Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках

 

Использование: измерительная техника , исследование турбулентных газовых и жидкостных потоков. Сущность изобретения: в качестве информативного параметра о пульсациях температуры используют интерференционную картину, образованную объектным и опорным пучками интерферометра путем смещения измерительного объема Zo лазерного доплеровского анемометра по нормали к объектному пучку интерферометра на величину .соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения U Y (Zo). 4 ил.

СОКОВ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 Р 3/36

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) J I

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН

К ПАТЕНТУ (21) 4878595/10 (22) 29.10.90 (46) 30,07.93.6юл, N. 28 (71) Государственный институт прикладной оптики (72) В.В.Гербрандт и В.И.Лукьянов (73) Научно-производственное объединение

"Государственный институт прикладной оптики" (56) Петухов Б.С. Вопросы теплообмена. Избранные труды, M.: Наука, 19877, с.256.

Турбулентный теплообмен при смешанной конвекции в вертикальных трубах. M„

ИВТАН, 1989. с.14. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОВМЕСТНЫХ ОДНОТОЧЕЧНЫХ КОРРЕЛЯЦИЙ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании. турбулентных газовых и жидкостных потоков.

Цель изобретения — расширение области применения и повышение точности измерений, На фиг.1 схематически изображено устройство; реализующее заявленный способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура а турбулентных потоках; на фиг.2 - 4 приведены результаты измерения по. Предложенному способу для рэзличных объектов.

Устройство, реализующее способ, содержит лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) 1 с измерительным объемом в окрестности точки Zo, интерферометр, содержащий источник когерентного иэлучення (лазер) 2, плоскопараллельную плвстмну 3, . . Ж„„1831684 А3

СКОРОСТЬ-ТЕМПЕРАТУРА В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ (57) Использование: измерительная техника, исследование турбулентных газовых и жидкостных потоков, Сущность изобрете.ния: в качестве информативного параметра о пульсациях температуры используют интерференционную картину, образованную объектным и опорным пучками интерферометра путем смещения измерительного объема Zo лазерного доплеровского анемометра по нормали к объектному пучку интерферометра на величину о, соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения U Y (2<,). 4 ил. компенсатор 4, уголковый отражатель 5. фотоприемник 6, а также блок корреляционной. обработки 7, в который поступают сигналы от фотоприемников ЛДА и интерферометра.

Узкий объектный пучок 8 интерферометра проходит через исследуемый поток и точку, 7о в нем, Опорный пучок 9 проходит вне объекта, граница 10 которого изображена замкнутой линией.

Интерферометр работает следующим образом. Излучение лазера 2 попадает на плоскопараллельную пластину 3. Лучи. отраженные от передней и задней поверхностей пластины, проходят через компенсатор

4, представляющий собой слегка клиновидную стеклянную пластину и, отразившись от уголкового отражателя 5, приобретают обратное направление, При движении в обратном направлении узкий объектный пучок 8 проходит через точку Zo в турбулентном по1831684 (4) 0 I (Zo) = — (— 0" (Zo) Т" (Zo) x

15 х К() т(Zo) Я F(Z)dZ. (5) В последнем выражении использовано предположение о том. что среднеквадратичное значение пульсаций температуры

T (Zo) не меняется в пределах корреляци / 12 онной длины, т.е. при F(Z) 0.

Смещают измерительный объем ЛДА по нормали к объективному пучку интерферо25 метра на величину @, соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения O (2О). При этом (2) запишем в общем виде:

1 (t) = / Т (гд)бк, К С

30 где К вЂ” постоянная Гладстона-Дейла;

Л вЂ” длина световой волны;

С = — — Ь вЂ” тарировочный коэффици-Т2 ент, в котором: 35

Р— давление газа; ,и — молекулярная масса;

R — универсальная газовая постоянная;

Т вЂ” температура в потоке; 40

b — коэффициент пропорциональности;

z — направление просвечивания потоСигналы U (t) и (t) поступают в блок 45 корреляционной обработки 7, где перемножаются, а результат перемножения осредняется по времени;

Черта сверху означает усреднение по времени. 55

Введем пространственную корреляционную функцию Ко т (2о,2) в виде: (3) токе. Опорный пучок 9 проходит через невозмущенную исследуемым потоком среду.

Опорный и обьектный пучки соединяются на пластине 3 и интерферируют, Интерференционная картина регистрируется фотоприемником 6, сигнал от которого поступает в блок корреляционной обработки 7, в котором сигналы от ЛДА и фотоприемника 6 перемножаются, а результат перемножения осредняется по времени, Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках осуществляется следующим образом.

Лазерным доплеровским анемометром определяют сигнал 0 (t),ïðîïoðöèîíàëüíûé пульсациям скорости в измерительном обьеме Zo ЛДА, Одновременно с сигналом 0 (t) определяют сигнал ) (т), пропорциональный пульсациям температуры в потоке. Сигнал (t)— выходной. сигнал фотоприемника 6 интерферометра. Этот сигнал связан с пульсациями температуры T (t,z) в турбулентом потоке следующим образом; отР.) = К f 0(2.)T(2)dz. (a) КО .т (Zo,Z) - К(.) т (Zo) (2), Кот(2) 0 (Zo) Т (Zo) F(Z) — функция, описывающая форму корреляционной кривой и изменяющаяся в пределах +1;

О Т (20) — совместная одноточечная корреляция скорость-температура в точке

Zo.

