автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка лазерных методов измерений кинематических параметров закрученных потоков

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3

1.Разработана методика визуализации и измерения в реальном времени поля скорости на основе полуконфокального оптического процессора с когерентной обратной связью. Метод основан на частотной демодуляции рассеянного света, формирзтощего изображение сечения потока, выделенного «лазерным ножом».

2. Функциональные возможности экспериментально подтверждены при визуализации и измерении поля скорости закрученного потока, создаваемого в цилиндре тангенциальной затопленной струей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 .Теоретически и экспериментально обосновано расширение функциональных возможностей оптико-волоконной лазерной анемометрии с двухпуч-ковой дифференциальной конфигурацией зондирующего поля на измерение 2Б вектора скорости в ортогональном координатном базисе с повышенной разрешающей способностью по заданным осям. Создан действующий макет измерителя, отличительной особенностью которого является увеличение более, чем на порядок, чувствительности измерения одной из компонент (уЛ = 3 Гц / (мкм / с) и Ух = 0.108 Гц / (мкм/с)) и исключение перекрёстных помех измерительных каналов.

2. Исследовано влияние теплового режима акустооптического преобразователя в лазерном доплеровском анемометре на погрешность измерений. Это влияние проявляется через искажения структуры зондирующего поля, временной масштаб которых определяется тепловыми релаксационными процессами в акустооптическом модуляторе.

3. С применением созданного 20-ВЛДА выполнены экспериментальные исследования динамической волновой структуры на поверхности вращающейся жидкости, твёрдых тел и тонких сферических оболочек, заполненных жидкостью. Выявлены стационарные в инерциальной системе отсчета волновые структуры, имеющие гироскопическую природу.

4.Экспериментально подтверждена предложенная Лэмбом теоретическая модель возбуждения тангенциальных и радиальных волн на поверхности вращающейся жидкости. Измеренные частоты тангенциальных волн совпадают с теоретическими оценками Саусвелла для вращающихся тонких пластин и плёнок.

5.Разработана методика визуализации и измерения в реальном времени поля скорости на основе полуконфокального оптического процессора с когено рентной обратной связью. Функциональные возможности экспериментально подтверждены при визуализации и измерении поля скорости закрученного потока, создаваемого в цилиндре тангенциальной затопленной струёй.

Полученные в диссертации результаты составляют теоретически и экспериментально обоснованную базу для развития лазерной измерительной техники, ориентированной на применение в научных исследованиях и в промышленных технологиях, связанных с необходимостью невозмущаюш;его контроля локальных и пространственных кинематических характеристик закрученных потоков конденсированных сред.

Работа выполнена в Институте теплофизики Сибирского отделения Российской академии наук.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному руководителю, заведующему лабораторией Оптические методы исследования потоков ИТ СО РАН д.т.н. Дубнищеву Ю.Н. за помощь и внимание, оказанное при выполнении диссертационной работы, научным сотрудникам лаборатории Оптических методов исследования потоков д.т.н. Меледину В.Г., к.т.н. Наумову И.В., Бакакину Г.В., Сотникову В.В. за техническое обеспечение верстки материалов. Автор также считает необходимым выразить признательность к.т.н. Белоусову П.Я., Белоусову А.П. за помощь при выполнении отдельных этапов работы и полезные обсуждения содержания диссертации.

1. Foreman J.W., George E.W., Lewis R.D. Measurement of localized flowvelocities in gases with a laser Doppler flowmeter// Appl.Phys.-1965. Vol.7, № 4.-P. 77-78.

2. Голстейн и Крейд. Применение лазера для исследования ламинарноготечения в квадратном канале// Прикл. механика. Рус. пер. Сер. Е. 1967. - Т. 34, № 4 - С. 88-94.

3. Fridman J.D.,Huffaker R.M.Hinnard R.F.Laser Doppler system measuresthree-dimensional vector velocity and turbulence// Laser Focus.-1968.-Vol.4, Xo21. -P.34-38.

4. Ринкевичюс B.C. Применение ОКГ для определения скорости частиц вдвухфазной струе методом гетеродинирования// Радиотехника и электроника, 1969.- Т. 14, № 10. С. 1903.

5. Дубнищев Ю.Н., Коронкевич В.П., Соболев B.C. и др. Измерениескорости в потоке жидкости с использованием эффекта Доплера// Автометрия. 1969, № 6.- С. 115.

6. Мауо W.T. Simplified laser Doppler vellosmeter optica // J.Phys. E.-1970.1. Vol. 3.- P.235.

