Визуализационный метод определения длины ламинарного участка струйного течения
НИИ механики МГУ имени М.В.Ломоносова
Затопленные струи широко используются в технологических устройствах и промышленных процессах. Режим течения струи (ламинарный или турбулентный) определяет характеристики тепло- и массопереноса. В отличие от течений, ограниченных стенками, струи сильно неустойчивы — их критическое число Рейнольдса обычно не превышает Re = 50. Следовательно, положение начала ламинарно-турбулентного перехода (ЛТП) является важным параметром течения, но его нахождение – задача неоднозначная [1].
Как правило, положение ЛТП определяется по началу резкого уменьшения осевой скорости, увеличения уровня пульсаций скорости и расширения спектра. Измерения чаще всего проводят термоанемометром [2], а также используют другие дорогостоящие методы получения мгновенных полей скорости (PIV) или визуализации структуры течения оптическими методами, термографией или TSP. Все эти методы либо требуют высокоточного оборудования, тщательно откалиброванного, либо экспериментально чрезвычайно трудоёмки. В настоящей работе предлагается простой неинвазивный метод определения длины начального ламинарного участка Llam струйного течения, основанный на продольной визуализации течения лазерным ножом, видеозаписи камерой бытового уровня и постобработке с использованием открытых библиотек Python.
Предлагаемая методика верифицируется на экспериментах с затопленной струёй воздуха с удлиненным ламинарным участком [3]. Диаметр струи составляет D = 0.12 м, число Рейнольдса ReD ≈ 5400. Рассматривается как невозмущённая струя, которая сохраняет ламинарность до Llam ≈ 6D, так и струя под воздействием внешних возмущений. Поток засеивался глицериновым аэрозолем и освещался продольно непрерывным зелёным лазерным ножом. Визуализированное течение записывалось камерой смартфона, установленного на штативе параллельно плоскости ножа. Для каждого режима возбуждения струи записывалось видео длительностью около 30 с; затем выполнялось осреднение кадров для получения единой карты яркости b(x,y) (рис. слева). По значениям b(x,y) из диапазона Δy = 1.35D [4] вычислялся локальный индикатор расплывания струи B(x), по аналогии с толщиной потери импульса. По достижении порогового значения Bt(x) фиксировалась длина ламинарного участка (рис. справа). Проведено сравнение Llam, полученных предложенным методом и термоанемометрией для различных случаев возбуждения струи. Показано хорошее соответствие, и, как следствие, применимость нового метода.
