Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей

• Автор: Лапицкий, Константин Михайлович
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 163 с. : ил.

1 Рефракционные методы диагностики неоднородных сред

1.1 Классификация онтически-неоднородных сред

1.2 Связь оптических и теплофизических параметров среды

1.3 Теневые методы исследования тепловых процессов

1.4 Лазерные методы диагностики потоков

Выводы по разделу

2 Численное моделирование траектории лучей в температурной неоднородности

2.1 Теория распространения лучей в средах с плавно меняющимся показателем преломления
2.2 Методика аналитического расчета траектории лучей в плоскослоистой неоднородности
2.3 Моделирование траектории распространения светового луча в сферически-слоистой неоднородности

2.4 Численный расчет траектории лучей при наличии краевых эффектов

2.4.1 Численный алгоритм расчета траектории в двумерной оптически неоднородной среде
2.4.2 Моделирование траектории светового луча в плоскослоистой неоднородности с учетом краевых эффектов
2.4.3 Моделирование траектории светового луча в сферической и эллиптической двумерных неоднородностях
2.4.4 Анализ влияния размера расчетной сетки на результаты численного расчета
траектории в сферической неоднородности
Выводы по разделу
3 Расчет рефрактограмм плоского лазерного пучка в трехмерных
неоднородностях
3.1 Соотношения для расчета траектории лучей в трехмерной оптически неоднородной среде

3.2. Описание алгоритма и программы численного расчета траектории лучей
3.3. Тестирование алгоритма численного расчета траектории лучей
3.4 Результаты моделирования рефрактограмм в прозрачной и кольцевой радиально-слоистой неоднородности
3.5 Результаты моделирования рефрактограмм в цилиндрически неоднородной среде
3.6 Результаты моделирования рефрактограмм в клиновидной неоднородности
Выводы по разделу
4 Визуализация и экспериментальное определение параметров температурной неоднородности
4.1 Структурная схема компьютерно-лазерной рефрактометрической системы
4.2 Визуализация теплового пограничного слоя
4.3 Обработка рефрактограмм сферически-неоднородной среды
4.3.1 Алгоритм определения толщины пограничного слоя
4.3.2 Измерение толщины пограничного слоя в процессе погружения цилиндра
4.3.3 Алгоритм восстановления температурного профиля в сферическом пограничном слое
4.3.4 Сравнение расчета и экспергшента
4.3.5 Алгоритм восстановления температурного профиля в пограничном слое у боковой
поверхности цилиндра
4.4 Погрешности определения параметров температурной неоднородности
4.4.1 Источники погрешности
4.4.2 Взаимное расположение объекта исследования и перетяжки лазерного пучка
4.4.3 Влияние угла наклона оптической оси излучения на результат рефракции
Выводы по разделу
Заключение
Список литературы
Приложение
Лазерная диагностика потоков жидкости и газа — область физики, которая имеет важное научно-практическое значение и в настоящее время интенсивно развивается [1]. Одним из методов диагностики потоков жидкости и газа является их визуализация, основанная на неоднородности показателя преломления среды.
В работе рассмотрены оптические методы, в которых для визуализации температурного поля в жидкости используется зависимость показателя преломления от температуры. По сравнению с другими методами измерения оптические методы обладают значительными преимуществами [2]. Прежде всего, измерения не искажают температурного поля, поскольку в большинстве случаев энергия, поглощаемая средой, мала по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена. Кроме того, оптические методы практически не имеют инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов во всей исследуемой области. Это преимущество достигается благодаря возможности регистрации всего температурного поля на одном видеокадре (одной фотографии). Оптические методы часто обеспечивают более высокую чувствительность и точность, чем, например, калориметрические или измерения поля температур термопарами.
К ограничениям оптических методов следует отнести требование оптической прозрачности исследуемой среды [2]. Если среда отличается от атмосферного воздуха, требуется замкнутая система, причем с двух сторон камера должна иметь стекла с высокими оптическими свойствами. Оптические методы по сути дают распределение показателя преломления [3], которое путем последующих расчетов преобразуется в поле температур.
Оптическую неоднородность иногда называют «шлирой» — этот термин заимствован из технологии производства стекла [2]. Шлирой можно назвать

у, мм
1 -л> = 0,5 мм,><’0 = 0; 2-уо = 0,5 мм,у>’0 = 0,05; 3 -у0 = 1 мм,у’0 = 0;
4 -уо = 2 ыш,у о = 0; 5 —у0 = 2 мм, у о = 0,05; 6 -уа = 4 мм,у’0
Рисунок 18 - Траектории лучей в пограничном слое для различных значений уо
иу’о
Из этих графиков (рисунок 18) видно, что чем дальше луч проходит от нагреваемого объекта (оси г), тем меньше искривляется его траектория, и, начиная с некоторого расстояния от нагретого тела, траектория луча не будет искривляться. Также чем больше угол, под которым луч входит в оптически неоднородную среду по направлению в сторону с меньшим градиентом показателя преломления, тем меньший участок с изменением показателя преломления проходит луч и тем меньше будет искривлена его траектория. Следует также отметить, что из-за различной степени искривления лучи, входящие в неоднородную среду на различных расстояниях от нагретого объекта, попарно пересекутся на некотором расстоянии г от точки входа в среду.