Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта при ограниченном разрешении приемника изображений

Изобретение относится к области экспериментальной аэро- и гидродинамики, в частности к оптическим способам исследований структуры потока газа или жидкости на поверхности объектов, и может быть использовано для визуализации течения газа или жидкости на поверхности подвижных объектов. Исследуемую поверхность объекта покрывают слоем вязкой жидкости, на которую наносят оптически инородные твердые частицы в виде плоских тел, размер которых соизмерим с пространственным разрешением приемника изображения, а толщина меньше толщины слоя вязкой жидкости. Под действием внешнего потока частицы перемещаются вместе с вязкой жидкостью, не меняя своего состояния. При интересующем режиме потока газа или жидкости с помощью приемника изображений регистрируют два или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта. Анализируя зарегистрированную последовательность изображений, определяют параметры движения твердых частиц и из полученных параметров восстанавливают картину течения газа или жидкости на поверхности объекта. Благодаря тому, что частицы смещаются незначительно и не оставляют следов, объект может быть повторно использован для исследования другого режима обтекания. Плоские частицы могут создаваться путем нанесения на поверхность вязкой жидкости капель раствора полимера или жидкого мономера, выбираемого так, чтобы данные капли растекались по поверхности вязкой жидкости, не смешиваясь с ней, и, высыхая или полимеризуясь, образовывали плоские тела. Технический результат заключается в обеспечении возможности исследования течения газа или жидкости на поверхности объектов при ограниченном разрешении приемника изображений. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области экспериментальной аэро- и гидродинамики, в частности к оптическим способам исследований структуры потока газа или жидкости на поверхности объектов. Визуализация поверхностных течений позволяет определять предельные линии тока, наличие и формы областей отрыва пограничного слоя, скачков уплотнения, положение линии перехода пограничного слоя, а также получать представление о распределении напряжения трения.

Известен и широко применяется в мире для визуализации поверхностных течений метод жидкой пленки ("Авиация: Энциклопедия", М.: Большая Российская Энциклопедия, 1994, с.137). В данном методе визуализирующая жидкость равномерно наносится на поверхность исследуемой модели перед опытом. Под действием внешнего потока слой жидкости утолщается у линии отрыва пограничного слоя и становится тоньше у линии присоединения потока. Добавление в жидкость твердой примеси позволяет визуализировать предельные линии тока.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ визуализации течения газа или жидкости путем нанесения на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, введения на поверхность вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещения объекта в поток газа или жидкости, регистрации при интересующем режиме потока газа или жидкости двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта, определения параметров движения твердых частиц на поверхности вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановления из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта (В.Е.Мошаров, А.А.Орлов, В.Н.Радченко. "Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта", заявка на патент России №205106649 от 14.03.2005, решение о выдаче патента от 28.04.2006 г., а также В.Е.Мошаров, А.А.Орлов, В.Н.Радченко. "Использование корреляции в методе визуализации поверхностных течений масляной пленкой", труды конференции "Оптические методы исследования потоков", г.Москва, 2005). Преимуществом данного способа является возможность исследовать несколько режимов обтекания за одну подготовку объекта, а также нечувствительность метода к нерасчетным режимам обтекания во время запуска и остановки потока.

Недостатком известного способа является то, что его затруднительно использовать для исследования течения на поверхности объекта при ограниченном пространственном разрешении приемника изображения, особенно при исследовании больших объектов. Слой вязкой жидкости на поверхности объекта не должен быть толстым, чтобы не оказывать влияния на картину обтекания объекта (приемлемая толщина масляной пленки - 20÷40 мкм, максимум 80 мкм), а размер частиц должен быть меньше толщины масляной пленки. Как следствие, размер частиц оказывается меньше пространственного разрешения приемника изображения. Пространственное разрешение приемника изображения описывает минимальное расстояние между двумя контрастными объектами, при котором они будут различимы, и может ограничиваться разрешением объектива или разрешением чувствительного элемента (для пленочных камер - зерном фотоматериала, для цифровых - количеством пикселей ПЗС или КМОП матрицы). Т.е. в цифровых камерах пиксель матрицы экспонируется всего одной частицей.

