течения на основе определения фрактальной размерности V фазовой траектории наблюдаемого процесса (колебаний температуры) [Берже П., Помо И., Ввдаль К. Порядок в хаосе. О детерминистком подходе к турбулентности. Пер. с франц. - М.:Мир, 1991г., 368с.];

2. проверки наличия в потоке турбулентных областей в соответствии с законом Колмогорова-Обухова (2);

3. анализ набора мод колебаний в полученных спектрах с точки зрения наличия субгармонического каскада - признака перехода к турбулентности.

VII этап предполагает детальный анализ данных с целью определения вида течения ( однонаправленный поток или вихревое течение) и оценивания траектории течения, ее кривизны, длины траектории и соответствующей скорости течения. Оценка траектории течения производится на основе положения о невозможности течения газа или жидкости по ломаной траектории (при этом предполагается, что вихрь имеет форму эллипса) и решения системы уравнений, отображающей совпадение координат контрольных точек и траектории течения (рис.3):

\Ч=\*А

(14)

где: |Д.|- радиус-вектор контрольной точки; [й^ - радиус-вектор

точки траекто-рии потока, имеющей форму эллипса; 0(0,0) - начало координат.

Рис. 3

7

>Х

0(0,0)

Границы применения разработанного метода определяются:

1.заданным пространственным разрешением использованной сетки контрольных точек;

2.свойствами используемого измерительного преобразователя;

3.при измерении температуры достоверность измеренных значений скорости потока определяется соотношением конвективного и кондуктивного переносов тепла в общем балансе теплообмена при конвекции.

Преимущества разработанного метода состоят в том, что он позволяет:

1.проводить измерения малых скоростей потоков, в том числе в больших объемах;

2.проводить исследования течений в переходном режиме течения, являющемся в настоящее время мало изученным;

3.оценивать режим течения по данным измерений какой либо одной характеристики потока, при этом нет необходимости определять скорость течения;

4. фиксировать локальные особенности потоков - появление турбулентных областей и образование системы вихрей;

5. восстанавливать пространственную картину течения.

6. в случае применения других типов датчиков (не тепловых), как это показано в приложении 9, разработанный метод может быть применен для других областей, в частности для исследования псевдоожиженных слоев (например, с помощью датчиков вибраций).

Существенным преимуществом метода является то, что практическая реализация измерений на основе данного метода отличается невысокой стоимостью. Данный метод может служить альтернативой такому точному, но дорогому методу, как метод на основе эффекта Доплера. Это особенно актуально, когда допустимы неточности в определении локальных значений скоростей (погрешность может составлять несколько десятков процентов), но необходимо

проводить диагностику течения в целом и оценивать режим течения, а также, в случаях, когда необходимо проводить длительные наблюдения. Разработанный метод может быть также использован для комплексного анализа данных измерений локальных значений скоростей, полученных, например, с помощью термоанемометров.

Погрешность метода определяется:

1.свойствами измерительного прибора (A(f) - амплитудно-частотная характеристика измерительного преобразователя, хпорог. -порог чувствительности измерительного преобразователя);

2.границами пространственного разрешения, которые определяют сглаженность оценки линий потока и занижение значений скоростей; поэтому при недостаточном пространственном разрешении производится процедура оценивания параметров конвективных потоков;

3.погрешностью оценки фазовой характеристики взаимного спектра 9xy(f) (5). Если имеется m независимых реализаций процесса, то среднеквадратическая ошибка оценки 6ху(0 равна:

с. k.o.[9xy(f)] = |у xyf^d-y xy2)/2nd , (15)

YxyH^ff/CSx^SyyCf)), (16)

где: уху - обычная когерентность; Ьи. (f) Syy(f) - реализации собственных спектров сигналов х, у на частоте f.

Разработанный метод был применен для исследования и осуществления регулярного контроля естесгвенноконвективных потоков при нормальных условиях в рабочем объеме крупногабаритного воздушного оптического стенда, предназначенного для проведения технологических проверок при доводке и юстировке оптических изделий (d=1.7 м., L=24m.) (ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова).

В рассматриваемом случае модельные исследования были проведены к.т.н., доцентом Тихоновым C.B. В условиях ограниченного числа измерительных каналов с учетом предварительной информации была выбрана схема размещения датчиков, показанная на рис. 4, где основная их часть сгруппирована непосредственно в зоне прохождения оптического пучка. Дополнительные датчики размещены в граничной области потока для получения более полной информации о характере течения.

