FluidMaster

Лазерная визуализация в гидро- и газодинамике: методы, системы и области применения

Лазерная визуализация является одним из наиболее информативных диагностических инструментов в экспериментальной гидро- и газодинамике. Она обеспечивает мгновенное, количественное и неинвазивное получение двумерных, трехмерных и четырехмерных данных о структуре течения, распределении скорости, температуры, концентрации, состава смеси и других скалярных параметров. В статье рассмотрены основные методы лазерной визуализации, включая LIF, PIV, Tomo-PIV, µPIV, термографическую PIV, а также смежные оптические методы BOS и DIC. Особое внимание уделено применению этих технологий в жидкостных, газовых, многофазных и конвективных потоках, а также в задачах взаимодействия жидкости и конструкции.

Современные задачи экспериментальной механики жидкости и газа требуют получения пространственно и временно разрешенной информации о течениях. Особенно важны методы, позволяющие исследовать нестационарные, турбулентные, многофазные и термически неоднородные потоки без существенного вмешательства в их структуру.

Лазерная визуализация широко применяется для регистрации мгновенных двумерных и трехмерных карт течения с высоким пространственным и временным разрешением. В ряде случаев возможно получение временно-разрешенных трехмерных данных, что обычно обозначается как 4D-визуализация. Такой подход позволяет анализировать развитие вихревых структур, процессы смешения, теплоперенос, распределение концентрации и взаимодействие потока с твердыми телами.

Наиболее универсальным методом измерения скалярных параметров потока является LIF — лазерно-индуцированная флуоресценция. Она применяется для определения концентрации, доли смеси, химического состава, температуры и pH. Для измерения полей скорости наиболее распространенным методом является PIV — цифровая трассерная визуализация частиц. Совместное применение LIF и PIV позволяет получать многопараметрические данные о потоке.

Основные методы лазерной визуализации

Лазерно-индуцированная флуоресценция

Метод LIF основан на возбуждении флуоресцентных трассеров лазерным излучением и регистрации испускаемого ими сигнала. Интенсивность или спектральное соотношение флуоресцентного излучения может быть связано с измеряемым параметром потока: температурой, концентрацией, составом смеси, pH или долей смешения.

В жидкостях LIF обычно обеспечивает высокий уровень сигнала, что позволяет проводить измерения без применения усилителей изображения и лазеров высокой мощности. В газовых потоках ситуация сложнее: большинство газофазных LIF-трассеров требуют импульсных УФ-лазеров и чувствительных камер с усилением изображения.

Для количественных измерений часто используется ратиометрическая двухцветная LIF. В этом подходе регистрируются два спектральных канала флуоресценции, а искомый параметр определяется по отношению сигналов. Такое отношение в меньшей степени зависит от локальной энергии лазера, концентрации трассера, неоднородности освещения и эффектов поглощения, что повышает точность измерений.

Цифровая трассерная визуализация частиц

PIV является базовым методом измерения полей скорости в жидкостях и газах. Поток засеивается мелкими частицами, которые должны точно следовать за движением среды. Лазерный лист освещает измерительную область, а камера регистрирует последовательные изображения частиц. По смещению изображений частиц между кадрами с использованием корреляционных алгоритмов рассчитывается поле скорости.

PIV может применяться в различных конфигурациях. Двумерная PIV позволяет измерять две компоненты скорости в плоскости. Stereo-PIV дает возможность регистрировать три компоненты скорости в двумерной плоскости, то есть реализует схему 2D3C. Tomo-PIV обеспечивает реконструкцию трехмерного поля частиц и расчет трехмерного поля скорости. При использовании высокоскоростных камер и импульсных источников света возможна временно-разрешенная 4D-визуализация.

Томографическая PIV и 4D-визуализация

Tomo-PIV использует несколько камер для регистрации частиц с разных ракурсов и последующей томографической реконструкции их трехмерного распределения. Стандартные установки часто включают четыре камеры, однако для некоторых высокоскоростных задач возможно использование двухкамерных схем с усовершенствованными алгоритмами реконструкции и отслеживания движения.

4D-визуализация особенно важна при исследовании нестационарных и неповторяющихся процессов. Она позволяет получать трехмерные поля скорости во времени и анализировать эволюцию турбулентных вихрей, конвективных структур, струйных течений и процессов смешения.

Визуализация скалярных полей и системы FluidMaster

Для исследования скалярных параметров в жидкостях и газах применяются системы класса FluidMaster. Они предназначены для визуализации концентрации, доли смеси, температуры, pH и других параметров, определяемых с помощью LIF и связанных методов.

Системы FluidMaster используют аппаратные компоненты, близкие к системам FlowMaster, предназначенным для визуализации полей скорости. Оба класса систем могут работать на единой программной платформе DaVis и объединяться для многопараметрических измерений, например для одновременной регистрации поля скорости и распределения температуры или концентрации.

Применение в жидкостных потоках

Реактивное смешение жидкостей

LIF позволяет исследовать процессы смешения в жидкостях на микро- и макромасштабах с высоким пространственно-временным разрешением. При смешении двух растворов с различным pH может использоваться флуоресцентный трассер с pH-чувствительным спектральным откликом. В этом случае двухцветная ратиометрическая LIF обеспечивает количественное измерение pH.