7. Vasilenco Yu.G.,Dubnistchev Yu.N.,Koronkevitch V.P. et.al.Laser velocitymeter-comparative study// Optics and Laser Technology. -1972.-Vol. 4, №6.- P.270.

8. Wang C.P.Instantaneous turbulence velocity measurement by laser velocimeter// Appl.Phys. Lett.-1972.-Vol.20, № 9.- P.339-341.

9. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меле дин В.Г. Когерентно-оптическиеметоды измерения скорости потоков// Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков: Материалы 1-й Всесоюз. конф. Алушта, 17-20 мая 1988 г. Харьков, 1988.-С. 9-10.

10. Лазерные доплеровские измерители скорости газовых потоков /Отв.ред.проф. Г.Л.Гродзовский. М.: ЦАГИ, 1976. - С. 286. - (Тр. ЦАГИ; Сб. № I; Вып. 1750).

11. Лазерные измерительные системы// А.С.Батраков, М.М.Бутусов,

12. Г.П.Гречка и др.; Отв. ред. Д.П.Лукьянов, М.: Радио и связь, 1981. С. 456.

13. Дубнищев Ю.Н. Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровскойанемометрии// М.: Наука, 1982.- С. 304.

14. Лазерная анемометрия, дистанционная спектроскопия иинтерферометрия: Справочник// В.П.Клочков. Л.Ф.Козлов, И.Ф.Потыкевич и др.: Под ред М.С.Соскин. Киев: Наукова думка, 1985.- С. 759.

15. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.П., Меледин В.Г. Лазерный доплеровский измеритель скорости. A.c. № 1431498.

16. Lehman В. Geschwindigkeitsmessung mit Laser-Doppler verfahren// Wiss.

17. Ber. AEG Telefunken.-1968.-Bd.41, № 3.- P.141-145.

18. Rudd M.J. A new theoretical model for the laser Doppler meter//

19. J.Sci.Instrum.-Ser.2.-1969.-Vol.2, № 1.- P.55-58.

20. Дубнищев Ю.Н., Ковщов Ю.М. Лазерный доплеровский анемометр,нечувствительный к геометрии падающего пучка// Автометрия. 1971. -№3.-С. 87-90.

21. А.С. 4011231 СССР, МКИ ОН Р. 3/36. Лазерный доплеровский измеритель скорости потока. / Дубнищев Ю.Н. // Открытия. Изобретения, 1974. № 25.

22. А.С. 413892 СССР, МКИ 01 р 3/36. Устройство для измерения скоростидвижения// Дубнищев Ю.Н., Василенко Ю.Г.// Открытия. Изобретения, 1974. 33.

23. Дубнищев Ю.Н., Ватрушкин А.И., Попова Т.Я. Лазерный доплеровскийизмеритель скорости с компенсацией аддитивной составляющей помех и шумов// Оптика и спектроскопия, 1974. Т.36, № 6. - С. 1184.

24. Dubnistchev Yu.N., Vasilenco Yu.G. Analysis of optical compensatingschemes of Laser Doppler velosimeters// Optic and Laser Technology. -I974.-V0I. 6, № 5.- P. 225-231.

25. Wang J.Measurement accuracy of flow velocity via a digital-frequencycounter laser velocimeter process.The Accuracy of Flow Measurements by Laser-Doppler Methods: Proc.LDA symp.-1975. Kopenhagen a.o.,1975.-P.354.

26. Васильев A.B., Чудов В.Л. Измерение поля скорости доплеровским методом// Тр. Моск. энерг. ин-та - 1979. Вып. 422. - С. 73-75.

27. Васильев А.В. Разработка и исследование многоканальных лазерных доплеровских анемометров// Автореф. дне. канд.техн.наук: М. ВНИИОФИ. 1982.-с. 18.

28. Дубнищев Ю.Н., Жмудь В.А. и др. Применение полупроводниковоголазера в когерентно-оптическом измерителе скорости// Автометрия, 1984.-№ 1. С. 110-111.

29. Naotaka Ohtsuka.Development status of semiconduktor lasers for consumer use and O.A. equipment// J.of Electronic Engineering.-1986.-Vol.23, № 236.-P.54-55.

30. Jenthmk H.W.,F.F.M. de Mul,Suichies H.E.,e.a. Small laser Dopplervelocimeter based on the self mixxing effect in a diode laser// Appl.Opt.-1988.-Vol.27, № 2.-P.379-385.

