Новые поступления лазерные доплеровские измерительные системы  прецизионный бесконтактный инструмент в руках ученого и инженера (история создания и применений)

Р

В 60-е годы прошлого столетия моя лаборатория в Институте автоматики и электрометрии СО АН СССР в тесном сотрудничестве с коллективами Института гидродинамики СО АН СССР и Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР была занята поисками методов исследования турбулентных движений в жидкостях. По аналогии с воздушными потоками, где турбулентность изучалась методами термоанемометрии с чувствительным элементом в виде тонкой нагретой проволочки, меняющей свое сопротивление под действием набегающего потока, мы пытались применить эту методику к жидкостям. Но проволочка не выдерживала напора жидкости и рвалась с увеличением скорости. Тогда мы изготовили датчик в виде тонкой металлической пленки, напыленной на клиновидную стеклянную подложку. Это был прорыв, такой датчик заработал, но с крупным недостатком – он сильно искажал исследуемый поток. Мы тщетно пытались найти выход из этого тупика, и вдруг наткнулись на статью известных американских спектроскопистов Йе и Камминса, которые показали, что когерентное излучение лазера, рассеянное случайным ансамблем взвешенных в потоке частиц, сохраняет частичную когерентность и несет информацию об их скорости в виде доплеровского смещения частоты исходного излучения.

Все существовавшие (в долазерную эпоху) типы источников света представляли собой устройства, которые радиоинженеры обычно называют генераторами шума, и все тонкие и оригинальные методы оптических измерений имели дело, по существу, с использованием шума. Изобретение лазера сразу же опрокинуло этот барьер. Это позволяет надеяться, что в будущем мы сможем управлять электромагнитными полями, генерируемыми на оптических и более высоких частотах, с той же самой точностью и с тем же разнообразием методов, которые стали обычными в радиотехнике.

1964 г. - Р. Глаубер, лауреат Нобелевской премии по физике 2005 г.

Рис.1 Лазерный доплеровский анемометр ЛАДО-1.

Отметим, что эта сложность окупается такими неоценимыми, с точки зрения специалистов в области гидро- и аэродинамики, возможностями, как полное отсутствие возмущений исследуемого потока. Введение дополнительных зондирующих лучей позволяет получать информацию обо всех трех компонентах вектора скорости при высоком быстродействии. И ко всем этим преимуществам добавляется еще достаточно высокая точность измерений. Так, например, при времени осреднения 10 мс погрешность измерений мо-жет составлять всего 0,1 %.

Наши специалисты методами фурье-оптики проанализировали основные оптические схемы ЛДИС и получили математические модели доплеровского сигнала. На основании этих результатов стало возможным рассчитать и построить оптическую схему ЛДИС, удовлетворяющую всем специфическим требованиям гидроаэродинамического эксперимента. Исследования электрического доплеровского сигнала позволили установить фундаментальное соотношение неопределенности между желаемой точностью измерений и пространственным разрешением: чем выше желаемая точность, тем худшим будет пространственное разрешение. На основании анализа статистических характеристик получаемого сигнала определена потенциальная точность ЛДИС и построены алгоритмы оптимальных оценок скорости по критерию достижения максимума функции правдоподобия.

Уже в 1975г. нами была издана монография, посвященная доплеровской анемометрии. Как выяснилось позже, она стала «первой ласточкой» в этой области не только в СССР, но и в мире, и только через год в свет вышло сразу несколько книг зарубежных авторов по этой тематике.

Наши результаты вызвали интерес как в СССР, так и за рубежом. Государственный оптический институт (Ленинград) предложил сотрудничество в области исследования турбулентности Мирового океана, а известная немецкая фирма «Карл Цейс Йена»   контракт на совместную разработку ЛДИС для научных исследований. В результате в 1980г. на Международной Лейпцигской ярмарке был продемонстрирован универсальный лазерный доплеровский измеритель скорости ЛАДО-1 (рис.1), который произвел сильное впечатление на Западе. Дело в том, что, в отличие от имеющихся на рынке полулабораторных образцов ЛДИС, он представлял собой рабочее место исследователя-гидродинамика со всеми компонентами необходимого сервиса. Вскоре появилась и его следующая двухкомпонентная модификация ЛАДО-2.

а б

Рис.2 Течение Куэтта:
а – вихри Тэйлора, первая колебательная мода,
б – переход к турбулентному течению

Рис.3 Эволюция формы спектральных линий
течения Куэтта с ростом числа Рейнольдса

Выходной сигнал ЛДИС через АЦП и интерфейс был введен в память ЭВМ «Минск-32». Таким образом, открылась возможность осуществить статистические исследования флуктуаций скорости потока между цилиндрами.

В этот период существовали две гипотезы возникновения турбулентности. Первая принадлежала Л.Д.Ландау и заключалась в том, что турбулентность возникает как бесконечная цепочка бифуркаций мод течения с несоизмеримыми частотами колебаний. Хотя при такой ситуации функция корреляции не должна идти к нулю с ростом задержки, тем не менее, возврат к максимуму должен происходить через очень большие задержки по времени. И такая гипотеза казалась вполне правдоподобной. Вторая, более поздняя, связана с явлениями так называемого «странного аттрактора», т. е. такого фазового портрета движения, когда несколько возбужденных мод образуют в фазовом пространстве подобие многомерного случайного тора.

Вначале мы исследовали эволюцию спектральных плотностей флуктуаций скорости в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Оказалось, что с ростом этого числа сначала возникает одна колебательная мода и ее гармоники. Затем возникает новая колебательная мода на не соизмеримой с первой частоте и ее гармоники. Визуализированное течение Куэтта для трех чисел Рейнольдса показано на рис.2. После нескольких таких бифуркаций спектральные линии мод начинают уширяться, образуя сплошной спектр (рис.3). Это был самый важный момент. Теперь нужно было выяснить причины и природу этого уширения. Путем совместного анализа амплитуд мы выяснили, что они антикоррелируют. Иными словами, если энергия одной моды растет, то амплитуды других падают. Эти переходы энергии возникают в тот момент, когда условия существования каждой моды равновероятны и между ними возникает конкуренция. В результате был сделан вывод о том, что турбулентность сначала развивается в соответствии с гипотезой Ландау, но затем (вследствие конкуренции мод) происходит уширение их спектральных линий, и спектр флуктуаций становится сплошным, что характерно для развитой турбулентности. Таким образом, с помощью ЛДИС была решена фундаментальная задача – выявлен механизм зарождения гидродинамической турбулентности. Следует отметить, что американцы не смогли детально исследовать все стадии перехода к турбулентности, поскольку зазор между цилиндрами в их эксперименте оказался слишком узким, и переход к турбулентности осуществлялся «скачком».

Рис.4 Рис. 8. Течение в траншее.