Лазерная диагностика турбулентности

• Автор: Смирнов, Владимир Иванович
• Шифр специальности: 01.02.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 1997
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 258 с.

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)
На правах рукописи СМИРНОВ ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ТУРБУЛЕНТНОСТИ
01.02.05 - Механика жидкости, газа и плазмы
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
Москва
СОДЕРЖАНИЕ
ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1. ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ТУРБУЛЕНТНОСТИ: ДОСТИЖЕНИЯ 11 И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
1.1. ЛАЗЕРНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ АНЕМОМЕТРИЯ ТУРБУЛЕНТ- 11 НЫХ ПОТОКОВ
1.2. ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ ЛДА ДИАГНОСТИКИ ТУРБУЛЕНТ- 24 НОСТИ
1.3. ДРУГИЕ ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ТУРБУЛЕНТ- 35 НОСТИ
2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛДА
2.1. ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ МЕТОДОМ ЛДА
2.2. РАСЧЕТ СИГНАЛА ЛДА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОРМУЛ МИ
2.3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
3. ЛАЗЕРНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ ТУРБУЛЕНТНО- 83 СТИ
3.1. ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЙЛЕРОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТУР- 83 БУЛЕНТНОСТИ
3.2. АППРОКСИМАЦИИ ОСНОВНЫХ СООТНОШЕНИЙ
3.3. ПРАКТИЧЕСКИЕ ОДНОКОМПОНЕНТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ
4. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ТУРБУ- 127 ЛЕНТНОСТИ
4.1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОГРАНИЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ЛДТ
4.2. ПОГРЕШНОСТИ КАЛИБРОВКИ
4.3. ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
5. ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ ТУРБУЛЕНТ- 172 НОСТИ
5.1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ИЗМЕРЕНИЙ
5.2. ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ АМПЛИТУДНОЙ ИНТЕРФЕРО- 174 МЕТРИИ
5.3. ИЗМЕРЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ ИНТЕН- 195 СИВНОСТИ
6. ИЗМЕРЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ
6.1. ИНФОРМАЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ 203 СХЕМ ЛДА
6.2. ДВУХКОМПОНЕНТНЫЙ ЛДА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ В ТРУБЕ ГА- 213 ЗОВОЙ СТРАТИФИКАЦИИ
6.3. ТРЕХПУЧКОВЫЕ КОМПЬЮТЕРИЗОВАННЫЕ ЛДА ИЗМЕРЕ- 230 НИЯ В СТРУЕ ЖИДКОСТИ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

Основные обозначения
ЛДТ - лазерная диагностика турбулентности;
ЛДСТ - лазерная доплеровская спектроскопия турбулентности; ЛДА - лазерная доплеровская анемометрия (лазерный доплеровский анемометр);
СФЗИ - система формирования зондирующего излучения;
ПОС - приемная оптическая система;
ФП - фотоприемник;
П - процессор сигнала ЛДА;
ПК - персональный компьютер;
ПАС -панорамный анализатор спектра;
ФК - фотонный коррелятор;
ФЭУ - фотоумножитель;
ГП - гауссов пучок;
ИП - интерференционное поле; И К - интерференционная картина; 0(0 - вектор локальной скорости потока;
<и(0>=йо(0 - среднее значение и(0;
у(П - вектор пульсационной составляющей и(0;
иДО - проекция 0(0 на вектор чувствительности ЛДА;
Лт - интегральный масштаб турбулентного вихря; л к - колмогоровский микромасштаб турбулентности; є - скорость диссипации энергии;
>Сі=<уі2>1/2Ді0 - составляющая степени турбулентности вдоль К;
Ех=<ух2>, Еу=<уу2>, Е=Ех+Еу Е’=Ех-Еу, 8=<ухуу>;
О(<0 - спектральная плотность флуктуаций скорости потока;
Ор(0 - спектральная плотность флуктуаций скорости частицы.
И. 12 - компоненты тензора пространственных корреляций скорости; □’/2 - компоненты тензора структурной функции турбулентности;
X - длина волны зондирующего лазерного излучения;

показателем преломления, близким к показателю преломления стеклянных стенок измерительной секции трубы, проведена коррекция с учетом конечных размеров измерительного объема. Сравнение полученных результатов с результатами численного моделирования показывает совпадение данных по всем характеристикам кроме коэффициента эксцесса радиальной пульсации, который экспериментально не обнаруживает резкого роста у стенки, что заметно при численном моделировании. Выявлены существенные различия и при сравнении проведенных ЛДА измерений в пристеночной области с результатами, полученными термоанемометрическим методом.
Двухцветная двухкомпонентная ЛДА система прямого рассеяния использована в [154] для измерения усредненных по ансамблю локальных мгновенных скоростей поля ближнего следа потока за квадратным цилиндром. Опорная фаза измерения определялась по фильтрованному сигналу датчика давления, расположенного в центре стороны цилиндра. Исследована основная зона срыва вихрей в различных стадиях. Рассмотрены различия по топологии и характеру турбулентности между потоками за квадратным и более изученным круглым цилиндром. Эксперименты с квадратным цилиндром позволили высветить важные детали ближнего следа, на которые ранее не обращали внимание, например, высокие рейнольдсовы сдвиговые напряжения в пиках завихренности и асимметрию около седловин линий тока.
Лазерная доплеровская диагностика релеевского рассеяния использована в [155] для изучения работы ракетного двигателя. По доплеровским сдвигам для двух различных углов рассеяния измерены осевые и радиальные средние скорости. По доплеровским уширениям оценены температуры и плотности в предположении, что основной вклад в рассеяние вызывается содержащейся в выхлопе водой.
В [156,157] представлены результаты комплексного исследования гетерогенного потока «газ-твердые частицы» с помощью ЛДА с амплитудной селекцией сигналов.
Интересные результаты получены при использовании лазерного допле-ровского микроскопа для изучения гидродинамики биологических потоков в живых тканях [160-162]. Проблемы этого важного направления в биофизике анализируются в [182,183].