31. Deighton M.O., Sayle E.A. An electronic tracker for the continiousmeasurement of Doppler frequency from a laser anemometer// DISA Information, 1971. № 12. - P. 5-10.

32. Durrany T.S., Created C. Theory of LDV tracking systems// IEEE

33. Transaction on Aerospace and Electonic Systems, 1974. Vol. AES-10. - № 4. P. 67-98.

34. Whilmshutst Т.Н., Risso J.E. A autodine frequency tracker for laser Doppler anemometry// J. of Phys., 1974. Vol. E7. - P.924-930.

35. Титков В.И., Томсонс Я.Я. Следящий приемник доплеровского сигнала

36. ЛДИС// 2-я Всесоюз.конф. по методам аэрофизических исследований: Тез. докл. 28 мая 1 июня 1979 г. - Новосибирск, 1979. - Ч.З. - С. 26-28.

37. Жмудь В.А. Следящий процессор для обработки сигналов ЛДИС в режиме обратного рассеяния// Автометрия, 1988. № 6. - С. 28-33.

38. Топака J., Benedek СВ. Measurement ofthe velocity of blood (in vivo) usinga fiber optic and optical mixing spectroscopy// App. Optics. -1975. Vol.14 № 1.

39. Toda H., Haruna M., Nishihara H. Integrated-optic fiber laser Dopplervelocimeter: proposal and first demonstration// 4 Internal. Conference on optical fiber sensors (OFS-86).- Tokyo, 1986. P. 97-100.

40. Евсеев A.P., Орлов A.B. Дифференциальный доплеровский измерительскорости с волоконными световодами// Автометрия. -1986 г. № 6.

41. Дианов Е.М., ^струев В.Б., Хотяинцев С.^, Яровой Л.К. Доплеровскиеизмерители скорости дифференциального типа с одномодовыми световодами//Квантовая электроника Т. 13. № 8. 1986. С. 1733-1736.

42. Хотяинцев С.^, Яровой Л.К. Дифференциальный доплеровскийизмеритель скорости с волоконным трактом и миниатюрной оптической излучающей головкой// Квантовая электроника. Т. 16. № 6. 1989 г.

43. Яровой Л.К. Практические пути миниатюризации волоконных зондов

44. ЛДИС// Сибирский физико-технический журнал. Вып. 2. 1992 г.

45. Хотяинцев СИ. Волоконно-оптическая техника диагностики потоков //

46. Известия Сибирского отделения АH СССР /серия техн. науки/.-1990, № 4, С. 38-42.

47. Дубнищев Ю.^ Методы селекции вектора скорости в лазернойдоплеровской анемометрии// Автометрия 1996. № 2 С. 13.

48. Актуальные вопросы теплофизики и физической гидрогазодинамики: Материалы 5-ой Международной конференции молодых ученых. -Новосибирск, 1998 г. С. 356-359.

49. Колычев А.М., Ринкевичюс В.С., Чудов В.П. Двухкомпонентный ОДИСс ультразвуковым модулятором// Радиотехника и электроника, 1975. -Т. 2 0, № 10.-С. 2215-2219.

50. Василенко Ю.Г. Разработка оптических схем в двухчастотной лазерной доплеровской анемометрии: Автореф. дне. канд.техн.наук: 05.11.07/ Ин-т автомат, и электрометр. СО АН СССР. Новосибирск, 1980. - С. 18.

51. Белоуосов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Полупроводниковый лазерный измеритель для доплеровской анемометрии// Новосибирск,1987. С. 33. - (Препринт / АН СССР. Сиб. отд. Ин-т автомат, и электрометрии; № 357).

52. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Меледин В.Г. Оптический измерительскорости на основе полупроводникового лазера// Квантовая электроника, 1988. Т. 1, №з. С.633-635.

53. Belousov P.Ya., Dubnishchev Yu.N., Meledin V.G. An optical velocimeter onthe basis of a semiconductor laser// Modem Techniques and Measurements in fluid flows. Proc. Int. Conf - Beijing. - Pergamon Press, 1989. - P. 503507.

54. Хабахпашева E.M. Исследование пристенной турбулентности методомстробоскопической визуализации// Пристенная турбулентность. Сб. статей под ред. С.С. Кутателадзе СО АН СССР Ин-т теплофизики. -Новосибирск 1968 г. С. 142.