При этом (2) примет вид:

0 ) (Zo, Я = — у f J 0 (Zo, Щ Т (Z) dz + к с 4

+) О (2,. 8Т (2)62). (6) Интегрирование по интервалам от — oo до — г и от до с) отражает тот факт, что минимальное расстояние между измерительным объемом ЛДА и объектным пучком интерферометра равно (и, следовательно, отсутствует вклад в корреляцию при расстояниях, меньших чем (. После дифференцирования по последнее соотношение принимает вид: — 2 — 2 — () (2o. QT (Q. (7) Сделав предположение о симметричности поведения пространственной корреляционной функции Ки Т (Zo,Z) относительно осей 2 и g, можно утверждать. что Кит(2о,Z), а следовательно; и F(Z) обращаются в коль, когда в ноль обращается производная, стоящая в левой части уравнения (7), т.е. когда осредкемнов по времени произведение сигналов О® m ЯДА и Г() от иктерферометра достигает экстремума. Поскольку в первом приближении функция F(2) может

1831684

25 о т(г,)+Я (9) 30

50 деляют как

U TЯО) о аппроксимироваться прямой. то интеграл в уравнении (5) павен @:

Оо ьо у

J F (Z) dt = ((1 — p)dZ = $ (8) Определяют значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура в точке 2о по формуле которая получается иэ уравнения (5) с учетом (8) и (4).

В качестве объекта для проведения измерений совместных одноточечных корреляций "скорость-температура" была выбрана затопленная струя подогретого воздуха, истекающая из сопла диаметром

2R = 10 мм. Скорость потока воздуха на выходе из сопла составляла 25-30 м/с, а перегрев относительно окружающего воздуха — около 8 К. Измерения проводились в сечении 9 калибров. Вторым обьектом служила та же струя, вытекающая в открытую с двух сторон трубу диаметром 2R =. 30 мм.

Расстояние от среза сопла до трубы — 10 мм, длина трубы — 90 мм. Измерения проводились на расстоянии 130 мм от среза сопла.

Второй объект представлял собой, по сути, эжектор.

Измерения распределения турбулентных тепловых потоков в поперечном сечении струи проводились следующим образом. Узкий (диаметр около 1,5 мм) объектный пучок интерферометра с фотоэлектрической регистрацией пропускался примерно через ось потока в выбранном сечении. В непосредственной близости от луча, однако ниже его по потоку, устанавливался датчик термоанемометра. Датчик был установлен на подвижную платформу и мог сканироваться вдоль объектного пучка интерферометра (вдоль оси Z). Электрические сигналы от интерферометра и датчика поступали в блок корреляционной обработки.

В выбранном точке 2, измерялся корреляционный сигнал 0Т(2О). Затем датчик термоанемометра смещали по нормали к узкому объектному пучку интерферометра на величину фи измеряли корреляционный сигнал U (Zo, Q при различных значениях (По полученной зависимости определяли величину смещения ф, соответствующую экстремуму корреляционного сигнала ОТ го; Q . Значение совместной одноточечной корреляции рассчитывали по формуле (9),Анаяогичные измерения проводились для различных точек Z вдоль объектного пучка интерферометра.

Техническую эффективность способа подтверждают полученные экспериментальные данные. На фиг.2 в безразмерном виде приведено радиальное распределение совместных одноточечных корреляций

"скорость-температура" для затопленной струи в сечении 9 калибров от сопла. Точка

Z/R - 0 соответствует оси струи. На фиг.3 приведено аналогичное распределение в сечении, отстоящем на 3 калибра от среза трубы в зжекторе, На фиг.4 приведен пример определения смещения go. Видно, что корреляционный сигнал достигает экстремума при 4о -8 мм.

Предлагаемый способ измерения совместных одноточечных корреляций "скорость-температура" в турбулентных потоках позволяет проводить бесконтактные измерения. не внося в поток возмущающих его датчиков и тем самым повысить точность измерений. При этом существенно расширяется область применения способа за счет возможности его использования для исследований высокотемпературных потоков, потоков агрессивных сред и др.

Формула изобретения

Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках, заключающийся в определении сигналов U (t) и t (t), пропорциональных соответственно пульсациям скорости и температуры потока в измерительном объеме Z() лазерного доплеровского анемометра и усреднении произведения

U 1 (Zo3 этих сигналов по времени, о т л ич а ю шийся тем. что, с целью расширения области применения и повышения точности, в качестве информативного параметра о пульсациях температуры используют интерферен ционную картину, образованную объектным и опорным пучками интерферометра, при этом измерительный. объем Z< лазерного доплеровского анемометра смещают по нормали к объектному пучку интерферометра на величину go, соответствующую экстремуму значения осредненного по времени произведения 0 (2, ), а значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура U Ò (Z„) îïðåгде 0 Г(2О) — осредненное по времени произведение сигналов; пропорциональных

1831684 соответственно пульсациям скорости и температуры;

@ — смещение, соответствующее экстремуму осредненного по времени произведения сигналов ОТ(Z );

К вЂ” постоянная Гладстона-Дейла;

С вЂ” тарировочный коэффициент;

il — длина световой волны;

Zo — координата точки измерения.

1831684

О.В

0,6

0,2

-0.2

-О.

Фй .4

Составитель 8. Гербрандт

Техред M.Моргентал Корректор M. Ткач

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г..ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2550 Тираж Подписное .

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рауюская наб., 4f5