Способ определения поля завихренности

(21) 43 (22) 14 (46) 23 (71) Ин СССР 4463/3109.8709.89. Б У 35 изики АН титут прикл И.Якубович.В. иульса189. принципы и приУ.форста. - М.: др. Измерение ций. - Л.: Энер ил. последоваскопом 3, кюидкостью, враяризации и ор 2 с расположенныщ оптическ с кю- оложензатор о рас объ 9.а 1 света стандартныищий на выходе та, например езер ЛГ-1, тора 2 может ма Глана или света,поляриза ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ 54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ЗАВИЕННОСТИ(57) Изобретение предназначено дл изучения физических процессов в жи кости в лабораторных условиях. ЦелИзобретение относится к области изучения физических процессов в жид" кости в лабораторных экспериментах.Целью изобретения является повышение точности и обеспечение определения поля завихренности в реальном масщтаба времени.Нд фиг,1 и 2 представлены схемы дюум уатройств, различным Образом реализующих данный способ, на фиг.3 схема, поясняющая работу резонансного усилителя в устройстве, изображенном на фиг.2.Устройство, изображенное на фиг.1, содержит источник 1 оптически связанный через изобретения - обеспечение возможности определения поля завихренностив реальном масштабе времени с высокой точностью. Способ заключаетсяв том, что через жидкость пропускаютлинейно поляризованный свет. Затемв прошедшем через жидкость свете выделяют компоненту с поляризацией,перпендикулярной поляризации падающего на жидкость света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации пздающего света.Выделенную компоненту света используют для визуализации поля завихренности, а по распределению интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, измеряют поле завихренности. тельно расширяющим телветой 4 с исследуемой жщателем 5 плоскости поотражающим зеркалом 6,связанные через поляриветой 4 послвдовательнные расширяющий телвсктив 8 и фотоиндикаторВ качестве источникно использовать любойосветитель, формируюпараллельный пучок свепромышленный газовый лВ качестве поляризабыть использована приз9807 10 15 20 25(ддх; Первое слагаемое Ео - диэлектрическая проницаемость неподвижной 30 жидкости, второе и третье слагаемыевозникают из-за движения жидкости и вызывают изменение поляризации проходящего света (динамооптический эффект), причем второе слагаемое 35 1( - + - ) пропорционально тенд , Эах; эх;зору деформации жидкости и приводит к эллиптической поляризации проходящего через жидкость линейно поля ризованного света, а элементы тензора . 3 ( - - -- ) - третье сладу д;Вх; ахигаемое, пропорциональны компонентам го ч, т,е, компонентам вектора завихренности, Это слагаемое определяет поворот поляризации проходящего через жидкость линейно поляризо; ванного света, характер поляризации,при этом не изменяется.50При падении линейно поляризованного света на слой движущейся жидкости толщиной Ь вектор Е амплитуды электрического поля световой волны в прошедшем свете имеет вид лЕ,(2) пластину. 3 150анизотропный клин с оптической осью,параллельной цлц перпендикулярнойобразующей двугранного угла прц вершине клина.Для создания завихренности можнопрокачивать жидкость через неподвижную кювету или вращать герметически закрытую кювету с жидкостью вокругнекоторой оси (например, для цилиндрической кюветы - вокруг продольнойоси).Расширяющие телескопы 3 и 7 могутотсутствовать, если источник светаформирует световой пучок с апертурой,сравнимой с апертурой входного окнакюветы.В качестве вращателя 5 плоскостиполяризации может быть использованаячейка Фарадея.В качестве фотоиндикатора можетбыть использован экран, фотоаппаратэлектронно-оптический преобразователь (ЭОП), фотоматрица и т.п,Для исследования может быть взятапрактически любая жидкость, прозрачная в использующемся диапазоне длин волн.Устройство, изображенное на фиг.2, обладает более высокой чувствительностью и содержит последовательно расположенные источник 10 монохроматического света, расширяющий телескоп 1 1, кювету 12 с исследуемой жидкостью, сужающий телескоп 13, поляризатор-модулятор 14, усилитель 15, оптически связанные элементом 16 связи с последовательно расположенными резонансным усилителем 17, фильтром 18, расширяющим телескопом 19 и фото- индикатором 20, источник 21 монохроматического света, оптически связанный тем же элементом 16 связи с элементами 17, 18, 19 и 20.В качестве источника 10 монохроматического света можно использовать твердотельный или газовьп лазер,например лазер типа ЛТИПЧ.В качестве поляризатора-модулятора 14 можно использовать поляризаторы- модуляторы, работающие на основе эффекта Фарадея.В качестве усилителя 15 можно ис-пользовать усилитель с активным элементом, подобным используемому в источнике 10.