Об одном варианте лазерного однолучевого времяпролетного метода измерения скорости полета

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И

Том XIII 1982 №5

УДК 533 6.071.08:532.526

ОБ ОДНОМ ВАРИАНТЕ ЛАЗЕРНОГО ОДНОЛУЧЕВОГО ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОЛЕТА

С. В. Жигулев

_ Рассмотрена практическая методика измерения локальной средней скорости потока лазерным времяпролетным анемометром — прибором ЛАВ-1. Принцип действия прибора заключается в цифровой обработке последовательности регистрируемых фотоэлектронным приемником сигналов, вызванных лазерным излучением, рассеянным движущимися вместе с потоком частицами естественной пыли при пересечении ими единственного луча лазера.

На основе результатов испытаний, проведенных в аэродинамической трубе в диапазоне скорости потока 8—95 м/с, показано, что суммарная погрешность методики составляет не более 3%.

Приведены результаты экспериментального исследования данным методом в дозвуковой малотурбулентной аэродинамической трубе распределения скорости в следе за симметричным профилем в непосредственной близости от его задней кромки.

Разработка и внедрение бесконтактных методов измерений — важная и сложная задача экспериментальной аэродинамики. Развитие таких методов стимулируется необходимостью изучать явление в „чистом* виде, не внося в исследуемую зону потока никаких дополнительных приспособлений. Например, при измерении с помощью контактных датчиков профиля скорости в следе за крылом вблизи его задней кромки, где на расстоянии в несколько миллиметров происходит значительное изменение скорости, нельзя быть уверенным в том, что датчики не искажают течения в точке измерения и вблизи нее. Для проведения таких измерений требуется локальность порядка десятых миллиметра, а изготовить соответствующий датчик чрезвычайно сложно. Настоящая работа посвящена дальнейшему развитию одного из бесконтактных способов измерения скорости потока — лазерного однолучевого времяпролетного метода.

1. Оптическая схема метода [1] состоит из лазера, объектива, фокусирующего луч лазера в измерительный объем, и фотоприемного блока, оптическая ось которого пересекает центр измерительного объема [1]. Свет, рассеянный движущимися вместе с потоком частицами пыли и пересекающими единственный луч лазера в измерительном объеме, регистрируется фотоэлектронным умножителем фотоприемного блока. Так как поперечное распределение интенсивности излучения в луче лазера, работающего на основной моде ТЕМда, совпадает с нормальным распределением Гаусса, получаемые электрические сигналы изменяются во времени по гауссовой экспоненте. Замечательное свойство этих сигналов, позволяющее измерять скорость, заключается в зависимости их полуширины только от скорости светорассеивающих частиц и полуширины луча в измерительном объеме.

Данный метод можно рассматривать как один из вариантов времяпролетного метода (см., например, [2]), когда пролетной базой является поперечный

размер самого луча лазера. Однолучевая схема имеет лучшие характеристики локальности измерений, чем двухлучевая времяпролетная схема. Если не учитывать несовершенство фокусирующих оптических систем, то в однолучевой времяпролетной схеме, как и в методе ЛДИС, локальность ограничивается только законом распространения лазерных пучков и является поэтому максимально достижимой [3, 4].

Анализ показывает, что однолучевой вреыяпролетный метод проигрывает методу ЛДИС [3] и двухлучевому времяпролетноиу методу в точности измерений по одной частице, но из этих методов является самым простым. Кроме лазера и фотоприемного блока, в оптической схеме присутствует только фокусирующий объектив, необходимый для улучшения локальности измерений. Для настройки оптической части нужно лишь совместить оптическую ось фотоприемного блока с центром измерительного объема.

При измерениях вблизи поверхности модели основную неприятность доставляет фоновая засветка фотоэлектронного умножителя рассеянным поверхностью модели лазерным светом..Применение единственного луча лазера вместо двух перекрещивающихся лучей сужает диаграмму направленности рассеянного света, вследствие чего облегчается такая настройка оптической части, которая позволила бы избавиться от фоновой засветки. Поэтому по сравнению с методом ЛДИС однолучевой времяпрслетный метод упрощает такого рода измерения. Использование единственного луча дает также больше возможностей измерения в труднодоступных участках течений, например в щели между крылом и закрылком.