Для воздушного коллиматора максимальная частота колебаний температуры воздуха составляет fmax=1.4 • 10-3Гц. Для использованного в данном случае коррелограмного метода оценки СПМ максимальное значение c.K.o.mai[9iy(f)]~ 17%.

По данным измерений в среднем за период наблюдения Т=5ч.

перепад температур между двумя контрольными точками, расположенными в сечении цилиндра на расстоянии Ьу=0.18м. изменяется от 0.003К до 0.84К. Скорости течений в соответствии с предварительными оценками могут составлять от единиц мм/с до нескольких десятков мм/с. Для измерения скоростей потоков были использованы термисторы СТ4-16 с порогом чувствительности на уровне ~0.001К и А(£пм)=0.982, позволяющие фиксировать изменения температуры на уровне 0.001К, и, соответственно, измерять скорости потоков от ~1мм/с.

При данных условиях доля теплового потока Ргепл, переносимого посредством теплопроводности по отношению к конвективному тепловому потоку Рконв составляет менее 1% (Ре>100). Максимальное соотношение (V конв./Утепл.) ~40. Таким образом, разность температур в двух точках потока является мерой скорости движения воздуха на данном участке потока.

С помощью разработанного метода были получены экспериментальные данные о распределении скоростей потоков в горизонтальной цилиндрической полости, заполненной воздухом: диапазон скоростей течения воздуха составляет 0.7-ь22мм/с.

Восстановленная

проекция течений плоскость датчиков

структуры воздуха на расположения представлена

датчик 22

Рис.4 Схема двпжешш воздуха в сечении рабочего объема коллиматора (значения скоростей указаны в мм/с).

на рис.4. Величина безразмерного критерия Рэлея в данном случае составила

11а~107^ 4 • 108 в зависимости от перепада температур на диаметре цилиндрической полости - течение происходит в переходном, или даже турбулентном режиме.

Спектры колебаний температуры воздуха, содержат такой признак турбулентности, как изменение функции

спектральной плотности мощности в низкочастотной области по

закону (2), например, для датчика 22 - 8=1.57 • Ю-8©-'-67. Погрешность аппроксимации функции СПМ показательной функцией Б=С1 • ог5/3 составляет не более 5 %.

При анализе спектров колебаний температуры было также обнаружено наличие такого признака неустойчивости в рассматриваемой системе, как субгармонический каскад частот в спектре.

Оценка режима течения на основе методов теории детерминированного хаоса показала, что в потоке присутствуют турбулентные области (оценка фрактальной размерности процесса эволюции состояния системы составляет у~2.71). Таким образом, полученные оценки подтверждают предварительное определение характера течения, как переходного к турбулентному или турбулентного.

На основании полученных данных о распределении температур и скоростей потоков воздуха в рабочем объеме коллиматора были сделаны оценки оптических искажений, вызванных движением воздуха.

Значение оценки оптической разности хода составляет 5=0.27Х±0.12 (а=0.95) при изменении показателя преломления воздуха

в пределах п0 - 1 = (2.7195±0.0006)-1СГб , (а = 0.95) (А.=0.63 мкм.- длина

волны).

В соответствии с требованиями к погрешности восстановления волнового фронта коллиматора (ГОСТ 3.110584) она не должна превышать 0.07^. Наблюдаемые в оптическом канале конвективные токи могут вызвать оптические искажения до 0.39Х. Таким образом, данное состояние рабочей среды коллиматора не является благоприятным доя проведения испытаний оптических изделий.

Такое оценивание оптических искажений используется для первичного контроля готовности коллиматора к проведению испытаний (ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова").

Разработанный метод может быть применен для оптических систем, подобных рассмотренной.

Глава 3 посвящена результатам исследования конвективных потоков воздуха в замкнутой прямоугольной полости, проведенного с целью тестирования разработанного метода, сравнения результатов измерения с известными данными и оценки возможностей метода.

Использовались полученные ранее на кафедре КТиЭМ СПбГИТМО результаты экспериментов по измерению температуры воздуха в естесгвенноконвективном потоке в прямоугольной полости

размером 0.2x0.2x0.05 м3 при перепаде температур ДТ между горячей и холодной стенками в ДТ=20К. Было проведено сравнение результатов обработки экспериментов с результатами, полученными ранее Элдером [Elder J.W. Laminar free convection in a vertical slot. J.Fluid Mech., 1965, vol. 23, part 1,р.77]. Полученные оценки скоростей движения воздуха в прямоугольной полости для сопоставимых режимов течения (Ra~1.4 • 107) хорошо согласуются с результатами известных исследований.

