ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧИСЛЕННОЙ И
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ПОТОКОВ
И. Знаменская
Московский Государственный Университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
znamen@phys.msu.ru
Оглавление
Методы экспериментальной визуализации
Сравнение результатов численной и экспериментальной визуализации
Аннотация
Представлен анализ возможностей, предоставляемых при использовании сравнения экспериментальных изображений потоков, полученных различными оптическими методами, с численной визуализацией газодинамических течений. Показано, что с развитием цифровых технологий в методах регистрации и анализа потоков с одной стороны, и способов представления результатов численного моделирования с другой стороны, стало возможным проводить прямое сравнение результатов. Кратко описаны основные современные физические методы визуализации потоков: оптические методы, базирующиеся на рефракции, рассеянии, поглощении, переизлучении, поляризации излучения; методы поверхностной визуализации; трассирование (включая PIV модификации). приведены примеры сравнения численной визуализации и экспериментальных полей течений, полученных различными методами визуализации: теневых картин, PSP изображений, ТФМ, PIV изображений, визуализации разрядом и др. Отмечается, что точность оптических методов, основанных на рефракции в основном ограничивается точностью, задаваемой оптической схемой и степенью отклонения течения от двухмерности.
В качестве примера использования сравнения численных и экспериментальных картин описан подход, позволяющий проводить анализ течений с импульсным энерговкладом в поток на основе сравнения теневых, ТФМ и расчетных изображений визуализированных ударно-волновых конфигураций. Определялись значения энергии, вкладываемой в импульсный электрический разряд, его зона локализации в потоке, в том числе – сверхзвуковом. Показано, что сравнение цифровых численных и экспериментальных полей течений может служить эффективным инструментом анализа гидродинамических процессов с опорой на результаты экспериментальных и численных исследований сложных течений.
Ключевые слова: оптические методы, PIV, визуализация поверхности, PSP, цифровые изображения, ударные волны, сравнение численных и экспериментальных методов.
Важнейшей тенденцией последнего десятилетия в развитии научных исследований гидродинамических потоков является стремительное сближение визуализации результатов численного моделирования с визуализацией результатов экспериментов. Такое сближение является результатом цифровой революции, т.е. перехода от аналоговых механических и электронных технологий к цифровым технологиям в том числе - в методах регистрации изображений полей течений и представления результатов исследований. Гидродинамики, как науки об изменениях пространственно-временных параметров среды во времени, это коснулось в первую очередь.
Возможности представления результатов в численном моделировании за последнее десятилетие также качественно расширились в связи с развитием вычислительной базы, появлением суперкомпьютеров, параллельных вычислений. Мощности компьютеров позволяют увеличивать число расчетных ячеек при расчетах течений на основе уравнений гидродинамики, с учетом физических свойств среды, исследовать тонкую структуру потоков жидкости, газа, плазмы, многофазных сред.
Стало возможным в связи с внедрением цифровых технологий в методы регистрации и анализа потоков с одной стороны, и способов представления результатов ЧМ с другой стороны, проводить прямое сравнение результатов расчетов и результатов экспериментальной визуализации полей течений. Научная визуализация сформировалась в новую междисциплинарную область науки об изображениях, призванную исследовать явления через их изображения, полученные как экспериментальными, так и численными методами.
Методы экспериментальной визуализации потоков опираются на физические явления, связанные с распространением электромагнитных волн в средах (процессы излучения, рассеяния, поглощения, отражения, рефракции, интерференции, переизлучения (люминисценции) и др [2, 3]. Экспериментальные изображения могут быть получены непосредственно с различных типов цифровых камер, регистрирующих это излучение. Современные камеры с цифровыми матрицами базируются на двух основных технологиях: CCD (charge-coupled device-(ПЗС — прибор с обратной зарядной связью) и CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor, комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник, КМОП). Камеры снимают в видимом, рентгеновском, инфракрасном диапазонах спектра электромагнитных волн. Отдельные модели позволяют регистрировать быстропротекающие процессы с наносекундной экспозицией, в многокадровом режиме с частотой кадров свыше миллиона кадров в секунду, с пространственным разрешением, достаточным для распознавания тонкой структуры течения (более 1000х1000 пикселей). Такие параметры цифровых камер оптического диапазона были достигнуты в последние годы и позволили перекрыть возможности лучших опто-механических камер (класса СФР, ВСК).