Проблема, связанная с малым размером частиц, обусловлена необходимостью обеспечить достаточный контраст изображений (глубину модуляции изображений) при увеличении размера объекта. Глубина модуляции изображения - это отношение превышения сигнала изображения, обусловленного регистрируемой частицей, над уровнем фонового сигнала, обусловленного паразитными подсветками (рассеянный свет, люминесценция поверхности объекта, люминесценция вязкой жидкости и т.п.), к данному фоновому сигналу. Для выполнения последующего анализа изображений необходимо, чтобы глубина модуляции существенно превосходила уровень шумов изображения, в противном случае анализ изображений становится проблематичным. В случае регистрации частиц в рассеянном свете контраст изображения частицы η зависит от соотношения размера частицы d и размера проекции пикселя матрицы на поверхность исследуемой модели а и для белой частицы на черном фоне - от соотношения коэффициентов отражения света частицы r_p и поверхности модели r_s.

Коэффициент отражения лучшей черной матовой краски не ниже 0,1, а самая белая частица имеет r_p=0,9, т.е. отношение r_p/r_s не может быть больше 9. Таким образом, из формулы следует, что размер частицы не может быть меньше 0,1a, в противном случае она будет практически неразличима. Регистрация же черных частиц на белом фоне еще более проблематична, так как уровень фона в этом случае будет на порядок выше и размер частиц должен быть не меньше половины размера проекции пикселя матрицы.

Использование люминесцирующих частиц (например, кристаллофосфоров) позволяет существенно увеличить контраст. Люминесценция таких частиц возбуждается источником света, излучающим свет подходящего спектрального диапазона. При этом источник возбуждающего света и регистрирующая камера должны быть снабжены соответствующими перекрывающимися оптическими фильтрами, обеспечивающими регистрацию только света люминесценции и исключающими рассеянный свет.

Глубина модуляции η в данном случае зависит от квадрата отношения диаметра частицы d к размеру проекции пикселя на исследуемой поверхности а, от квантового выхода люминесценции частиц кристаллофосфора θ_p≤1, от квантового выхода люминесценции поверхности объекта и вязкой жидкости θ_S˜10^-2÷10^-4 и от эффективности скрещивания оптических фильтров источника возбуждающего света и камеры ε˜10^-2÷10^-4 как:

где r - коэффициент отражения возбуждающего света от поверхности объекта, покрытой вязкой жидкостью (r≤1). Очевидно, что увеличение размера объекта при неизменном разрешении ПЗС или КМОП матрицы ведет к уменьшению глубины модуляции пропорционально квадрату размера модели (L²). Люминесценция поверхности объекта и вязкой жидкости мала, но она существует и может уменьшать глубину модуляции. Оптимистическая оценка показывает, что в случае объекта размером 0,1 м и ПЗС матрицы разрешением 1000×1000, глубина модуляции для частиц размером 5 мкм может достигать 10, в то время как для объекта размером 1 м - только 0,1, что становится сопоставимым с шумами изображений и делает анализ изображений проблематичным.

Другая проблема, связанная с малым размером частиц, обусловлена необходимостью обеспечить достаточный уровень регистрируемого сигнала при увеличении размера объекта. В случае малого размера частиц увеличение размера объекта L при неизменных разрешении ПЗС или КМОП матрицы и энергии источника возбуждающего света приводят, с одной стороны, к уменьшению интенсивности возбуждающего света как L² и, с другой стороны, к уменьшению угла сбора света от частицы как L². В результате энергия возбуждающего света должна быть увеличена пропорционально L⁴, чтобы обеспечить постоянство величины интенсивности, регистрируемой на изображении, например, 10-кратное увеличение размера исследуемого объекта требует 10000-кратного увеличения энергии возбуждающего света.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение возможности исследования течения газа или жидкости на поверхности объектов при ограниченном разрешении приемника изображений. Данная задача является особенно актуальной для больших объектов.

Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что в известном способе визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта, заключающемся в нанесении на исследуемую поверхность объекта слоя вязкой жидкости, нанесении на поверхность вязкой жидкости нерастворимых в ней твердых оптически инородных частиц, помещении объекта в поток газа или жидкости, регистрации с помощью приемника изображений двух или более последовательных изображений распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта при интересующем режиме потока газа или жидкости, определении параметров движения твердых частиц на поверхности вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстановлении из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, при этом твердые оптически инородные частицы наносят на поверхность вязкой жидкости в виде плоских тел, размер которых соизмерим с пространственным разрешением приемника изображения, а толщина - меньше толщины слоя вязкой жидкости. Частица, площадь которой соизмерима или больше площади проекции пикселя ПЗС или КМОП матрицы на поверхность объекта, обеспечивает максимальную глубину модуляции изображения и максимальную регистрируемую яркость люминесцентных частиц.

Один из способов формирования частиц на поверхности вязкой жидкости в форме плоских тел - это нанесение жидких капель, которые растекаются по поверхности вязкой жидкости и затвердевают. Это может быть раствор полимера, который затвердевает после испарения растворителя, или жидкий мономер, который полимеризуется после растекания. При этом раствор полимера или мономер должны удовлетворять двум требованиям. Во-первых, их плотность в жидком виде и после отверждения не должна быть больше плотности вязкой жидкости, в противном случае капли будут тонуть в вязкой жидкости и прилипать к поверхности объекта. Во-вторых, удельная свободная поверхностная энергия жидкой капли (поверхностное натяжение) должна быть ниже удельной свободной поверхностной энергии вязкой жидкости, чтобы заставить капли растекаться по поверхности вязкой жидкости и формировать плоские тела.

Чтобы обеспечить оптическую отличимость получаемых плоских тел от вязкой жидкости, в раствор полимера или жидкий мономер можно дополнительно ввести пигмент, либо краситель, либо люминофор.

На фиг.1 схематично изображено сечение части поверхности объекта, покрытого слоем вязкой жидкости с нанесенными на ее поверхность частицами в виде плоских тел.

На фиг.2 приведено изображение консоли крыла модели маневренного самолета полуразмахом 0,7 м с нанесенным на ее поверхность слоем вязкой жидкости и люминесцентными частицами в виде плоских тел.

На фиг.3 приведена картина восстановленных предельных линий тока на поверхности консоли крыла полуразмахом 0,7 м при угле атаки 10° и скорости набегающего потока 50 м/с.

Осуществление предлагаемого способа рассмотрим на примере визуализации обтекания консоли крыла маневренного самолета полуразмахом 0,7 м в дозвуковой аэродинамической трубе. Для реализации способа поверхность крыла покрывалась слоем вязкой жидкости. Вязкая жидкость представляла собой глицерин, загущенный до вязкости 7000 cCm. Вязкая жидкость наносилась в виде спиртового раствора с помощью пульверизатора. После испарения спирта толщина слоя вязкой жидкости не превышала 80 мкм. Состав для нанесения частиц представлял собой раствор полистирола в толуоле с добавлением органического люминофора «Кумарин-30». Плотность как полистирола, так и толуола меньше плотности глицерина, что обеспечивает плавучесть как жидких капель, так и полистирола. Поверхностное натяжение раствора полистирола в толуоле меньше поверхностного натяжения глицерина, что обеспечивает растекание капель раствора по поверхности глицерина и формирование плоских частиц полистирола. Частицы на поверхность вязкой жидкости наносились при помощи специальной щетки, волоски которой находились на расстоянии около 5 мм друг от друга. Щетка вначале опускалась в приготовленный состав, а затем несколько раз прикладывалась к поверхности модели. Капли состава с волосков попадали на поверхность вязкой жидкости и тут же растекались, образовывая плоские тела («блины») размером 1÷5 мм. При растекании площадь капли многократно увеличивается, что приводит к быстрому испарению толуола и отверждению «блина». На фиг.1 схематично изображено сечение части поверхности объекта (1), покрытого слоем вязкой жидкости (2) с нанесенными на ее поверхность частицами в виде плоских тел (3) в исследуемом потоке (4).

