Визуализация фазовой структуры неоднородных трехмерных течений газа в аэродинамических трубах методом голографической интерферометрии

Том XXIII

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ЦАГИ 1992

№ 3

УДК 533.6.071.082.5 : 621.375.8 : 778.38

ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ФАЗОВОЙ СТРУКТУРЫ НЕОДНОРОДНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ ТЕЧЕНИЙ ГАЗА В АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ МЕТОДОМ ГОЛОГРАФИЧЕСКОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ

В. Г. Беспалов, Ф. Н. Горюнов, В. Н. Крылов, В. Н. Михайлов,

Н. Н. Морковин, В. Н. Сизов, Д. И. Стаселько, А. Д. Фролова, Г. К Шаповалов,

В. А. Яковлев

Представлены результаты исследования возможности применения метода и средств голографической интерферометрии для изучения фазовой структуры неоднородных трехмерных течений газа.

Приведены краткие сведения о выбранной и отработанной методике голографической интерферометрии, обеспечивающей решение поставленной задачи, и разработанной для ее реализации аппаратуре, а также о результатах исследований в лабораторных условиях и в реальном аэродинамическом эксперименте.

Анализ литературы [1 —3) показывает, что в современном аэродинамическом эксперименте наблюдается постоянно возрастающий интерес к оптическим методам диагностики неоднородных и нестационарных течений газа и жидкости. Наибольшее внимание при этом уделяется голографической интерферометрии. Этот метод успешно использовался и используется для решения многих сложных задач аэродинамики. Однако разработанные до последнего времени технические средства, реализующие оптические методы исследования в аэродинамическом эксперименте, в том числе и метод голографической интерферометрии, не позволяют использовать полностью уникальные возможности оптики и голографии.

До сих пор не решены, например, актуальные задачи визуализации и изучения фазовой структуры трехмерных неоднородных и нестационарных течений газа в аэродинамических трубах (АДТ) с закрытыми рабочими частями, визуализации течений на участках, затененных моделями, хотя, в принципе, голография позволяет регистрировать на одной голограмме и получать при восстановлении подробную информацию о трехмерных объектах.

Цель настоящей работы заключалась в изыскании методов и средств решения указанных задач. Работа проводилась по четырем основным направлениям:

а) изучение возможности применения метода и средств голографической

интерферометрии, отработка методики их использования в условиях АДТ , с закрытыми рабочими частями; :

б) создание й исследование лабораторного макета лазерно-голографической установки, включая импульсный лазер; |

в) выбор оптической схемы регистрации голографических интерферо-грамм;

г) выбор и исследование фотоматериалов для регистрации импульсных голографических интерферограмм.

Для решения поставленных задач предложен комплекс известных голографических методов, а именно [4]: метод двукратного экспонирования голограмм, метод дифференциальных интерферограмм, метод голографирования в свете, отраженном от поверхности экранов. Отработана методика применения этого комплекса в лабораторных условиях и в реальном аэродинамическом эксперименте в АДТ с закрытой рабочей частью при наличии в одной из ее стенок только одного иллюминатора диаметром 150 мм (300 мм).

Регистрация голографических интерферограмм проводилась без применения сложных дорогостоящих традиционных интерференционных приборов. Модель и экран (внутренняя поверхность задней стенки АДТ) освещались расходящимся лазерным пучком и телесным углом до ~60° (рис. 1 и 2).

Оп типе кая схема ЛГИ

ЗГ

3 — зеркала; Л — линзы; К — оптический клин; П — призмы; Д — диафрагма; АЭ — активный элемент

Рис. 1

С — спиртовки; СФ — светофильтр; М — мраморная б)

пластина; О — отражающий экран „ „

В каждую точку голограммы в этом случае поступала с различных направлений полная оптическая информация о структуре течения в пределах изучаемого объема, и тем самым выполнялось основное условие, необходимое для построения объемной модели трехмерного течения, ее наблюдения и анализа.

Для реализации предложенной методики создан рабочий макет лазерно-голографической установки (ЛГУ) ‘на основе импульсного лазера на стекле, активированном неодимом, с преобразованием частоты излучения во вторую гармонику, для которой отечественная промышленность выпускает высококачественные голографические регистрирующие среды.

ЛГУ состоит из двух основных частей (см. рис. 1) —лазерной установки и блока записи голограмм. Основными элементами лазерной установки являются: задающий генератор (ЗГ), усилитель мощности (У) и генератор второй гармоники (ГВГ). Задающий генератор и усилитель созданы на основе лазеров, серийно выпускаемых отечественной промышленностью.