Изображения потоков при гидродинамических экспериментальных исследованиях рядом методов регистрируются в виде, уже готовом для сравнения и анализа с расчетом (например, теневые методы). Другие методы предполагают дополнительную компьютерную цифровую обработку с подключением знаний об особенностях течений и физических принципов их регистрации. В частности, группа методов PIV и количественные теневые методы предполагают обработку на основе кросскорреляционных методов.
Следует отметить, что в связи с внедрением цифровых технологий в экспериментальной гидродинамике (как и в других областях их использования) возникла новая серьезная проблема-проблема избытка информации. Просмотр, обработка, анализ, осмысление, использование полученных массивов данных (в частности, фильмов, содержащих зачастую многие гигабайты информации) требует особого умения выделять главное, сосредотачиваться на ограниченных направлениях исследований, выявлять и уничтожать ненужную информацию.
Методы экспериментальной визуализации
Развитие методов экспериментальной визуализации определялось разработкой и распространением новых регистрирующих материалов; источников света, приборов, способами хранения и обработки изображений. Принято считать [1], что научная визуализация появилась в эпоху Возрождения, когда явления механики жидкости и газа фиксировались в изображениях. Развитие лазерной техники привело к появлению принципиально новых методов визуализации и качественному усовершенствованию традиционных методов. С 90-х годов резко возросло число научных изданий, как бумажных, так и компьютерных, содержащих изображения (и анимации) течений различных сред [3-11].
Достаточно условно из обилия методов экспериментальной визуализации потоков можно выделить три направления: оптическая визуализация прозрачных сред; поверхностная визуализация; визуализация трассирующими частицами.
Оптическая визуализация прозрачных сред базируется на физических явлениях, имеющих место при прохождении излучения через среду. К таким явлениям относятся: рефракция, рассеяние, поглощение, переизлучение, поляризация, некоторые эффекты нелинейной оптики.
Наиболее часто используются методы, основанные на рефракции света в оптически неоднородной среде – теневые, шлирен, интерференционные методы, голография [9, 11-13]. Оптический показатель преломления среды n равен отношению скорости света в среде к скорости света в вакууме и связан с локальной плотностью среды формулой Лоренц-Лорентца, которая имеет вид для газов:
,
где k-постоянная величина, для воздуха равная 0,22635 см3/г.
При визуализации поля течения газа теневым методом изменение освещенности пропорционально степени изменения градиента плотности газа. При наличии в потоке сильных градиентов плотности – типа поверхностей разрыва происходят дополнительные отклонения луча на поверхности разрыва. Теневое изображение ударной волны представляет собой темную полосу со стороны набегающего потока, сменяющуюся яркой светлой полосой, интенсивность которой постепенно уменьшается.
Шлирен-метод визуализации (или метод Теплера) – это усложненный теневой метод. Основной принцип действия шлирен-системы состоит в том, что часть света, отклоненного при прохождении через неоднородность плотности газа, задерживается кромкой ножа, установленного в фокальной плоскости пучка, прошедшего через исследуемую область. На экране, вследствие этого, освещенность соответствующих частей изображения уменьшится или увеличится в зависимости от того, куда направлено отклонение. При визуализиции поля течения газа шлирен-методом изменение освещенности пропорционально градиенту плотности газа в исследуемой области в направлении, перпендикулярном кромке ножа, а не степени изменения градиента плотности, как в теневом методе. Шлирен- методом лучше визуализируются вихри, волны разрежения; теневым методом более точно регистрируется положение разрывов.
Интерферометрия используется в основном для количественных исследований плотности прозрачных сред. При интерферометрической регистрации поля течения картина распределения полос интенсивности света отражает пространственное распределение показателя преломления среды. Интерференционная картина представляет собой систему полос, расстояние между максимумами которых при заданной длине волны l определяется углом схождения интерферирующих волн. Введение оптической неоднородности в одно из плеч интерферометра изменяет оптическую длину пути соответствующего пучка по сравнению с невозмущенным и вызывает смещение интерференционных полос.
