Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости

• Автор: Павлов, Илья Николаевич
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТИ

1.1 Методы отражательной рефрактометрии на основе ПВО

1.2 Методы и средства исследования течения и перемешивания жидкостей в микроканалах
1.3 Методы и средства исследования физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке

1.4 Выводы по первой главе

2 ЛАЗЕРНАЯ РЕФЛЕКТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ

2.1 Отражение и преломление волн на границе раздела двух прозрачных сред

2.1.1 Законы преломления и отражения оптических волн применительно к методу НПВО

2.1.2 Формулы Френеля
2.1.3 Поляризация волн при отражении и преломлении
2.1.4 Анализ закономерностей отражения при ПВО
2.1.5 Метод визуализации пространственных оптических неоднородностей по полному внутреннему отражению
2.1.6 Интерференционный метод исследования испаряющихся капель..
2.2 Расчет параметров установки визуализации оптических неоднородностей в пристеночном слое воды
2.3 Выводы по второй главе
3 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЯХ ЖИДКОСТИ
3.1 Установка «Виджитек-1» для визуализации пристеночных течений жидкости в микроканале

3.2 Установка «Виджитек-2» для визуализации физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке
3.3 Алгоритм обработки рефлектографических изображений
3.4 Алгоритм обработки интерференционных изображений
3.5 Выводы по третьей главе
4 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ
4.1 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации пристеночных течений жидкости в микроканалах
4.2 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации физических процессов в каплях жидкости
4.2.1 Визуализация испарения капли жидкости
4.2.2 Визуализация охлаждения капли жидкости
4.2.3 Визуализация кристаллизации капли жидкости
4.2.4 Визуализация растекания капли жидкости на горизонтальной подложке
4.2.5 Визуализация перемешивания капель различных жидкостей
4.3 Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пограничном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования процессов в пристеночном слое жидкости [1].
Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло развитие интерферометрических методов далеко вперед, позволило получить узкие коллимированные (т.е. малорасходящиеся) пучки и открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС-фотоприемников дало возможность существенно повысить качество и скорость получения и обработки оптических изображений и автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д. [2].
Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это позволило визуализировать общую картину течения и измерять

Выражение (20) описывает неоднородную волну, которая распространяется вдоль поверхности раздела в плоскости падения (т.е. в направлении х), а ее амплитуда меняется экспоненциально с изменением расстояния z от этой поверхности. Конечно, физический смысл имеет лишь отрицательный знак перед квадратным корнем в (20), в противном случае при увеличении расстояния амплитуда росла бы неограниченно. Видно, что амплитуда очень быстро уменьшается с глубиной проникновения г, причем эффективная глубина проникновения порядка у2/ш = А,2/2л, т.е. меньше длины волны в среде. Эта волна не является поперечной, поскольку, как будет показано ниже, компонента электрического вектора в направлении распространения не равна нулю. Такая волна называется «эванесцентной» от латинского еуапезсеге, что означает «исчезающий из вида» или «незначительный» [24]. Эванесцентные поля могут быть получены при пропускании светового пучка через стеклянную призму под определенным углом. Экспериментальное подтверждение существования таких быстрозатухающих полей опирается на использование прозрачных тел, толщина которых приближается к величине, меньшей А/2, в пределах которой существуют затухающие поля. Это может быть достигнуто использованием, например, тонкого прозрачного волокна, которое преобразует эванесцентное поле в основании в волноводную моду, распространяющуюся вдоль волокна [39]. Такая техника измерения называется фотонной сканирующей туннельной микроскопией. Если эванесцентные поля взаимодействуют с веществом, то они могут быть преобразованы в распространяющееся излучение [40]. Этот эффект является одним из важнейших в оптической микроскопии ближнего поля, так как объясняет, каким образом информация о субволновых структурах передается в дальнее поле.
Экспериментальная проверка наличия возмущения во второй (менее плотной) среде представляет довольно трудную задачу, так как любое устройство, используемое для обнаружения возмущения, будет нарушать граничные условия. Грубое подтверждение можно получить, если поместить вторую преломляющую среду на расстоянии около четверти длины волны от