Изображение готовой к испытаниям модели при освещении УФ-излучением показано на фиг.2.

Освещалась модель УФ-излучением от импульсной лампы. Электрическая мощность лампы была около 600 Дж, а продолжительность вспышки - менее 2 мс. Расстояние от лампы до модели составляло около 3 м. Изображение модели регистрировалось цифровой ПЗС камерой с разрешением 1360×1024 пикселей, что обусловило пространственное разрешение камеры около 0,7 мм/пиксель. Объектив камеры был снабжен желтым стеклянным фильтром, скрещенным с УФ-фильтром импульсной лампы.

Модель испытывалась при скорости потока 50 м/с при различных углах атаки в диапазоне 0÷30 градусов. Примерно 10 углов атаки исследовалось после каждой подготовки модели за один пуск. На каждом угле атаки регистрировалось по два изображения через 30 с.

Для получения параметров движения частиц пары изображений обрабатывались методом кросскорреляционного анализа, так же как и в методе анемометрии изображений частиц. Для этого с субпиксельной точностью определялись максимумы кросскорреляционной функции для небольшого окна изображений (32×32 пикселя). Шаг окна анализа изображений был 16×16 пикселей. Эти максимумы дают наиболее вероятные вектора смещения участков изображения, соответствующих окну обработки. Картина течения восстанавливалась из массива векторов смещения в виде предельных линий тока (Фиг.3).

Описанный пример иллюстрирует применение предлагаемого способа для визуализации течения газа на поверхности объекта. С равным успехом данный способ может быть применен и для визуализации поверхностных течений жидкости при условии, что вязкая жидкость, наносимая на исследуемую поверхность, не растворяется в жидкости внешнего потока.

Предложенный способ позволил исследовать обтекание модели большого размера (1,4 м). При этом применялись ПЗС камера того же разрешения и импульсная лампа той же мощности, что и при исследовании модели размером 0,1 м, когда использовались мелкозернистые частички кристаллофосфора.

1. Способ визуализации течения газа или жидкости на поверхности объекта при ограниченном разрешении приемника изображений, в котором на исследуемую поверхность объекта наносят слой вязкой жидкости, на поверхность которой, в свою очередь, наносят не растворимые в ней твердые оптически инородные частицы, помещают объект в поток газа или жидкости, регистрируют с помощью приемника изображений два или более последовательных изображения распределения твердых частиц на исследуемой поверхности объекта при интересующем режиме потока газа или жидкости, определяют параметры движения твердых частиц на поверхности вязкой жидкости путем анализа зарегистрированной последовательности изображений и восстанавливают из полученных параметров движения частиц картины течения газа или жидкости на поверхности объекта, отличающийся тем, что твердые оптически инородные частицы наносят на поверхность вязкой жидкости в виде плоских тел, размер которых соизмерим с пространственным разрешением приемника изображения, а толщина - меньше толщины слоя вязкой жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что плоские тела создают путем нанесения на поверхность вязкой жидкости капель раствора полимера или жидкого мономера, которые подбирают так, чтобы капли растекались по поверхности вязкой жидкости, не смешиваясь с ней, и, высыхая или полимеризуясь, образовывали плоские тела.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что раствор полимера или жидкий мономер выбирают так, чтобы его плотность была не больше плотности вязкой жидкости, а поверхностное натяжение было меньше поверхностного натяжения вязкой жидкости.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в мономер или раствор полимера дополнительно вводят либо пигмент, либо краситель, либо люминофор, которые подбирают так, чтобы обеспечить оптическую отличимость получаемых плоских тел от вязкой жидкости.