Голографический метод основан на регистрации изображения, которое образовано волной, прошедшей через исследуемый объект, (предметная волна) и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна).
Основным недостатком оптических методов является то, что все изменения плотности суммируются вдоль направления распространения луча зондирующего излучения и таким образом регистрируется интегральное значение изменения плотности. Поэтому теневые и интерференционные методы применяются для визуализация двумерных, а также некоторых осесимметричных течений.
Развитие цифровых технологий привело к развитию модификаций оптических методов, основанных на рефракции – цветного теневого метода, цифровой голографии [13], теневого фонового метода (ТФМ) [14]. Суть ТФМ заключается в регистрации двух изображений фонового структурированного экрана в разные моменты времени – без оптической неоднородности и в присутствии неоднородности. Отклонение света при прохождении через объект приводит к смещению точек фона. Общим способом представления изображения I является свертка между функцией фонового экрана B и функцией канала передачи T:
I(x1x2)=
B(y1y2)T(x1-y1,
x2-y2) dy1dy2
Для анализа неоднородности показателя преломления в канале передачи полученное сдвоенное изображение подвергается кросс-корреляционной обработке. Для двумерных течений с может быть рассчитано поле плотности, (для течений с небольшими градиентами параметров).
Очевидно, что внедрение цифровых технологий в визуализацию потоков привело к упрощению, повышению скорости получения и обработки визуальной информации. Между тем, точность оптических методов визуализации по-прежнему в основном определяется точностью, задаваемой оптической схемой и степенью отклонения течения от двухмерности (для методов, основанных на рефракции).
Методы поверхностной визуализации могут быть использованы для получения информации об аэродинамических характеристиках модели, тепловых нагрузках. Визуализация поверхностного течения осуществляется следующим образом. На обтекаемую поверхность модели наносится специальная краска, жидкая пленка или другое покрытие, реагирующее на локальные параметры течения. Затем наблюдается или регистрируется картина, созданная распределением давления, температуры, скорости, пристеночными касательными напряжениями на этой поверхности.
В качестве покрытий, используемых для визуализации поверхностного течения, используются: жидкие кристаллы, инфракрасная термография, порошки, чувствительные к давлению (баротропные покрытия), саже-масляные покрытия, некоторые специальные покрытия, используемые в особых случаях.
Методы дают как количественные, так и качественные изображения полей параметров на поверхности модели без внесения возмущений в поток и соответственно ошибок в измерения (бесконтактные методы диагностики). Полученное изображение течения на поверхности через окно в стенке рабочей камеры снимается на камеру во время эксперимента (или после него); изображение исследуемой поверхности передается на компьютер с последующей цифровой обработкой (при необходимости). Существенна проблема восстановления визуализирующих свойств покрытия во время эксперимента; для ее решения применяются специальные методы. На сегодняшний день значительная часть поверхностных методов малоинерционна. Для инерционных покрытий предполагается, что поток стационарен в течение всего эксперимента.
Наиболее перспективным представляется метод бароиндикаторных покрытий (PSP – Pressure Sensitive Paints). Он был изобретен в Центральном Аэро Гидродинамическом институте в конце 70-х годов. Для визуализации распределения давления поверхность модели покрывается несколькими специальными слоями краски; один из слоев содержит флуоресцирующее вещество, с оптической активностью, зависящей от парциального давления кислорода. По мере развития метода и совершенствования покрытий область применения метода постепенно расширяется на дозвуковые течения c малыми перепадами давлений, сверхзвуковые течения (большие перепады температур) нестационарные и кратковременные течения, а также на исследование движущихся объектов [15].