В качестве элемента 16 связи можно использовать плоскопараллельную В качестве активной среды резонансного усилителя можно использовать красители, пары щелочных металлов и т.п.Кювета ц фотоиндикатор аналогичны описанным на фиг,1.Способ определения поля завихренности заключается в выделении в прошедшем через движущуюся жидкость свете компоненты, пропорциональной завихренности. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости, через которую этот свет прошел.В тензоре диэлектрической проницаемости движущейся жидкости присутствует член, пропорциональный завихренности жидкости Я =Е+)( " + - )+Зх; дхЗч;дх 55 -вь " х)1 с Ь2 Ео5 15фгде Е - вектор амплитуды падающейна среду волны,- волновое число;О - тензор+ )хл,рчЭ ч 1Эх; Э х3, 3 - коэффициенты.При выборе оси г по направлениюраспространения света, оси х - понаправлению поляризации падающегосвета в прошедшем через движущуюсяжидкость света наряду с компонентойсвета, поляризованной вдоль оси хьых(Е), появляется компонента света 09807 зхх Щ ь Эх 2 ба(3) с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего света, т.е. поьых ляриэованная вдоль оси у (Е), Этаььнкомпонента Е 1 в первом приближении состоит из двух .слагаемых, одно иэ которых пропорционально деформации среды, а другое - завихренности,где Л - осевая компонента (г-компонента) вектора завихренности, Л - (гоС ч) . Первое слагаемое в этом . выражении, пропорциональное деформации, имеет фазу, перпендикулярнуюьыхфазе компоненты Е х , т.е. колеблетьых ся в квадратуре с полем волны Еа второе слагаемое, пропорциональное завихренности, имеет фазу, совпадаюьыхщую с фазой компоненты Е, т.е.ьыхсинфазно с ЕТаким образом, в прошедшем через движущуюся жидкость эллиптически по- ляризованном свете присутствует пропорциональная завихренности жидкости компонента с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего линейно поляризованного света, и Фазой совпадающей с Фазой компоненты про,шедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 х 50 в Формуле (3), взаимно, а поворот поляризации, обусловленный завихренностью среды (второе слагаемое в формуле (3, невзанмен (фарадеевского типа)Поэтому, если после прохождения линейно поляризованного света через движущуюся жидкость в прямом направлении пропустить свет через жидкость в обратном направлении по тому же пути, развернув предварительно его поляризацию на 90 , то изменение поляризации, обусловленное деформацией среды, скомпенсируется, а поворот поляризации, обусловленный завихренностью жидкости, удвоится.Следовательно, в дважцы прошедшем (вперед и назад) через движущуюся жидкость свете наряду с компонентой света, поляризованной вдоль оси хьых(Е, ), будет присутствовать только та компонента света, поляризованная, выхвдоль оси у (Е ) ), которая пропорциональна завихренности жидкости.Эту пропорциональную завихренности жидкости компоненту можно отделить от компоненты Е хы" пропусканием света через поляризатор. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости через которую этот свет прошел. Визуализацию поля завихренности можно осуществить по картине распределения интенсивности света, обусловленного этой компонентой, на Фотоиндикаторе, установленном в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения. Измерение поля завихренности осуществляется фотометрированием этой картины.Работа устройства, представленного на фиг.2, также основана на том, что компонента поля Е в формуле (3), пропорциональна завихренности 1синфазна с Е , а компонента поля Е,пропорциональная деформации, колеблется в квадратуре с полем волныеыхЕхБ основу работы устройства для реализации способа, приведенного на Фиг." положено то свойство, что изменение поляризации, обусловленное деформацией среды (первое слагаемое Формируемый источником монохроматический линейно поляризованный вдолЬ оси х свет частоты дь, проходя через кювету с исследуемой жидкостью, при"обретает на выходе из кюветы эллиптическую поляризацию, причем возникающая деформация жидкости приводит квозникновению эллиптичности прошедшего света, а возникающая завихренностьприводит к повороту большой оси эллипса относительно оси х, оставляяхарактер поляризации неизменным. Длятого, чтобы выделить компоненту света, пропорциональную завихренности,свет сначала пропускается через поляризатор-модулятор 14, в котором угол8 наклона поляризации прошедшегочерез него света к оси у модулируется с частотой Ь , выбираемой )- ( Й - время релаксации населенности активной среды усилителя 17) и соЭ При этом целесообразно выбрать амплитуду модуляции этого угла такой, чтобы на выходе поляризатора- модулятора 14 компоненты света Е з 1 п 8. (Ец + Е) соя 8 были25 одного порядка (амплитуда Е света на выходе поляризатора-модулятора 14 равна сумме этих компонент - закон Иалюса) .30Этот линейно поляризованный и модулированный с частотой Ь свет используется в качестве подсветки в резонансном усилителе 17, в который одновременно направляется свет час.