По-видимому, данный метод можно применять для исследования течений с сильными оптическими неоднородностями, в которых вследствие хаотического преломления лучей измерительный объем в методе ЛДИС не формируется и измерения с помощью последнего становятся невозможными.

Особенностью однолучевого времяпролетного метода является измерение проекции вектора скорости не на некоторую ось, а на плоскость, перпендикулярную лучу лазера. В некоторых случаях, например, при исследовании двумерного пограничного слоя, в котором направление вектора скорости известно, это удобно, так как позволяет измерять сразу модуль скорости В общем же случае пространственного течения для определения всех трех компонентов скорости требуются три измерения на лучах, приходящих в измерительный объем с трех разных направлений.

В данной работе использован один из возможных способов обработки электрических сигналов, получаемых с помощью однолучевой времяпролетной схемы, который довольно просто реализуется средствами цифровой техники [5]. Согласно этому способу измеряется число сигналов N, имеющих на фиксированном уровне по напряжению заданную суммарную длительность Т. Скорость V определяется соотношением V = АЫ/Т = кМ, где к = А/ Т— коэффициент, зависящий от содержания пыли, но не от ее концентрации. Под содержанием пыли понимается ее распределение по размерам, форме и материалу. Если пыль состоит из шариков с одинаковой диэлектрической проницаемостью, коэффициент к зависит от распределения пылинок по диаметрам.

В работе [5] было проведено первое испытание оптической части совместно с электронным блоком, которые составили лазерный вреыяпролетный анемометр-прибор ЛАВ-1 — в аэродинамической трубе. Впоследствии при попытках практических измерений скорости потока выяснилось, что если не учитывать изменений содержания пыли в аэродинамической трубе, систематическая погрешность может составить 10—15%. Зависимость показаний прибора N при заданной скорости потока от содержания пыли, а также возможность получения значения скорости только на основе статистической обработки сигналов, исключающей измерение степени турбулентности потока, являются принципиальными недостатками данного способа обработки сигналов. Освободиться от этих недостатков можно путем создания аппаратуры для измерения полуширин сигналов от каждой из частиц, пересекающих луч лазера. Чтобы обеспечить возможность проведения измерений скорости с помощью существующего сравнительно простого прибора ЛАВ-1, в данной работе предложена методика контроля изменения показаний прибора вследствие изменения содержания пыли. Возможности прибооа ЛАВ-1 и разработанной методики были оценены на практике посредством измерения поля скорости в следе за профилем в непосредственной близости от его задней кромки.

Все эксперименты проводились в дозвуковой малотурбулентной трубе с размерами рабочей части 1X1X4 м, на естественной запыленности воздуха.

2. Как уже говорилось, зависимость между показаниями прибора ЛАВ-1 и скоростью потока V носит линейный характер для каждого данного содержания пыли в аэродинамической трубе: у = кЫ. На практике вследствие непол-

ной фильтрации шумов фотоэлектронного умножителя эта зависимость приобретает вид V = кИ + Ь, где Ь также зависит от содержания пыли. Подсчитать коэффициент к теоретически — весьма трудоемкая задача даже при наличии точных данных о содержании пыли в воздухе аэродинамической трубы и характеристиках рассеяния света этой пылью по углам. Получить такие данные также довольно сложно, тем более что содержание пыли не остается постоянным Оно зависит от влажности воздуха, меняется после монтажа в рабочей части, во время работы аэродинамической трубы и т. п. Что касается слагаемого Ь, то его величину непросто даже оценить. Поэтому единственным практически приемлемым способом привязки показаний прибора ЛАВ-1 к скорости потока является проведение достаточно многочисленных тарировочных испытаний, что и было выполнено. Скорость потока при этом вычислялась на основании измерений полного давления в форкамере и статического давления на стенках рабочей части аэродинамической трубы. Измерительный объем прибора находился в ядре потока, на расстоянии 200 мм вниз по потоку от сечения, в котором располагаются приемные статические отверстия.

