Способ определения характеристик модельных стратифицированных потоков жидкости

 

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и может быть использовано для исследования характеристик стратифицированных потоков жидкости. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей . В кювете 4 между различными слоями стратифицированной жидкости растворяют слои фотохромовой жидкости различной концентрации. Моделируют стратифицированный поток, который облучают фотоиндуцирующими импульсами от лазера 20. С помощью линз 17,18 и поворотных пластин лазерным импульсом облучают сразу все исследуемое сечение потока. Появившись в потоке под действием лазерного излучения, цветовые метки освещаются лампой через тепловой фильтр 2 и регистрируются кинокамерой б через полупрозрачные пластины 3, 5. По смещению и деформации цветовых меток определяют поле скоростей исследуемого стратифицированного потока жидкости . Для одновременного определения солености измеряют также контрастность цветовых меток, по которой судят о локальных изменениях плотности за счет изменений солености и о самой солености. Для одновременного определения поля температуре помощью лазера 14 облучают исследуемое сечение потока в кювете 4 и оптическим способом (теневым, интерференционным или голографическим) определяют локальные изменения плотности за счет изменений температуры и солености. Затем вычитают из полученных значений найденные ранее значения изменений плотности за счет изменений солености и по полученной разности судят о локальных изменениях плотности за счет локальных изменений температуры и о поле температур . 1 ил. (Л С Оч ю I

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 Р 5/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (г 1) 4367377/10 (22) 26.01.88 (46) 15.01.91. 6юл. М 2 (71) Институт проблем механики АН СССР (72) IG.Â.MàðòûíîB, В.Н.Юречко и Е.В.Гуменник (53) 532.574(088.8) . (56) Авторское свидетельство СССР

М 1285376, кл. G 01 Р 5/18, 1985. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК МОДЕЛЬНЫХ СТРАТИФИЦИРОВАННЫХ ПОТОКОВ ЖИДКОСТИ (57) Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и может быть использовано для исследования характеристик стратифицированных потоков жидкости. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, В кювете 4 между различными слоями стратифицированной жидкости растворяют слои фотохромовой жидкости различной концентрации. Моделируют стратифицированный поток, который облучают фотоиндуцирующими импульсами от лазера 20. С помощью линз 17, 18 и поворотных пластин лазерным импульсом облучают сразу все исЯЛ 1620941 А1 следуемое сечение потока. Появившись в потоке под действием лазерного излучения, цветовые метки освещаются лампой через тепловой фильтр 2 и регистрируются кинокамерой 6 через полупрозрачные пластины

3, 5. По смещению и деформации цветовых меток определяют поле скоростей исследуемого стратифицированного потока жидкости. Для одновременного определения солености измеряют также контрастность цветовых меток, по которой судят о локальных изменениях плотности эа счет изменений солености и о самой солености. Для одновременного определения поля температур с помощью лазера 14 облучают исследуемое сечение потока в кювете 4 и, оптическим способом (теневым, интерференционным или голографическим) определяют локальные изменения плотности за счет изменений температуры и солености.

Затем вычитают иэ полученных значений найденные ранее значения изменений плотности за счет изменений солености и по пслученной разности судят о локальных изменениях плотности за счет локальных изменений температуры и о поле температур. 1 ил.

Изобретение относится к экспериментальной гидродинамике и предназначено для исследования стратифицированных потоков жидкости, Цель изобретения — расширение функциональных возможностей.

Согласно способу предварительно перед началом экспериментов между слоями различной солености стратифицированной жидкости растворяют фотохромные вещества различной концентрации, а затем моделируют исследуемый стратифицированный поток.

