В настоящее время, как в России, так и за рубежом широко проводятся как теоретические, так и экспериментальные исследования по изучению фундаментальной проблемы механики – проблемы понимания сложного механизма перехода к турбулентности течений жидкости и газа. Экспериментальные исследования, проводимые в этом направлении, характеризуются использованием, главным образом, термоанемометрических методов измерения средних и пульсационных составляющих скорости течения и различных способов визуализации потока. Здесь коллективом авторов был получен ряд приоритетных фундаментальных результатов, опубликованных как в монографиях, так и в ведущих мировых научных журналах [1–2].
Для выполнения поставленной задачи в качестве исследуемого объекта в данной работе использована аэродинамическая труба дозвуковых скоростей Т-324 ИТПМ СО РАН. Благодаря низкому уровню турбулентности, эта установка является единственной уникальной установкой подобного класса в Российской Академии наук.
Для обеспечения эффективного проведения научных исследований исполнителями проекта в данной аэродинамической трубе создана система автоматизации эксперимента [3], которая позволяет получать количественную информацию о происходящих в возмущенном течении процессах по точкам, а также в виде картин и видеороликов пространственно-временной термоанемометрической визуализации, из которых можно судить о распределении в пространстве и времени как средних, так и пульсационных составляющих каждой из компонент скорости потока (U, V, W). Данная система позволяет получать детальную информацию о динамике развития пристенных, отрывных и свободных сдвиговых течений.
В представляемой системе организован автоматизированный ввод результатов пространственно-временных термоанемометрических измерений течения газа непосредственно в ЭВМ в режиме реального времени, их накопление, обработка по заданным программам и графическое представление как в виде картин пространственной визуализации течения, так и в форме пространственно-временных видеороликов, отражающих процесс развития возмущенного течения в динамике. Система обеспечвает на современном уровне автоматизацию проведения экспериментальных исследований фундаментального характера, связанных с изучением восприимчивости и устойчивости сдвиговых слоев, механизмов турбулизации течений и турбулентности.
Структурно представляемая система разделена на три независимые подсистемы:
1. Автоматизированное координатное устройство. Данная подсистема включат в себя управляемое компьютером оригинальное координатное устройство, позволяющее по заданной программе прецизионным образом перемещать датчик термоанемометра в трехмерном пространстве рабочей части аэродинамической трубы [4–5].
2. Автоматизированная подсистема сбора данных. Эта подсистема связана с измерительным прибором – термоанемометром, который производит измерения средних и пульсационных составляющих скорости потока, оцифровывает их с помощью АЦП и вводит в реальном масштабе времени в компьютер [6–7]. Подсистема связана с первой через обратную связь: сигнал об окончании единичного измерения через компьютер даёт импульс координатному устройству к перемещению датчика термоанемометра в следующую измерительную позицию и т.д. Каждый измеренный термоанемометром сигнал представляет собой осциллограмму, которая подвергается в компьютере операции осреднения по ансамблю для устранения случайного шума.
3. Подсистема визуализации. Данная подсистема осуществляет визуализацию полученных результатов. Набор введенных в компьютер осциллограмм собирается в специальную матрицу, программная обработка которой в среде MATLAB позволяет получать пространственно-временные картины термоанемометрической визуализации течения [7].
Таким образом, измерительная подсистема обеспечивает синхронизованный ввод экспериментальных данных непосредственно в компьютер с сохранением информации о фазе измеряемого сигнала; сбор и накопление результатов измерений в базе данных, где хранятся результаты проводимых экспериментов.
В представляемой системе широко используются программные средства для осуществления гибкой настройки эксперимента непосредственно с рабочего места экспериментатора. Так, с помощью клавиатуры компьютера предоставляется возможность задавать скорость перемещения датчика термоанемометра, количество шагов перемещения, начальную и конечную координату датчика и т.д. При этом предполагается организация как ручного запуска измерений (например, в режиме отладки), так и автоматического, задаваемого программно.
Результаты экспериментальных исследований. С помощью представляемой системы выполнен большой цикл исследований [7–11], включающий в себя следующие направления:
– нелинейная синусоидальная и варикозная неустойчивость стационарного продольного локализованного возмущения (полосчатой структуры) в пограничном слое плоской пластины;
– нелинейная варикозная неустойчивость стационарного продольного локализованного возмущения (полосчатой структуры) в пограничном слое прямого крыла;
– вторичная высокочастотная неустойчивость стационарных продольных локализованных вихрей в пограничном слое скользящего крыла.
Заключение. К настоящему времени полностью завершены работы по созданию автоматизированной системы пространственно-временной визуализации течений в аэрофизическом эксперименте. С её использованием проводятся экспериментальные исследования по исследованию устойчивости и перехода к турбулентности различных сдвиговых течений.
Представляемая работа выполнялась при финансовой поддержке грантов РФФИ № 13-07-00616 и 12-07-00548.