На основе разработанного метода измерения распределения скоростей потоков была построена структура течения в прямоугольной полости (рис.5). Оценка других параметров режима течения позволила характеризовать его, как систему в режиме маломодового хаоса, где присутствуют турбулентные области, образуются вторичные контуры течений (оценка фрактальной размерности колебаний температуры

составляет v~2.7 для основной части потока, и V-1.8 для отдельных точек.

Присутствие в потоке вторичных контуров, установленное на основе разработанного метода, соответствует ранее полученным результатам для Ra~1.4* 107. Величина скоростей течения воздуха по Рис.5 Схема движения воздуха в объему В СООТВеТСТВИИ С

прямоугольной замкнутой полости результатами настоя-(зн а ч ен и « с к ор о ст ей в м м /с ). щего Исследования

изменяется в пределах 0.7мм/с -s- 90мм/с . На рис. б представлены данные о скорости течения в средней части полости (z=l/2h), полученные на основе модели Элдера и на основе разработанного метода (точками на рисунке показаны результаты, полученные на основе разработанного метода).

При детальном анализе мод колебаний температуры было обнаружено наличие субгармонического каскада частот, являющегося признаком дробления основного контура течения на более мелкие вторичные и третичные.

Функции СПМ колебаний температуры в нескольких точках объема хорошо описываются законом -5/3 в низкочастотной

Рис.6 Сопоставление результатов:

- модель Элдера;

О * разработанный метод.

области в виде 8=С1 • ог5/3. Погрешность аппроксимации по отношению к показательной функции 8=С1 • ш-5/3 составляет не более 4%. Указанный признак наблюдается только для точек объема, расположенных в зонах образования вторичных и третичных течений (рис. 5.).

Сравнение результатов, полученных с помощью разработанного метода и на основе модели Элдера показало, что:

1 полученные результаты являются сопоставимыми;

2 наличие в потоке двух вторичных контуров течений и их расположение соответствуют данным моделирования.

Ш. Заключение.

В результате выполнения диссертационной работы были достигнуты следующие результаты:

- разработан метод измерения распределений скоростей потоков в газовых и жидкостных объемах;

- разработаны рекомендации по практической реализации данного метода;

- с помощью разработанного метода получены экспериментальные данные о распределении скоростей и структуре конвективного движении воздуха в горизонтальной цилиндрической полости, представляющей собой рабочий объем крупногабаритного прецизионного оптического стенда-коллиматора;

- разработанный метод и полученные данные используются при контроле состояния воздушной среды крупногабаритного оптического коллиматора РП-211;

- с помощью разработанного метода получены данные о конвективных потоках воздуха в прямоугольной замкнутой полости, хорошо согласующиеся с известными результатами, проведена оценка возможностей метода;

- разработаны программные средства, позволяющие проводить оценку параметров и режимов течения конвективных потоков по экспериментальным данным с точки зрения теории детерминированного хаоса.

- модификация метода позволила получить данные по движению постороннего объекта в псевдоожиженном слое и определить области его наиболее вероятного нахождения.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Лютынская М.Е. (Звездина), Лукьянов Г.Н., КотовВ.В. Обеспечение термостатирования крупногабаритных воздушных стендов для юстировки оптических систем. - Известия Вузов.- С-Пб.:"Приборостроение", 1994г., N5-6, с.58-59.

2.3вездина М.Е., Резниченко В.В., Термостабилизация и термокоррекция зеркал с помощью локальных нагревателей. Оптический журнал- С-Пб.:ВНЦ "ГОИ им.С.И.Вавилова". Оптическое общество им. Д.С.Рождественского., N10, 1995, с.81-84.

З.Звездина М.Е., Резниченко В.В., Кулагина В.Н. Контроль поверхности зеркала с локальными нагревателями - Сборник трудов "SPIE", 1994, т.2361, с. 102-108.

4.3аявка N 95102221/28/00400/ от 14.02.95. Решение о выдаче патента от 8.01.97. Способ определения скоростей в газовых и жидкостных объемах// Лукьянов Г.Н., Звездина М.Е.

5.3вездина М.Е., Лукьянов Г.Н. Оценка погрешности измерения спектральными методами распределений скоростей газовой или жидкой среды. Известия Вузов.- С-Пб.:"Приборостроение", 1997г., N5.

б.Звездина М.Е., Котов В.В., Лукьянов Г.Н. Неустойчивость режимов течения воздушной среды и качество изображения в крупногабаритных воздушных оптических системах. Сборник тезисов конференции "Прикладная Опгика-96", N135.