Затем поток облучают фотоиндуцирующим световым импульсом, при этом облучение проводят одновременно во всем поперечном сечении г отака жидкости, что приводит к тому, что в поперечном сечении втех местах, где находится большое количество фотохромного вещества (ФХВ), на черно-белой фотографии или кинопленке будут более темные оттенки (цветовые метки). Поэтому, создав в слоях жидкости концентрацию ФХВ, пропорциональную концентрации солености, можно

Ilo изменению затемненности какой-то части потока, перемещению цветовых меток, их деформации и изменению оттенка в них судить о концентрации соли в потоке, так как раствореные в потоке молекулы соли одинаково переносятся гатоком, как и молекулы

ФХВ. Таким образом, сняв процесс движения цветовых меток на скоростную кинокамеру, можно определить в каждый момент распределение концентрации соли в потоке.,При агом I! отличие от оптических методов распределение концентрации соли определяют по предлагаемому способу для любых изменений температур (как локальных, так и в целом для потока). Ориентация фотоиндуцирующего светового потока вдоль оси оптической системы регистрирующей аппаратуры необходима для того, чтобы все поперечное сечение (или исследуемая часть поперечнога сечения) потока облучалось равномерно, Если фотоиндуцирующий световой поток входит перпендикулярно или под углом к оси оптической системы регистрации, та ФХВ, находящееся ближе к источнику светового потока поглощает больше энергии и, следовательно, окраска цветовых меток, находящихся ближе к источнику света, более интенсивная по сравнению с более удаленными от источника света, что не позволяет определить распределение солености в потоке жидкости. Одновременное измерение цветовых меток и общей плотности потока жидкости с помощью оптических методов позволяет определить изменение плотности, обусловленное изменением температуры в той или иной части потока, по зависимости Л)зу = Л/ао щ Apко„ц. Отсюда следует, что возможно оп ределение распределения температуры.

5 Таким образам, одновременное измерение изменений общей локальной плотности и изменений плотности за счет изменения солености позволяет определить изменения плотности за счет измене10 ния температуры и определить бесконтактным путем распределение температуры в потоке. По изменению глотности эа счет изменений солености можно определить изменение канцентрации и, 15 следовательно, мгновенное локальное распределение концентрации (сопености).

На чертеже изображена схематически установка для осуществления предлагаемого способа, 20 Способ осуществляют следующим образом.

В кювету заливают несколько слоев с разной концентрацией соли, в которых растворены ФХВ, причем в слое с большей кон25 центрацией соли растворено большее количество ФХВ или наоборот. Жидкость нагревают, в результате чего жидкость приходит в движение. Сбоку перпендикулярно боковой поверхности кюветы воздействуют

30 параллельным импульсным пучком света, вызывающим фотохимическую реакцию и образующим цветовые метки, изменение и перемещение которых фиксируется с помощь|о скоростной кинокамеры, установ35 ленной с другой стороны кюветы, таким образом, чтобы оптическая система кинокамеры была направлена вдоль оси фотаиндуцирующего потока света. Одновременно через кювету пропускают непрерывный па40 так света и по изменению освещенности прошедшего света (если используются теневые методы) или по изменению интерферограмм (если используется метод голографической интерферометрии) опре45 деляют общее изменение распределения плотности потока. По интенсивности цветовых меток определяют изменение локальной плотности за счет изменения концентрации (солености). Предварительно

50 были получены эталонные фотографии цветовых меток с разной концентрацией ФХВ.

Так как концентрацию ФХВ в слоях устанавливали в зависимости от того. сколько ФХВ вводят в раствор соли прямо или обратно

55 пропорционально ее концентрации, та, сравнивая разные участки потока с эталонными фотографиями, можно определить

° концентрацию ФХВ, по которой определяют и концентрацию соли, Так как известна

35

45

55 концентрация соли в предыдущий момент, то изменение локальной плотности, обусловленное изменением концентрации соли, ОПРЕДЕЛЯЕТСЯ фОРМУЛОй АР«вц =Р2 — Р1; р1,2 =Ро (1 + H С1,2 ), где р 2, р! — плотности потока с концентрациями С2,C1 саат ветственно в предыдущий и последующий моменты времени; p, — платность жидкости без добавления соли Определяю- общее изменение плотности, вычитают из него изменение плотности за счет изменения концентрации соли и получают распределе ние приращения плотности за счет температуры, по которой определяют распределение температуры.

