Главная – Журналы – Автометрия 2012 номер 3

Описана новая технология визуализации и диагностики прозрачных сред с градиентными неоднородностями - трёхмерная лазерная рефрактография, основанная на рефракции пространственно структурированного лазерного излучения, цифровой регистрации и обработке двумерных (в прошедшем излучении) или трёхмерных (в рассеянном излучении) рефракционных картин. Представлены результаты компьютерного моделирования трёхмерных рефракционных картин (3D-рефрактограмм) для сферически- и плоскослоистых сред. Приведено описание схемы установки для наблюдения 3D-рефрактограмм в рассеянном излучении, изложена методика их получения по экспериментальным двумерным рефракционным картинам и даны примеры компьютерной обработки экспериментальных данных.

Методами гильберт-оптики выполнены экспериментальные исследования эволюции вихревых структур, индуцированных скачком давления на выходном отверстии камеры. Рассмотрены различные типы оптических фильтров, реализующих преобразования Гильберта и Фуко - Гильберта. Цветная визуализация полей фазовой оптической плотности вихревых структур в воздушной среде осуществлялась с использованием линейного источника белого света и квадрантного гильберт-фильтра.

Представлено описание ряда современных оптических методов, используемых для диагностики реагирующих течений. Детально обсуждены аспекты применения современных модификаций методики PIV (Stereo-PIV, High-repetition PIV, Tomo-PIV) для измерения полей мгновенной скорости в реагирующих течениях. На примере исследования турбулентного закрученного пропановоздушного пламени и изотермической струи продемонстрированы возможности метода PIV, а также спектроскопии излучения пламени (радикала CH^*) для получения данных о пространственной структуре потока и пламени.

Рассмотрен метод квазиоптимальной обработки сигналов лазерного доплеровского виброметра (ЛДВ) для случая моногармонических колебаний. При некоторых допущениях решена задача квазиоптимального оценивания информационного параметра сигнала ЛДВ, связанного через известный постоянный множитель с относительной амплитудой вибросмещения. Предложена структура устройства оценивания. Приведены условия оптимальности метода. С помощью численного моделирования исследованы статистические характеристики получаемых оценок относительной амплитуды вибросмещения. Проведено сравнение погрешности этих оценок с границами Рао - Крамера.

Обнаружен новый тип вынужденного рассеяния света - вынужденное низкочастотное комбинационное рассеяние (ВНКР), возникающее в результате взаимодействия лазерных импульсов с акустическими колебаниями элементов структуры наноструктурированных материалов. Показано, что ВНКР образуется в средах с различным составом, с разной степенью упорядоченности и с различной морфологией. Измерены частотные сдвиги компонент ВНКР. Предложен ряд практических приложений эффекта, в частности создание с его помощью бигармонической накачки.

Исследование мотивировано появлением методов измерения размеров частиц в двухфазных потоках, основанных на локальном взаимодействии света с рассеивающей частицей. Локализация легко интерпретируется в рамках лучевой оптики частицы, которая, однако, не охватывает всех эффектов взаимодействия. Рассмотрены эффекты, выходящие за рамки традиционных представлений о суммарном действии механизмов геометрической оптики и дифракции волны на частице как на непрозрачном диске, в частности поверхностные волны и комплексные лучи. Выполненный анализ результатов математического моделирования позволил уточнить вклады эффектов в рассеяние и положение точек локализации взаимодействия с частицей.

Разработана методика моделирования рефракционных картин структурированного лазерного излучения, распространяющегося в оптически неоднородных средах. Использованы волновые модели структурированных пучков, позволяющие одновременно учитывать рефракционные и дифракционные эффекты. Представлены результаты моделирования рефракции в градиентных неоднородностях, полученные на основе метода Кирхгофа и спектрального метода.