Для получения достоверных данных проводится калибровка LIF-сигнала на образцах с известным значением pH. Такой подход позволяет строить карты степени смешения и анализировать эффективность перемешивания.

Термометрия в конвективных водных потоках

В задачах естественной конвекции в водяном резервуаре поток может формироваться нагретым металлическим блоком, расположенным на дне емкости. Вода засеивается частицами для PIV и раствором LIF-активных красителей. Один из красителей имеет температурно-чувствительную флуоресценцию, что позволяет проводить двухцветную LIF-термометрию.

Ратиометрическая двухцветная LIF-термометрия в таких условиях практически не зависит от колебаний энергии лазера и концентрации трассера. Альтернативным методом является одноцветная LIF-термометрия, однако она требует более строгого контроля однородности засева и локальной энергии лазерного излучения.

В описанном типе экспериментов синхронизированные PIV- и LIF-измерения могут выполняться с частотой порядка 10 Гц. Минимально различимая разность температур может быть лучше 1 К при пространственном разрешении порядка 1 мм.

Трехмерное исследование жидкостных струй

Турбулентное течение жидкой струи имеет выраженную трехмерную структуру. Для полного анализа таких потоков требуется трехмерная или четырехмерная визуализация. Временно-разрешенная Tomo-PIV позволяет регистрировать структуру жидкостной струи, включая изоповерхности завихренности и распределение осевой скорости в реконструированном объеме.

В экспериментах такого типа могут использоваться частоты регистрации порядка 1 кГц, что дает возможность анализировать быстрые изменения турбулентной структуры потока.

Применение в газовых потоках

Визуализация концентрации газа

LIF в газовых потоках применяется для измерения концентрации, доли смеси и состава газа. Для этого используются газофазные LIF-трассеры. Выбор трассера зависит от измеряемого параметра, температуры, химического состава среды и требований к безопасности.

Одним из наиболее распространенных газофазных LIF-трассеров является ацетон. Он используется при температурах до приблизительно 1000 К благодаря высокому давлению насыщенного пара, благоприятным флуоресцентным свойствам и относительно низкой токсичности.

Количественные карты концентрации получают после коррекции изображений LIF на неоднородность освещения, оптические искажения и особенности регистрирующей системы.

Газовая термометрия

Температурные поля в газах могут определяться с помощью одноцветной или двухцветной LIF-термометрии. Метод эффективен также в малых полостях и сложных геометриях. Например, в термоакустических устройствах возможно проводить фазово-синхронизированную LIF-съемку и восстанавливать изменение температурного поля в течение акустического цикла.

Высокоскоростная LIF-визуализация позволяет выполнять измерения с частотами в десятки килогерц, что важно для анализа быстро меняющихся газодинамических процессов.

Многопараметрическая визуализация в газах

Термографическая PIV

Традиционные многопараметрические измерения температуры и скорости часто требуют разных трассеров, источников света и камер: частицы используются для PIV, а температурно-чувствительный трассер — для LIF-термометрии. Термографическая PIV упрощает эту схему, поскольку использует фосфоресцирующие частицы, пригодные одновременно для измерения скорости и температуры.

Такие частицы представляют собой керамический порошок с размером частиц порядка 2 мкм. После возбуждения УФ-лазерным листом они испускают сигнал LIP — лазерно-индуцированной фосфоресценции. Спектр этого сигнала зависит от температуры окружающего газа, что позволяет выполнять двухцветную ратиометрическую LIP-термометрию.

Преимущество термографической PIV состоит в том, что одни и те же частицы и одна и та же оптическая схема используются для регистрации поля скорости и температуры. Метод применим для температур до 900 К и может использоваться для высокоскоростной съемки с частотами порядка килогерц.

Многофазные потоки

Двухфазные потоки жидкость — газ

В пузырьковых потоках важно одновременно исследовать движение непрерывной фазы и поведение пузырьков. Для этого может применяться двухканальная цветокодированная схема визуализации. Зеленый лазерный лист возбуждает красную флуоресценцию частиц для PIV в воде, а синяя светодиодная подсветка используется для теневой регистрации пузырьков.

Светоделитель перед камерами разделяет спектрально закодированную информацию от двух фаз. Это позволяет синхронно измерять поле скорости жидкости, форму, размер и скорость пузырьков. При необходимости пространственное разрешение можно повысить за счет применения микроскопической оптики.

Микрофлюидика и топливные элементы

В микрофлюидных системах, включая каналы топливных элементов, для анализа транспортных процессов применяется µPIV. В отличие от классической PIV, где используется лазерный лист, в µPIV обычно применяется объемное освещение. Глубина резкости определяется числовой апертурой объектива микроскопа.

Поток засеивается флуоресцентными частицами, что позволяет подавить вклад фонового рассеяния от стенок микроканалов. Частицы должны быть значительно меньше характерного размера канала и достаточно малы, чтобы точно следовать потоку.