На рис. 1 представлены крайние верхняя и нижняя тарировочные прямые (экспериментальные точки обозначены крестиками). Все остальные тарировочные кривые располагаются между ними. Наличие семейства тарировочных прямых связано с упомянутым выше изменением содержания пыли. Сами же тарировочные испытания проводились достаточно быстро, а каждая точка находилась как средняя между точками, полученными при увеличении и уменьшении

скорости потока. Поэтому можно с уверенностью сказать, что каждая из этих прямых соответствует определенному содержанию пыли. В процессе проведения этих испытаний выяснилось, что при скоростях потока ниже ~ 8 м/с недопустимо возрастает разброс показаний прибора, а при скоростях выше 95 м/с из-за искажения формы сигнала, обусловленного ограниченной (1 мГц) полосой пропускания усилительной части прибора, зависимость показаний от скорости становится заметно нелинейной. Этими значениями и ограничивается диапазон скоростей потока, измеряемых прибором ЛАВ-1.

При обработке результатов эксперимента было найдено, что для этого прибора все тарировочные прямые пересекаются на плоскости V, N в точке с координатами N = —684, у — ~ 31,82 м/с. Это обстоятельство позволяет строить тарировочную прямую только по одной точке. Если зафиксировать показание Л'о в точке потока с известной скоростью щ (м/с), то можно найти параметры тарировочной прямой для данных условий:

г>о + 31,82

*о=—77-------*0 = 584*0-31,82.

Л'о + 054

Такой контроль можно произвести, помещая насадок в каком-либо месте в потоке так, чтобы он заведомо не влиял на изучаемое явление. Для дополнительной проверки этого способа привязки показаний прибора ЛАВ-1 к скорости потока было проведено несколько контрольных испытаний с более мелким шагом по скорости; результаты одного из них показаны на рис. 1 кружочками. Сплошная линия — соответствующая тарировочная прямая из семейства прямых, параметры которых описываются формулами (1). Отклонение точек от прямой характеризует как разброс показаний прибора, так и некоторую нелинейность, присущую прибору из-за несовершенства его элементов. Эти отклонения не превышают 2%.

На практике часто наблюдается заметное изменение содержания ныли ;в аэродинамической трубе во время эксперимента, что сказывается на показаниях прибора ЛАВ-1. Поэтому использование только одной тарировочной прямой для расчета скоростей на основании показаний прибора может^привести к значительным ошибкам. На рис. 2 представлена типичная для данной аэродинамической трубы зависимость показаний прибора от времени для постоянной скорости потока 58 м/с. За нулевую отметку времени принят момент установления потока в трубе (приблизительно через 1,5 минуты после ее пуска).

Как видно из графика, наиболее сильно показания изменяются в первые 5 минут, в дальнейшем рост замедляется, и кривая с точностью 1% аппроксимируется прямой, сначала на десятиминутном, а затем и более длительных, интервалах времени. При других скоростях потока зависимость N от времени носит аналогичный характер. Почти полная стабилизация содержания пыли в потоке наступает приблизительно через два часа непрерывной работы аэродинамической трубь!; именно в этих условиях проведено' представленное на рис. 1 контрольное испытание. Из (1) следует, что зависимость к0{Ы0) представляет собой гиперболу. Но область изменения Л^0 для каждой скорости у0 мала, поэтому эту зависимость с успехом можно аппроксимировать прямой. Например, для случая, представленного на рис. 2, максимальная ошибка линейной аппроксимации не превышает 0,15% в области изменения А^0 от 1790 до 1920. Поэтому можно считать линейным также изменение к0 со временем.

N '

то-

18017 - 0

о°

то{°

0 10 20 ' 30  г, май

Рис. 2

На основании сказанного предлагается следующая методика проведения измерений и учета изменения показаний прибора со временем. Контроль показаний проводится в начале и в конце серии измерений. Отдельные измерения производятся примерно через равные промежутки времени (обычно это получается автоматически и неудобств не вызывает). Чтобы уменьшить случайные разбросы, для контроля используются усредненные значения по трем-четырем отсчетам. Длительность серии измерений выбирается с учетом времени от начала работы аэродинамической трубы. Тогда расчет значений скоростей VI (м/с) на основании показаний прибора можно проводить с помощью соотношений, полученных из (1) с учетом линейного изменения &£ от отсчета^ к отсчету:

£ (ум+31,82 х*! 4- 31,82 ^ | г»!+31,82

г= М— 1 1 + 584 _ Л^ + 584 ) + ЛГ, +584 ’

Ь1 = 584 кг — 31,82; у1^к1Ы1^ГЬ1, где и 6* — параметры £-й тарировочной прямой; М — число отсчетов в серии» включая контрольные; v1, Л^, и — контрольные значения; 1=1, 2,

3, . . . , М. •

Погрешность описанной методики измерений складывается из погрешности, обусловленной нелинейностью истинной тарировочной кривой, разбросом показаний прибора и ошибки линейной аппроксимации изменения к0 от времени. Суммарная погрешность измерений составляет ~3%.