Пример 1. В кювету 1 заливают три слоя с различной концентрацией сали и

ФХВ, в качестве которого испольэу ат спи ропиран, из расчета, чтобы концентрация составляла по слоям сверху вниз 15 гlп, 8 10 моль/л; 30 г/л, 10 маль/л; 60 г/л, 2х х10 моль/л (первая цифра показь .вает концентрацию соли, вторая — концентрацию спиропирина). К торцовым стенкам прикреплены нагревающие пластины, созда ащие градиент температуры, равный

0,3 град/см. С боковой стороны "",;ювету облучают монохроматическим ультрафиолетовым импульсным потоком света, при этом все поперечное сечение кюветы аблучают одновременно и в потоке образуются полупрозрачные области, затемненные цветовыми метками, перемещение и изменение интенсивности которых фиксируют с помощью кинокамеры, установленной на одной оси с системой регистрации.

Создают также световой поток подсветки лампой 1, который проходит через тепловой фильтр 2, полупрозрачную пластину 3 и освещает кювету 4. С другой стороны кюветы 4 ведут через полупрозрачную пластину

5 киносъемку кинокамерой 6. Одновременно часть светового потока (основной световой поток), отраженного от полупрозрачной пластины 5, проходит через систему из глубоких зеркал 7 — 9 линз 10 и 11 и полупрозрачной пластины 12 и попадает на экран 13, на который также попадает опорный световой поток, который не проходит через к ове Pf 4, Основной и опорныЙ потоки создаются лазером 14, системой из полупрозрачной пластины 15, линз 17 и 18 и глухого зеркала

16. На экране 13 образуются интерферен ционные картины, по которым определяют изменение плотности в потоке, цветовые метки в кювете создаются фотоиндуцирующим лазером 20, луч от которого проходит через полупрозрачную пластину 19 и линзы

17 и 18. На экране 13 на фоне областей с разной степенью эатемненнасти отчетливо видны интерференционные полосы, по изгибу которых определяют изменение (общей) плотности патака жидкости.

Таким образом, измерив интерференционным -:етодом распределение изменения плотности в потоке, а с помощью цветовых меток изменение плотности эа счет изменения концентрации, определяют изменение плотности за счет теплового расширечия, э следовательно. и мгновенное распределение пагл температур и концентрации сопи в потоке.

П р и и е р 2. Способ осуществляют аналогично при.;еру 1, эа исключением того, что изменение (общей) плотности жидкости производят теневым методом, основанным Н3 фотозлектоической регистрации угла сгкланения узкого лазерного сканирую;цега пуча, зонд:1рующего кювету

4 Для устранения влияния наличия полупрозра них цветазь > меток, чта приводит к неравномерности в прозрачности кюветы в разных ее точках, в электрическую схему фотоприемника введена обратная связь с автоматической регулировкой усиления.

Па данному примеру реализации способа определяют одновременна распределение концентрации соли и температуры в потоке в разные моменты времени, Таким образом, способ пазвоплет одновременно бескантактным способом определить мгновенные распределения концентрации сали и температур в потоках жидкости, При этом возмущения, накладываемые HB поток,минимальные,что повышает достоверность гапученных.результатов.

Формула изобретения

Способ определения характеристик модельных стратифициоаванных потоков жидкости, заключающийся в предварительном растворении фотахромнаго вещества раэпичнои концентрации между слоями различной солености стратифицированной жидкости, моделировании исследуемого стратифицированного потока, облучении его фотоиндуцирующими световыми импульсами и проведении фоторегистрации полученных в потоке цветовых меток, по которым судят а скоростных характеристиках модельных стратифицираванных потоков жидкости, а т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможнастей, облучение фатаиндуцирующими световыми имгульсами проводят во всем сечении исследуемого потока и одновременно с фотоаегистрацией цветовых меток проводят оптическим методом фоторегистрацию локальных изменений плотности

1620941

Составитель Ю.Власов

Техред М.Моргентал Корректор M.Ñàìáîðñêàÿ

Редактор A.Orap

Заказ 4243 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 жидкости, причем о локальных изменениях солености и соответствующих этим изменениям локальных изменениях плотности жидкости судят по изменению контрастности изображений цветовых меток, а о локальных изменениях плотности эа счет локальных изменений температуры и о соответствующем этим изменениям поле температур судят по измеренным оптическим методом локальным изменениям плотности и опре5 деленным ранее изменениям плотности за счет изменений солености.