Системы µPIV могут поддерживать двумерные, стереоскопические и томографические измерения полей скорости.

Крупномасштабная 4D-визуализация воздушных потоков

Для измерения полей скорости в больших объемах, достигающих 1 м³ и более, необходимы яркие трассеры с хорошей способностью следовать потоку. В таких задачах применяются HFSB — заполненные гелием мыльные пузырьки субмиллиметрового размера.

HFSB практически нейтральны по плавучести и более чем в 10 000 раз ярче стандартных микронных частиц. Это делает их пригодными для трехмерных измерений в крупных объемах. Время релаксации порядка 11 мкс позволяет таким трассерам надежно следовать даже быстрым потокам с большими градиентами скорости.

Генераторы HFSB способны производить десятки тысяч одинаковых пузырьков в секунду на одно сопло. При работе большого числа сопел суммарная производительность может достигать миллионов пузырьков в секунду. Это обеспечивает достаточную концентрацию засева для PIV, Tomo-PIV и алгоритмов отслеживания частиц, таких как STB — Shake-the-Box.

Метод STB особенно эффективен для временно-разрешенного отслеживания большого числа частиц в трехмерном объеме и построения 4D-полей скорости.

Шлирен-визуализация и метод BOS

BOS — Background Oriented Schlieren, или фоново-ориентированный шлирен-метод, применяется для визуализации газовых потоков на основе локальных изменений показателя преломления. В отличие от лазерных методов, BOS не требует сложной лазерной системы освещения и не нуждается в засеве потока.

Метод основан на съемке случайного точечного фона до и во время эксперимента. Изменения плотности газа вызывают отклонение лучей и видимое смещение фонового изображения. Сравнение и корреляционная обработка изображений позволяют получить информацию о градиентах плотности, интегрированных вдоль линии наблюдения.

BOS особенно удобен для качественной визуализации тепловых потоков, струй, конвективных структур и течений в прозрачных средах. В двумерных и осесимметричных потоках метод может использоваться для количественного определения полей плотности или температуры.

Взаимодействие жидкости и конструкции

FSI — Fluid-Structure Interaction — описывает процессы взаимодействия потока с деформируемой конструкцией. Для исследования FSI необходимо одновременно измерять поле скорости вокруг объекта и деформацию его поверхности.

PIV применяется для анализа структуры течения, а DIC — Digital Image Correlation — для определения трехмерной деформации и деформационных полей поверхности. DIC, как и PIV или BOS, основан на корреляционной обработке изображений. На поверхность объекта наносится случайный точечный рисунок, а по его смещению вычисляется деформация.

Совместные PIV-DIC системы позволяют выполнять синхронную регистрацию и обработку данных на единой программной платформе. Такой подход используется при исследовании биомеханических моделей, аэродинамических профилей, пульсирующих потоков и деформируемых стенок.

Примерами являются исследования пульсирующего кровотока в модели аневризмы брюшной аорты и анализ движения крыльев насекомых с одновременной регистрацией вихревого следа.

Программно-аппаратные особенности систем

Современные системы лазерной визуализации имеют модульную архитектуру и могут адаптироваться к различным типам измерений. Они включают лазеры, камеры, оптические фильтры, синхронизаторы, световые листы, системы засева потока, калибровочные устройства и программное обеспечение для обработки изображений.

Единая программная платформа DaVis обеспечивает управление аппаратурой, синхронизацию камер и лазеров, автоматическое сканирование в пространстве и времени, фазово-синхронизированные измерения, обработку данных и построение количественных карт течения.

Для успешных измерений принципиальное значение имеет правильный выбор трассеров. Для PIV необходимы частицы, точно следующие потоку. Для LIF используются молекулярные или жидкостные флуоресцентные трассеры. Для газовой визуализации применяются вещества с подходящими спектральными свойствами, а для крупных воздушных объемов — яркие трассеры типа HFSB.

Преимущества лазерной визуализации

Лазерные методы позволяют проводить мгновенную, неинвазивную и количественную регистрацию параметров потока. Они обеспечивают высокое пространственное и временное разрешение, поддерживают двумерную, трехмерную и четырехмерную визуализацию, а также позволяют объединять несколько измерительных методов в одной экспериментальной схеме.

Особую ценность представляет возможность многопараметрических измерений, при которых одновременно регистрируются поле скорости и скалярные поля: температура, концентрация, pH, доля смеси или состав среды.

Области применения

Лазерная визуализация применяется в исследованиях ламинарных, турбулентных, реактивных и многофазных потоков. Она используется для анализа тепловых течений, процессов смешения, газовых струй, жидкостных струй, микрофлюидных каналов, топливных элементов, аэродинамических моделей, крупных конвективных потоков, а также для валидации расчетных моделей CFD.

В микрофлюидике эти методы дают возможность исследовать локальные поля скорости и процессы переноса в каналах малых размеров. В крупномасштабной аэродинамике они позволяют визуализировать большие объемы потока. В задачах тепломассопереноса лазерные методы используются для количественной термометрии и анализа концентрационных полей.