3. Для изучения возможностей прибора ЛАВ-1 и вышеописанной методики проведения измерений были промерены профили скорости в следе за моделью. Модель представляла собой симметричный профиль NACA 65-015 с толщиной задней кромки 0,1 мм. Крыло располагалось в среднем сечении рабочей части аэродинамической трубы под углом атаки агО. Координата х отсчитывалась от задней кромки вниз по потоку, а координата у — от задней кромки вверх. Скорость набегающего потока находилась в пределах ^ = 56,7 . . . 58,2 м/с для разных испытаний. Следует заметить, что эта скорость измерялась в начале рабочей части, так что действительное значение несколько больше вследствие нарастания пограничного слоя на стенках. В этих условиях обтекание

Ю—«Ученые записки ЦАГИ» № 5

145

данного профиля носит безотрывный характер. Были измерены профили скорости на расстояниях х = 2; 10; 30 мм от задней кромки, контроль показаний прибора проводился при у = — 90 мм. Результаты измерений, обработанные по формулам (2), представлены на рис. 3.'Скорости при у = —90 мм для приведенных испытаний составляли: /—59,0 м/с; 2—60,4 м/с; 3—58,8 м/с; ¥—58,9 м/с; 5—59,0 м/с.

Из рис. 3 видно, что результаты измерений во всех сечениях вполне удовлетворительно ложатся на гладкие кривые, и эти кривые достаточно хорошо совпадают для разных испытаний в одинаковых сечениях. Следует обратить внимание на подробность измерений — в области минимума по V кривых 1—4 измерения проводились с шагом 0,1 мм по у. Значительное отличие кривых / и 2 для |_у|>3 мм объясняется разными скоростями набегающего

у, мм

-12

+ 1 х-2мм]у=56 7м/с

* 1 2 мм', 58,2 м/с

° 3 10мм', 56,7м/с

• Ч 10мм; 567м/с

к 5 30мм', 5о,9м/с

30

Рис. 3

+

V '**0

50

V, М]С

потока. Приведенные кривые определяются распределением скоростей, связанным с потенциальным течением около крыла, и профилем скорости, обусловленным действием вязких сил в пограничном слое. Потенциальный профиль сравнительно медленно выравнивается с увеличением у, поэтому для 'у[=12 мм скорости еще заметно ниже, чем для у = 90 мм. В приведенных экспериментах точная установка модели крыла под углом атаки а = 0 не имела принципиального значения. Несимметричность полученных профилей скорости объясняется наличием некоторого небольшого угла атаки а^0.

Приведенные результаты измерений показали, что при использовании описанной методики прибор ЛАВ-1 позволяет вполне удовлетворительно измерять локальные средние скорости потока в дозвуковой аэродинамической трубе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Захарченко В. М. Измерение скорости потока лазерным однолучевым времяпролетным методом. .Ученые записки ЦАГИ*, т. VI, № 2, 1975.

2. Рудницкий А. Л. Измерение пульсаций скорости лазерными анемометрами. В сб. .Методы лазерной допплеровской диагностики в гидроаэродинамике". Минск, 1978.

3. Лазерное допплеровское измерение скорости газовых потоков. Труды ЦАГИ, вып. 1750 и 1755, 1976.

4. Котельник Г., Л и Т. Световые пучки, резонаторы и типы колебаний. .Справочник по лазерам*, т. II, .Советское радио', 1978.

5. Жигулев С. В., Божков В. М. Автоматическая система определения скорости дозвукового потока бесконтактным способом. II Всесоюзная конференция по методам аэрофизических исследований, т. III, Новосибирск, 1979.

Рукопись поступила 3\Х1 1979 Переработанный вариант поступил 41V 1982