Простой, но весьма эффективный метод визуализации структуры фронта детонационной волны используется в газодинамике горения. Существование пересжатых и недосжатых участков на плоском ударном фронте волны детонации ведет к возникновению неоднородностей. Периодические неоднородности во фронте детонации в виде линий двойного и тройного пересечения участков волн оставляют следы на закопченной стеклянной пластинке, помещенной на стенке трубы. Это явление используется для исследования структуры фронта детонации, масштаба неоднородности фронта.
Движение элементов среды можно визуализировать, вводя в поток меченые, окрашенные частицы, струйки дыма, нити, шелковинки, и. т. д. Такой метод визуализации - метод трассирования - является одним из старейших способов прямой визуализации течения. Л. Прандтль (1875-1953) использовал взвесь из частиц слюды на поверхности воды для анализа обтекания цилиндров, призм и профилей крыла в экспериментальном канале.
При интегральной регистрации следа частицы в газе метод трассирования позволяет наблюдать траектории частиц, линии тока. Необходимо, чтобы трассирующие частицы следовали движению частиц газа, являясь элементом сплошной среды. Современные модификации метода трассирования предполагают использование флуоресцентных материалов, лазерной подсветки, регистрацию движения частиц высокоскоростными цифровыми камерами. Цифровая количественнная модификация трассерной визуализации (PIV - particle image velocimetry) обеспечивает реконструкцию динамики трехмерных течений [16]. Метод PIV позволяет измерять с высокой точностью мгновенные поля скорости жидкости или газа в выбранном сечении потока. Импульсный лазер создает тонкий световой нож и освещает трассеры. Положения частиц в момент двух последовательных вспышек лазера регистрируются на два кадра цифровой камеры. Скорость потока определяется расчетом перемещения, которое совершают частицы за время между вспышками лазера. Строго говоря, скорость макрочастицы в потоке газа или жидкости, отличается от локальной скорости трассируемого течения. Однако современные технологии позволяют минимизировать погрешности измерений. Применение корреляционного анализа для определения смещения частиц и цифровой кросскорреляционной камеры сделало данный метод лидирующим по возможностям измерения полей скоростей в потоках [17, 18]. К ограничениям PIV следует отнести то факт, что трассеры не всегда точно следуют за потоком. Кроме того, диаметр используемых частиц ограничивает размер элементарной области снизу, а использование более мелких частиц сопряжено с влиянием броуновского движения на их смещение. Результаты PIV измерений получаются в виде векторных полей скорости, завихренности потока.
Сравнение результатов численной и экспериментальной визуализации
Специальной задачей является отработка средств визуализации данных, численных и экспериментальных, наиболее адекватных для получения максимальной информации о свойствах исследуемого течения газа.
Основными визуализируемыми элементами в потоках являются: разрывы, вихри, область пограничного слоя, зоны отрыва, волны разрежения, звуковые возмущения, зоны турбулентности (с соответствующими пространственными масштабами), а также изоповерхности (изолинии) параметров потока. Следует отметить, что разделение методов визуализации на качественные и количественные является весьма условным. Для структурированных течений масштабы неоднородностей, размеры и динамика конфигураций, могут быть извлечены из цифровых изображений и составляют количественную информацию о потоках.
В связи с этим сравнение численных и экспериментальных картин визуализации потоков является количественным методом анализа течений практически для всех используемых сегодня методов экспериментальной визуализации потоков. На основе сравнения с данными экспериментальной визуализации потоков проводится верификация моделей и алгоритмов численных расчетов. С другой стороны, результаты эксперимента расшифровываются и уточняются на основе данных численного эксперимента, упрощается решение обратных задач при определения физических полей. В связи с широкими возможностями такого взаимодействия встает проблема оптимизации экспериментальной и численной визуализации результатов исследований. Расчетные поля газодинамических параметров представляются при помощи соответствующих программных продуктов в виде, удобном для прямого сравнения с полями экспериментальными.
Развитие визуализации численных расчетов развитие обуславливалось тремя факторами [19]: развитием вычислительной техники; развитием математического аппарата и методов математического моделирования; развитием сложности решаемых задач в научных исследованиях и инженерных технологиях. Различные современные способы представления результатов численных расчетов и выделения структур, основанные на применении алгоритмов обработки изображений к полю данных, полученных в процессе решения задач математической физики, рассматриваются в работах [19, 20].
