визуализация течений

Рис. 1. Визуализация обтекания вертолёта (метод подкрашенных струек).

визуализа́ция тече́ний (от лат. visualis — зрительный) — приём, позволяющий наблюдать течение жидкости или газа непосредственно или с помощью оптического устройства. В. т. используется для установления качественных характеристик, в том числе наличия и формы областей отрыва пограничного слоя, вихрей и скачков уплотнения, спектра потока, состояния потока (ламинарное или турбулентное, стационарное или нестационарное). В аэродинамическом эксперименте для В. т. применяются методы подкрашенных струек, трассирующих частиц, нитей («шелковинок»), капель жидкой плёнки, каолинового покрытия поверхностей, парового экрана (лазерного ножа), а также оптические методы исследования течений. Метод подкрашенных струек основан на введении в поток газа струек дыма (в поток воды — подкрашенной жидкости с плотностью, близкой к плотности воды, (рис. 1) через насадки, установленные перед моделью, или через отверстия в модели. Метод позволяет визуализировать линии тока. Метод трассирующих частиц, заключается во введении в поток газа небольших шариков (в поток воды — пузырьков водорода, образующихся при её электролизе); для В. т. на поверхности воды в бассейне или гидроканале используются алюминиевая пудра, пластмассовые шарики и т. д. Метод позволяет визуализировать области отрыва и вихри. Метод нитей («шелковинок», рис. 2), при котором нити (пучки нитей) прикрепляют к поверхности тела или к сетке, установленной в потоке, позволяет по изменению направления ориентации нитей определить спектр потока, наличие области отрыва пограничного слоя и её границы (при нестационарном течении нити колеблются). Метод капель заключается в нанесении перед опытом на поверхность тела специальной жидкости в виде капель (точек), которые затем размываются потоком. Метод позволяет не только визуализировать предельные линии тока, но и получить представление о распределении напряжения трения по поверхности тела. В методе жидкой плёнки визуализирующая жидкость равномерно наносится перед опытом на поверхность исследуемого тела: при отрывном течении плёнка утолщается у линии отрыва пограничного слоя и утоньшается у линии присоединения потока. Использование флюоресцирующей жидкости улучшает качество В. т. Добавление в жидкость твёрдых примесей (сажи, масла) позволяет визуализировать предельные линии тока. Метод каолинового покрытия основан на изменении скорости испарения жидкости при переходе ламинарного течения в турбулентное, на поверхность модели наносится каолиновое покрытие, которое перед каждым опытом пропитывается жидкостью, изменяющей цвет покрытия. Используется для визуализации области перехода. Для этой же цели может применяться метод термоиндикаторных покрытий (см. Тепловые измерения). В методе парового экрана (лазерного ножа) свет, сформированный в световую плоскость, рассеивается примесями, содержащимися в потоке газа или искусственно вводимыми в него (каплями воды, твёрдыми частицами и др.). Световая плоскость пересекает поток перпендикулярно вектору скорости или в другом выбранном направлении. Вследствие рассеяния света частицами получается изображение потока, которое регистрируется фото- или киноаппаратом. Поскольку концентрация частиц зависит от структуры потока, метод позволяет визуализировать скачки уплотнения, области отрыва и вихри. Эффективен при исследовании пространственных течений, когда оптические методы недостаточно эффективны. Использование лазеров позволяет улучшить качество В. т. и упростить оптическую систему, формирующую световую плоскость. Путём цифрового анализа чёрно-белых изображений и использования условных цветов для линий постоянной плотности почернения удаётся получить контрастные изображения потока.

В. Я. Боровой.

Рис. 2. Визуализация обтекания крыла (метод «шелковинок»).