Пространственная и временная когерентность лазерного излучения, необходимая для го'лографирования фазовой структуры среды в заданном объеме (1,5 X 1,5 X 1,5 м) формируется в ЗГ путем селекции продольных и поперечных мод резонатора. Усилитель трехпроходный. Выходящее из него излучение с длиной волны к = 1,06 мкм преобразует ГВГ в излучение с длиной волны А, = 0,53 мкм. Энергия на выходе ГВГ Е « 0,5 Дж, длительность импульса /« 20 не. Излучение характеризуется высокой пространственной однородностью, стабильностью по частоте и направлению. Длина когерентности его такая же, как у ЗГ и достигает ~6м. Определение этой величины проводилось двумя способами: по спектральной ширине линии излучения с помощью интерферометра Фабри — Перо и голографическим методом [5].

Схема блока записи голограмм (БЗГ) разработана с учетом разрешающей способности фотоматериала, выбранного для записи голограмм, и заданных линейных размеров регистрируемой области. Запись производится в попутных пучках (угол голографирования ~ 60°). Для регистрации голограмм использованы фотопластинки ВР-П, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, сенсибилизированные в зеленой области спектра.

Исследование предложенной методики визуализации трехмерных неоднородных и нестационарных потоков и созданной для этой цели аппаратуры производилось в лабораторных условиях и в условиях реального аэродинамического эксперимента.

Результаты лабораторных исследований подтвердили правильность предложенного решения поставленной задачи. На фоне диффузно рассеивающего свет экрана размером 1,5X1,5 м с расстояния ~ 1,5 м (рис. 2, а) записаны восходящие тепловые потоки воздуха от спиртовок (рис. 2, б). При восстановлении изображений с голограмм хорошо наблюдается объемная картина как всей сцены, так и расположения восходящих тепловых потоков.

Параметры ЛГУ обеспечили получение голограмм с дифракционной эффективностью до 20%, что достаточно для уверенного восстановления голографических интерферограмм, изображающих фазовую структуру течений.

Для восстановления голографических интерферограмм использованы известные методы [4]:

1) восстановление действительного изображения узким пучком и наблюдение интерференционной картины на диффузном экране или регистрация на фотоматериале, помещенных в плоскость изображения; освещая различные точки на голограмме, можно изменять ориентацию восстанавливающего пучка и получать серию интерферограмм, соответствующих различным направлениям наблюдения;

2) восстановление мнимого изображения освещением голограммы опорным пучком, сопряженным с пучком, использованным при записи; голограмму можно рассматривать с любого направления, соответствующего апертуре голограммы и освещающего диффузора.

На рис. 3 приведены, примеры голографических интерферограмм, полученных с одной голограммы путем просвечивания ее под разными ракурсами узким пучком. Показано обтекание двух горизонтальных цилиндров восходящими тепловыми потоками воздуха от нагревателя. Хорошо видно, что при изменении ракурса наблюдения изменяются расположение и форма изображений цилиндров, а также и конфигурация интерференционных полос.

Рабочие испытания методики и аппаратуры проводились в сверхзвуковой АДТ с закрытой рабочей частью размером 200X200 мм при скоростях потока, соответствующих числам М = 0,7 -г- 3. Визуализация течения проводилась через один иллюминатор размером 150 мм (300 мм), установленный только в одной боковой стенке рабочей части АДТ. Другая боковая стенка АДТ (задняя) с внутренней стороны была покрыта белой краской и использовалась как рассеивающий свет экран.

Для первых экспериментов были выбраны наиболее простные модели, характер обтекания которых хорошо известен, а именно: полусфёра, закрепленная на хвостовой державке; цилиндр, ось которого располагалась поперек потока, и две плоскопараллельные пластинки, закрепленные консольно на задней стенке рабочей ча'сти.

На рис. 4 приведена голографическая интерферограмма с изображением картины обтекания полусферы сверхзвуковым потоком при скорости, соответствующей числу М = 3, при числе Ие, вычисленном по диаметру сферы, Не</ = 0,55-106. При наблюдении картины в процессе ее восстановления с голограммы хорошо видно объемное изображение модели и интерференционное изображение поля течения, характер расположения и конфигурация полос на котором изменяются при изменении ракурса наблюдения.

(К*. о м

у В полном соответствии с имеющейся в литературе обширнои информацией Об обтекании затупленных тел сверхзвуковым потоком можно утверждать, что На полученных изображениях наблюдается отошедшая ударная волна; видна Г*!ЕТруктура волйы и структура течения за ударной волной. Кроме отошедшей Радарной волны, на изображении видна еще одна серия интерференционных по-ЯрЙС, по форме напоминающих ударную волну. Для выяснения причин появления $той серии полос требуются дополнительные исследования.