На сегодняшний день практически во всех современных программных средствах представления научных данных реализованы возможности представления результатов в виде численных теневых картин.
Результаты, полученные теневыми и интерференционными методами, стали использоваться для прямого сравнения с расчетами в начале 90-х годов [21, 22]. Сегодня большая часть результатов исследований сверхзвуковых 2D процессов представляется в виде численных теневых картин. Наиболее эффективно это происходит в структурированных течениях – с разрывами, выраженными неоднородностями, вихревыми структурами.
Большинство имеющихся в распоряжении экспериментаторов методов визуализации потоков сегодня находят свое отражение при представлении результатов численного моделирования.
Ниже приведены примеры сравнения численной визуализации и экспериментальных полей течений, полученных различными методами визуализации.
На рис. 1 приведено изображение, полученное методом закопченных пластинок в классическом эксперименте Р. Солоухина: выход детонационной волны из канала в узкий зазор между круглыми пластинами. Численное моделирование процесса и визуализация результатов в виде, аналогичном экспериментальному изображению, стали возможными только в последние годы [23].
в)
Рис. 1.
На рис. 2 приведены данные аэродинамического эксперимента ЦАГИ, полученные методом PSP покрытий и соответствующий расчет поля давления на обтекаемой поверхности лопасти винта [15]. Результаты расчета представлены в виде закрашенных областей постоянного давления.
Рис. 2.
На рис. 3 (снизу) приведено изображение сверхзвукового квазидвумерного течения в канале ударной трубы с уступами, визуализированное импульсным объемным разрядом [24, 25].
Рис. 3.
На рис. 3 (верх) приведено изображение соответствующего 2D расчета поля плотности на основе уравнений Эйлера в градациях серого. На основе сравнения изображений можно сделать выводы о связи интенсивности свечения разряда с локальной плотностью газа в потоке с разрывами, о перераспределении тока импульсного объемного разряда.
Опыт показывает, что наиболее эффективно сравнение эксперимента с расчетом при визуализации результатов в виде двумерного изображения.
Рис. 4.
На рис.4 приведены результаты измерения векторного поля скорости в осевом сечении струйного сверхзвукового импульсного течения, возникающем при выходе ударной волны из прямоугольного канала ударной трубы в атмосферу. Результаты соответствующего 2D расчета течения визуализированы в виде векторного поля скорости, аналогичном полю, снятому цифровой PIV системой с обработкой программой Flow Master.
Анализ течений с импульсным энерговкладов на основе сравнения экспериментальных и расчетных изображений ударно-волновых конфигураций
На кафедре
молекулярной физики физического факультета МГУ развивается подход к анализу
течения с энергоподводом на основе решения обратной задачи; свойства импульсных
структурированных разрядов определяются из анализа ударно-волновых
конфигураций, возникающих при инициировании разряда и его взаимодействии с
ударными волнами [27-31]. Метод предполагает численный эксперимент, позволяющий
нахождение неизвестного параметра (конфигурация и значение распределенного
локализованного энерговклада) путем сравнения численных и экспериментальных
изображений течений с известными контролируемыми параметрами. При проведении
вычислительного эксперимента в качестве физической модели среды выбрана модель
идеального однокомпонентного газа с показателем адиабаты g=1.4. Оценки показали, что использование
модели идеального двухатомного газа правомерно. В качестве математической
модели для расчета течения принята система двумерных нестационарных уравнений
Навье-Стокса с соответствующими граничными условиями. Устранение различий в
полученных результатах методом подбора приводит к нахождению решения задачи, в
первую очередь определяется значение энергии, вкладываемой в область
локализации. В экспериментах использовалась установка, представляющая
собой ударную трубу сечением 48х24мм, состоящую из камеры высокого давления,
диафрагменной секции и специальной разрядной секции. Реализуется в воздухе поверхностный
разряд плоской конфигурации (плазменный лист) и импульсный объемный разряд с
предыонизацией ультрафиолетовым излучением от плазменных электродов на участке
потока протяженностью 10 см в разрядной камере. Межэлектродное расстояние
составляет 2.4 см. Численное моделирование проводилось в рамках математической
модели нестационарных 2D уравнений Эйлера с
использованием алгоритма. Вложение энергии DE/V в газ приводит к росту давления на величину 
при сохранении плотности и скорости.
