Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках

(1)5 6 01 Р 3/36 Е ИЗОБРЕТЕН ИС ПАТЕНТ им нв ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР)(71) Государственный институт прикладной оптики(56) Петухов Б.С, Вопросы теплообмена. Избранные труды, М.: Наука, 19877, с.256.Турбулентный теплообмен при смешанной конвекции в вертикальных трубах. М ИВТАН, 1989, с,14.(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СОВМЕСТ НЫХ 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 способизмерения совместных одноточечныхкорреляций скорость-температура а турбулентных потоках; на фиг,2 - 4 приведенырезультаты измерения по. Предложенномуспособу для рэзличных объектов.Устройство, реализующее способ, содержит лазерный доплеровский анемометр(ЛДА) 1 с измерительным объемом в окрестности точки 2 о, интерферометр, содержа-.щий источник когерентного излучения(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 обьема 2 о лазерного доплеровского анемометра по нормали к объектному пучку интерферометра на величину о, соответствующую экстремуму осредненного по времени произведения ОУ(20). 4 ил. компенсатор 4, уголковь)й 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 Ео в нем, Опорный пучок 9 проходит вне объекта, граница 10 которого изображена замкнутой линией,Интерферометр работает следующ образом. Излучение лазера 2 попадает 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 2 о в турбулентном по1831684 0(2.) =УО" (2.) Ут" (2.) х15 х Ко т(2 о) 3 Е(2)б 2. (5) В последнем выражении использованопредположение о том. что среднеквадратичное значение пульсаций температурыТ (2 о) не меняется в пределах корреляци/ 2онной длины, т,е, при Г(2) 0.Смещают измерительный объем ЛДА понормали к объективному пучку интерферо метра на величину о, соответствующуюэкстремуму осредненного по времени произведения 0(2 о). При этом (2) запишем в общем виде;,и - молекулярная масса;В - универсальная газовая постоянная;Т - температура в потоке; 40Ь - коэффициент пропорциональности;г - направление просвечивания потоСигналы 0(т) и ф поступают в блок 45 корреляционной обработки 7, где перемножаются, а результат перемножения осредняется по времени: 50 4 Черта сверху означает усреднение по времени, 55Введем пространственную корреляционную функцию Ко т(2 о,2) в виде: токе, Опорный пучок 9 проходит через невозмущенную исследуемым потоком среду.Опорный и обьектный пучки соединяютсяна пластине 3 и интерферируют, Интерференционная картина регистрируется фотоприемником 6, сигнал от которого поступаетв блок корреляционной обработки 7, в котором сигналы от ЛДА и фотоприемника 6перемножаются, а результат перемноженияосредняется по времени,Способ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура втурбулентных потоках осуществляется следующим образом.Лазерным доплеровским анемометромопределяют сигнал 0(т),пропорциональныйпульсациям скорости в измерительномобьеме 2 О ЛДА,Одновременно с сигналом 0(т) определяют сигнал (т), пропорциональный пульсациям температуры в потоке. Сигнал (т) -выходной. сигнал фотоприемника 6 интерферометра. Этот сигнал связан с пульсациями температуры Т(т,г) в турбулентом потокеследующим образом; О(2 о) =3 О(2 о)Т(2)О 2. (2). КС Ко т (2 о,2) Кот(2 о) Е(2),Кот(2 о), (4),0(2 - 2 (2,)Е(2) - функция, описывающая форму корреляционной кривой и изменяющаяся в пределах +1;ОТ(20) - совместная одноточечная корреляция скорость-температура в точке 2 оПри этом (2 примет вид:- КС0 (2, 6 =( 0(2, (2) + +о (г., 8 т (л) пт 1, (б) Интегрирование по интервалам от - со до -и отдо со отражает тот факт, что минимальное расстояние между измерительным обьемом ЛДА и обьектным пучком интерферометра равнои, следовательно, отсутствует вклад в корреляцию при расстояниях, меньших чем . После дифференцирования попоследнее соотношение принимает вид: Сделав предположение о симметричности поведения пространственной корреляционной функции Ко т(2 о,2) относительно осей 2 и ф, можно утверждать. что Ко т (2 о,2), а следовательно, и Ц 2) обращаются в коль, когда в ноль обращается производная, стоящая в левой части уравнения (7), т.е, когда осредкемнов по времени произведение сигналов О от ЯДА и Г от иктерферометра досгигает экстремума. Поскольку в первом приближении Функция Щ может,Т( ) О2 оо аппроксимироваться прямой. то интеграл вуравнении (5) павен фоо у) Е (2) б 7:(1 - -)дЕ = , )8) Определяют значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура е точке 7 о по формуле которая получается иэ уравнения (5) с учетом (8) и (4),В качестве обьекта для проведения измерений совместных одноточечных корреляций "скорость-температура" была выбрана затопленная струя подогретого воздуха, истекающая из сопла диаметром 28 = 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 е открытую с двух сторон трубу диаметром 2 й =. 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 2), Электрические сигналы от интерферометра и датчика поступали в блок корреляционной обработки.В выбранном точке Е измерялся корреляционный сигнал ОТ(Е. Затем датчик термоанемометра смещали по нормали к узкому объектному пучку интерферометра на величину фи измеряли корреляционный сигнал 0(7), ф при различных значенияхПо полученной зависимости определяли величину смещения ф, соответствующую экстремуму корреляционного сигнала ОЯ; ф . Значение совместной одноточечной корреляции рассчитывали по формуле (9),Анаяогичные измерения проводились для различных точек Е 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 е сечении 9 калибров от сопла. Точка 2/В - О 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 с). Видно, что корреляционный сигнал достигает экстремума при омм.Предлагаемый способ измерения совместных одноточечных корреляций "скорость-температура" е турбулентных потоках позволяет проводить бесконтактные измерения. не внося е 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 изобретенияСпособ измерения совместных одноточечных корреляций скорость-температура в турбулентных потоках, заключающийся в определении сигналов О(т) и (т), пропорциональных соответственно пульсациям скорости и температуры потока в измерительном обьеме Е) лазерного доплеровского анемометра и усреднении произведения О(7 этих сигналов по времени, о т л ич а ю щ и й с я 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 обьем Ет) лазерного доплеровского анемометра смещают по нормали к объектному пучку интерферометра на величину 4 о. соответствующую экстремуму значения осредненного по времени произведения 0(2,), а значение совместной одноточечной корреляции скорость-температура)Т(Ес опрегде О(Е - осредненное по времени произведение сигналов; пропорциональныхФ(8 соответственно пульсациям скорости и температуры;4 о - смещение, соответствующее экстремуму осредненного по времени произведения сигналов ОТ(Ео); К - постоянная Гладстона-Дейла;С - тарировочный коэффициент;Х - длина световой волны;Ео - координата точки измерения.1831684 О М, Тка Редакто НТ СССР аз 255 ВНИИ Составитель В. ГербрандтТехред ММоргентал Корректо Тираж Подписное . сударственного комитета по изобретениям и открытия 113035, Москва, Ж, Рауаская наб 4/5