На рис. 5 приведена интерференционная картина обтекания цилиндра Трансзвуковым потоком со скоростью, соответствующей числу М « 0,7. По Характеру расположения интерференционных полос картина аналогична известным при двумерном обтекании цилиндров. Хорошо просматривается отрывная зона, области разрежения и сжатия течения. Однако при наблюдении картины с различных ракурсов характер расположения и форма полос изменяются, что свидетельствует о ее трехмерности.

На рис. .6 представлены интерференционная картина обтекания двух плоскопараллельных затупленных пластин (толщиной 10 мм, с радиусом затупления 5 мм) потоком воздуха со скоростью, соответствующей числу М = 3. На изображении хорошо видны скачки уплотнения, взаимодействие этих скачков в пространстве между пластинами, возникновение отрывных зон.

Следует заметить, что задняя стенка рабочей части АДТ, являющаяся в данных случаях отражающим экраном, не монолитна: в ней имеются отверстия для оптических иллюминаторов, закрытые на время проведения настоящих исследований специальными металлическими заглушками.

Практически на всех восстановленных интерференционных картинах частота интерференционных полос на стенке рабочей части и на заглушке (в районе невозмущенного потока) различна. Это можно объяснить, очевидно, различной степенью деформации стенки и заглушки под влиянием статических или динамических (вибрационных) нагрузок.

Качественный анализ полученных интерферограмм показывает, что каждая из них по информативности не уступает интерферограммам классического типа (Маха — Цендера и сдвиговым). Информативность же совокупности много-

ракурсных интерферограмм существенно превышает возможности классической интерферометрии.

Количественная расшифровка полученных интерферограмм потребует решения ряда новых задач, связанных с идентификацией реальных полей течений с визуализированной картинрй путем комплексного использования результатов исследования двумерных и осесимметричных течений, поверхностной визуализации обтекания отражающего экрана, пневмометрических методов, томографических методов расчета трехмерных полей плотности и других параметров исследуемых сред.

Результаты выполненной работы позволяют сделйть вывод о том, что предложенная и отработанная методика импульсного голографирования фазовой структуры течений в АДТ с закрытыми рабочими частями в свете, диффузно отраженном от поверхности моделей и экранов, и созданная для этих целей аппаратура решают поставленные задачи и обеспечивают:

— визуализацию и качественный анализ фазовой структуры трехмерных неоднородных и нестационарных1 сред (течений газа) в объеме до 1,5Х1,5Х Х1,5 м при телесном угле осветительной системы до 60°;

— увеличение информативности единичного эксперимента за счет получения дополнительной информации с одной голограммы о трехмерной структуре течения, а также о структуре течения в областях, затеняемых элементами конструкции моделей;

— применение данной методики голографирования одновременно с использованием ИИС другого назначения (в отличие от традиционных интерференционных методов);

— создание технически и экономически эффективных систем визуализации для больших (промышленных) АДТ с полем до 1,5X1,5 м при наличии одного или двух иллюминаторов на стенках рабочей части размером около 300 мм.

Предложенная методика может быть рекомендована для использования как в аэрогидродинамическом эксперименте, так и в других областях науки и техники для решения сходных задач.

Дальнейшие работы в этой области должны быть направлены на отработку методики и средств качественного и количественного анализа голографических интерферограмм с изображением фазовой структуры трехмерных сред, а также на отработку методик и средств регистрации изучаемых процессов в динамике.

Авторы выражают благодарность А. Л. Чураеву за участие в лабораторных исследованиях и последующую консультацию.

ЛИТЕРАТУРА

I. Белозеров А. Ф., Зимин Э. П., Ловков С. Я., Набо-к о П. М., Островская Г. В..Сухоруких B.C., Харитонов А. И., Хосин Г. Д., Яковлев В. А. Физические методы исследования прозрачных неоднородностей: основные направления и задачи//Физические методы исследования прозрачных неоднородностей: Тезисы докладов.— М.: МДНТП им. Ф. Э. Дзержинского, 1979.

'2. Яковлев В. А., Б а р а н о в а И. Д., Фролова А. Д., Ж е б р а -к о в а Г. В. Применение голографической интерферометрии в аэродинамическом эксперименте. Обзор, ч. I — ОНТИ ЦАГИ, 1984, № 633.

3. Яковлев В. А., Б а р а н о в а И. Д., Ф р о л о в а А. Д., Ж е б р а-кова Г. В. Применение голографической интерферометрии в аэродинамическом эксперименте. Обзор, ч. II.— ОНТИ ЦАГИ, 1985, № 654.

4. Вест Ч. Голографическая интерферометрия.— М.: Мир. 1982.

5. Крылов В. Н„ П а р ф е нов В. А., С и з о в В. Н. Когерентность излучения неодимового лазера с ВРМБ-зеркалом в усилителях//Тезисы доклада на V Всесоюзной конференции «Оптика лазеров». — Ленинград, 1987.

Рукопись поступила 23/1 1991 г.