Создан экспериментальный комбинированный оптический и тепловизионный комплекс, позволяющий исследовать рэлей-бенаровскую конвекцию жидкости в слое с двумя жёсткими изотермическими границами и со свободной верхней границей при стационарных и нестационарных температурных граничных условиях. Визуализация поверхностной структуры жидкости осуществлена методами гильберт-оптики в отражённом свете. Бесконтактный контроль толщины слоя жидкости выполнен специально разработанным дистанционным измерителем на базе микроскопа МБР-1 с узлом плавной фокусировки на основе механизма Мейера. Экспериментально исследована эволюция динамической структуры поверхности и температурного поля анализируемой жидкости и подтверждено существование течений в виде двумерных валиков с осями вращения, параллельными боковым границам (стенкам полости). Показано, что течение сильновязкой жидкости имеет тепловую гравитационную природу. Установлено соответствие эволюции термограмм и гильберт-тенеграмм поверхностных структур в различных режимах рэлей-бенаровской конвекции.

Разработан новый турбидиметрический метод определения параметров субмикронных аэрозольных сред и предложена его аппаратная реализация с использованием широкого диапазона длин волн зондирующего излучения и скоростной видеосъёмки. Для восстановления функции распределения частиц по размерам применяется оригинальный алгоритм решения обратной задачи оптики аэрозолей с помощью вычислительной технологии прямого поиска.

Разработан и опробован опытный вариант комбинированной измерительной системы (ИС) на основе флуоресцентного и малоуглового методов диагностики параметров топливовоздушного факела с использованием в качестве источника света импульсного лазера и регистратора цветного изображения сечений факела - цифровой видеокамеры. Испытания созданной ИС показали её работоспособность и возможность применения для определения характеристик перспективных распыливающих устройств в условиях барокамеры. Изучены пространственные распределения концентраций аэрозолей, создаваемых центробежной форсункой. Получены распределения средних по времени заутеровских диаметров капель, их концентрации и окружной неравномерности концентрации капель в поперечном сечении факела. Проведено исследование распыливания топлива с пластины, показавшее возможность применения этого устройства в энергетических установках для улучшения характеристик распыла по сравнению c распылом свободной струи в сносящем потоке.

Описаны новые алгоритмы обработки зашумлённых спеклограмм, позволяющие проводить количественную диагностику микроструктуры ударно-волновых течений с субпиксельной точностью с использованием статистического анализа регистрируемых числовым образом спекл-полей, возмущённых рефракцией в исследуемых течениях. Разработанное программное обеспечение даёт возможность восстановить до 10000 векторов углов отклонения зондирующего излучения в двумерной области размером 20 × 30 мм при изображении спекл-поля с оптическим увеличением M = 1.

Экспериментально и численно исследовано возникновение и развитие плавучих струй над внезапно включённым линейным источником тепла в сильновязкой жидкости с числом Прандтля, равным 2700. Изучена эволюция во времени пространственной формы течения, полей температуры и скорости в зависимости от подводимой мощности.

Представлены результаты регистрации теневым и теневым фоновым методами (ТФМ) потока газа в ударной трубе после инициирования импульсного разряда (поверхностного или объёмного). Одновременная регистрация поля течения двумя методами даёт возможность полного качественного и количественного анализа ударно-волновых процессов, являющихся результатом взаимодействия импульсного разряда с высокоскоростным течением. Векторное поле смещений ТФМ определялось кросскорреляционным методом. Поле плотности получалось из решения уравнения Пуассона со специальными граничными условиями. Показано, что ТФМ даёт хорошее качественное отображение структуры течения, соответствующее классическому теневому методу, и обеспечивает достоверные количественные результаты за исключением областей высоких градиентов. Для измерения скачка плотности на фронте ударных волн предложена и опробована модификация теневого фонового метода. Съёмка производилась под углом к плоскости фронта волны. Опробованы различные схемы обработки цифровых изображений потока. Предложенная методика обеспечивает разрешение больших градиентов плотности, возникающих на фронте ударной волны. Полученные количественные результаты согласуются с расчётными величинами.

Экспериментально исследованы течения в горизонтальных слоях жидкости со свободной верхней границей при однородном подогреве снизу. С использованием тепловизионного сканирования измерены поля температуры на свободной поверхности жидкости в ламинарных и турбулентных режимах рэлей-бенаровской конвекции. Компьютерная обработка тепловизионных фильмов позволила получить пространственно-временные характеристики ячеистых и многомасштабных конвективных течений.

Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность одновременных измерений дальности и скорости диффузно рассеивающих объектов методами активной лазерной интерферометрии с частотной модуляцией.