55. Utami Т. and Veno Т. Visualization and picture processing of turbulent flow//

56. Experiments in fluids, 1984, V. 2, P. 25-32.

57. Adrian R.J. Particle Imaging Techniques for Experimental fluid Mechanics//

58. Annual Review of Fluid Mechanics, 1991, v. 23.

59. Hirshberg I.G. Fried W.I. A polarization Fabry-Perot duochromator//

60. Appl.0pt.-1970.-Vol.9,-P.l 137.

61. Dobele H.F., Massig J.H. Application of a Fabry-Perot spectrometer to themeasurement of spectral line shifts much smaller than line width // Appl.0pt.-1976.-Vol. 15, № 1.-P.69-72.

62. A.C. 567141 СССР, МКИ G 01 p 3/36. Способ измерения поля скоростидвижущихся сред// П.Я.Белоусов, Ю.Н. Дубнищев Открытия.1. Изобретения, 1977. № 28.

63. Belousov P.Ya.,Dubnistchev Yu.N.The application of an optical Dopplerfrequensy discriminations in a laser velocimeter// Optics and Laser Technology.-1977. № 5.P.229-231.

64. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Павлов B.A. Лазерный измерительскорости с применением оптического дискриминатора доплеровской частоты// Оптика и спектроскопия, 1977. Т. 43. - С. 775.

65. БелоусовП.Я. Измеритель локальной скорости на основе сканируемогочастотного дискриминатора// Лазерная доплеровская анемометрия и ее применение: Тез. Всесоюз. семин., Новосибирск, октябрь 1980. СИ.

66. Белоусов П.Я. Измеритель локальной скорости на основе сканируемого

67. ОЧД// Автометрия, 1982. № 3. - С. 107.

68. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Пальчикова И.Г. Измерение поляскорости потоков// Лазерная доплеровская анемометрия и ее применение: Тез. Всесоюз. семин., Новосибирск, октябрь 1980. С. 7.

69. Белоусов П.Я., Дубнищев Ю.Н., Пальчикова И.Г. Измерение поляскорости потоков// Автометрия, 1982. № 3. - С. 34.

70. Ламб Г. Гидродинамика// Д.: Гос. издательство технико-теоретическойлитературы, 1947 г. С. 928.

71. Сретенский Л.Н. М. Теория волновых движений жидкости// -Л.: ОНТИ1. НКТД СССР, 1936. С. 303.

72. Ле Блон П., Майсек Л. Волны в океане// Ч. 1 Мир. 1998 г. - С. 480.

73. Арбузов В.А., Дубнищев Ю.Н., Лебедев A.B. и др. Наблюдениекрупномасштабных структур в вихревой трубке и эффект ранка// Письма в ЖТФ. -1997 г. т. 24. в. 17. - С. 54-58.

74. Тимошенко СП. Колебания в инженерном деле// Москва "Физматгиз"1959 г.- С. 426-436.

75. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости// Т.7. Москва. Наука. 1987г. С. 139.

76. Бабаков И.М. Теория колебаний// Москва 1958 г. С. 401-417.

77. Munk W.H., Macdonald Cj.F. The rotation of the Earth// Cambridge

78. University Press 1960. P. 186.

79. Белоусов B.B. Основы геотектоники//Москва "Недра" 1989 г. С. 90.

80. Базилевский Ю.С., Чичерин И.А. Применение лазерной доплеровской анемометрии для исследования характеристик турбулентного пограничного слоя в безградиентном и градиентном потоках// Автометрия. 2000. №5. -С40-43.

81. Машек И.Ч., Метаферия X., Чайка М.П. Исследование реального конфокального интерферометра// Вести. ЛГУ 1989. Сер.4. вьш.2.-С89-91.

82. Машек И.Ч., Метаферия X., Чайка М.П. Сферический интерферометр с корректируемой аппаратной функцией// Оптика и спектроскопия. 1989. Т.66.-С13 12-1366.124

83. DIS A SSL90a Counter processor // DIS A mat. Reg. № 9150 A6474. -Denmark, 1979. P. 37-39.

84. Марпл-мл. СЛ. Цифровой спектральный анализ и его приложения// Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 584 с.

85. Применение цифровой обработки сигналов // Отв. ред. Оппенгейм Э.: Пер. с англ. М.: Мир, 1980. - 552 с.

86. Гречихин В.А., Ринкевичюс Б.С. Цифровые методы обработки сигналов в лазерной анемометрии и виброметрии // Автометрия, 1998. № 6. - С. 93-105.

87. Drain L.E. The laser Doppler technique. John Wiley and Sons, 1986. - P. 270.