тоты д,(ыо (Фиг.3) от источника 21.В результате на выходе усилителя 17 поле содержит член, пропорциональный 1 Е Е(Ю), где Е А) - усиливаемое в нем поле частоты М 40В силу того, что угол В модулируется во времени с частотой (с Юо, подсветка содержит различные гармоники низкой частоты, а поле на выходе усилителя 17 среди прочих име ет гармонику сд + Ь, амплитуда ко, ьы Ц торой пропорциональна Е Е(сА) Ет.е, пропорциональна завихренности.Выделение этой гармоники можно осуществить с помощью Фильтра 18, который, однако, целесообразно конструктивно объединить с усилителем 17, собрав последний по регенеративной схеме с одномодовым резонатором на частоте Ы, + 6, при этом лучше использовать такую активную среду, у которой один из уровней расщеплен с частотой расщепления, равной Ь ; . П р и м е р. Способ осуществляют на установке, собранной по схеме,. приведенной на Фиг.1. В качестве источника 1 света используют газовый лазер ЛГ-1, Поляризатор 2 выполняют в виде призмы Глана. Поле завихренности создают в цилиндрической кювете 4, заполненной дистиллированной водой. Длина кюветы Й = - 300 мм, Окна кюветы диаметром 100 мм изготовляют из оптического стекла Ки укрепляют через резиновые прокладки накидными гайками. В кювете выполняют отверстие, закрывающееся завинчивающейся пробкой, для заливки кюветы жидкостью. Кювета 4 вращается на двух шариковых подшипниках, внутренние обоймы которых запрессованы в тело кюветы, а внешние запрессованы в опоры, закрепленные на массивном основании. Вращение кюветы 4 осуществляют от трехФазного электродвигателя мощностью 600 Вт с помощью ременной передачи. Шкив на кювете 4 располагают на середине ее длины и выполняют как 1: 1, 1: 1/2, 1: 1/4 соответственно. Электродвигатель. через резиновую прокладку укрепляют на том же основании, что и кювету, Система содержит устройство регулировки натяжения приводного ремня. Скорость вращения кюветы может регулироваться от нуля до 3600 об/мин.В качестве зеркала 6 использую диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения на Э = 63 мкм В - 992, диаметром 100 мм.В качестве невзаимного.элемен; используют ромб Френеля.В качестве фотоиндикатора 9 используют экран, изображение с которого, снимают на Фотопленку для фотометрирования распределения интенсивности света.Способ осуществляют следующим образом.В начальный момент времени кювета 4 находится в покое. Включают лазер 1 и осуществляют калибровку всей системы. Она заключается в следующем. Сформированный источником 1 параллельный пучок света направляют на поляризатор 2 - призму Глана. Поскольку лазер 1 формирует линейно поляризованное излучение, то поляризатор 2 настраивают на максимальное пропускание падающего на него света.1509807 Затем проводят кювету во вращениедо скорости 3600 об/мин и на экране 9 наблюдают поле завихренности, а фо тометрированием распределения интенсивности светового поля на экране измеряют поле завихренности. Линейно поляризованное излучение,получаемое на выходе поляризатора 2,через расширяющий телескоп 3 направляют в кювету 4 с исследуемой жидкостью. С выхода кюветы 4 световойпучок направляют на вращатель 5 плоскости поляризации, который поворачивает поляризацию на /4.Затем световой пучок направляют 10на отражающее зеркало б. Отраженныйзеркалом б световой пучок вновь проходит через вращатель плоскости поляризации и испытывает поворот плоскости поляризации еще на Т/4.Далее пучок 15последовательно пропускают через кювету.4 и телескоп 3 в обратном направлении и направляют на поляризацию 2. При этом на экране 9, установленном за расширяющими телескопом 7 20и объективом 8, должно быть темноеполе, поскольку вследствие взаимности на обратном проходе светового пучка через систему происходит компенсация поворота поляризации, обусловленного случайной анизотропией оптических элементов,Формула изобретения Способ определения поля эавихренности, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности и обеспечения измерения поля завихренности в реальном масштабе времени, через жидкость пропускают линейно поляризованный свет, в прошедшем через жидкость света выделяют пространственное амплитудное распределение компоненты с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на среду света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света, и по распределению амплитуд выделенной компоненты судят о поле завихренности.1509807 Составитель,П,Архонтовактор С.Пекарь Текред,Д,ОлийныкКорректор И.Иаксимишинец 806/42 Тираж 513 11 одписиое осударственного комитета но изобретениям и113035, Иосква, Я, Раушская наб Заказ ВНИИПИ крытиям при Г оизводственно-издатфдьадФ комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 1е Я Я