На рис. 5 приведены изображения системы ударных волн, возникающих при инициировании плазменного листа – квазинепрерывной системы плазменных каналов наносекундной длительности [27, 32]. Слева направо – изображение, полученной теневым методом с лазерной подсветкой, расчет, теневой фоновый метод (автометрия). Неточность в определении скачка плотности на фронте ударной волны обусловлена принципиальными ограничениями теневого фонового метода при количественных измерениях в зоне больших градиентов плотности. Сравнение расчета с экспериментом позволило исследовать динамику возникающих разрывов и оценить долю энергии разряда, вкладываемой мгновенно в газ при поверхностном энерговкладе в диапазоне 30-60% в зависимости от экспериментальных условий.
Рис. 5.
На рис. 6 приведено мгновенное изображение, полученное теневым методом с лазерной подсветкой и соответствующее экспериментальным условиям изображение потока. Разрывное нестационарное течение возникло в результате взаимодействия плоской ударной волны в канале с плазменным листом. Основной интерес в данном исследовании представляет условие возникновения неустойчивости Кельвина-Гельмгольца при взаимодействии ударной волны с зоной плоского приповерхностного импульсного энерговклада [29].
Рис. 6.
В экспериментах с импульсным объемным разрядом с предыонизацией ультрафиолетовым излучением от плазменных электродов разряд инициируется в заданный момент движения плоской ударной волны и протекает в два этапа: сначала в течение 60-100нс – на верхней и нижней поверхностях камеры горят плазменные листы - разряды, скользящие по поверхности диэлектрика. Область плазменного листа представляет собой однородную зону приповерхностного импульсного энерговыделения на противоположных стенках прямоугольного канала. Скользящий разряд создаёт ультрафиолетовое излучение высокой интенсивности и ионизирует воздух в рабочей секции, подготавливая, таким образом, рабочий объём газа к созданию однородного импульсного объёмного разряда. Поверхностный разряд сопровождается возникновением ударных волн, распространяющихся в направлении, перпендикулярном направлению потока за падающей ударной волной в канале.
Рис. 7.
На втором этапе происходит замыкание основного разрядного промежутка и энергия в течении промежутка времени 100-150 нс вкладывается в межэлектродную область в канале.
При инициировании разряда в момент прохождения ударной волной разрядного промежутка на границах области объемного энерговложения (между плоской ударной волной и границей разрядного промежутка) в начальный момент происходит распад разрывов с образованием волн разрежения, ударных волн и тангенциальных разрывов. В последующие моменты времени течение характеризуется достаточно сложным процессом движения и взаимодействия этих вторичных разрывов [28, 30]. На рис. 7 приведены изображения ударно-волновых конфигураций, возникших при инициировании объемного разряда при прохождении ударной волной зоны разряда через 5 нс после его инициирования. Наиболее наглядной характеристикой, по которой можно судить, отвечают ли результаты, полученные с помощью численного эксперимента, экспериментальным данным, является расстояние между разрывами. Сравнение расчета с экспериментом позволило оценить долю энергии разряда, вкладываемой мгновенно в газ при условиях эксперимента как 30-40%.
Таким образом, сравнение цифровых численных и экспериментальных полей течений может служить эффективным инструментом анализа гидродинамических процессов с опорой на результаты экспериментальных и численных исследований сложных течений.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ 11-08-00297 и 12-08-01018.
2. Ван Дайк. Альбом течений жидкости и газа. М.Мир. 1986.
3. Знаменская И.А., Гвоздева Л.Г., Знаменский Н.В. Методы визуализации в
механике газа. Московский Авиационный
институт Москва, 2001, 57 с.
4. Аэродинамика летательных аппаратов в фотографиях / Составитель Г.Ф.
Глотов; под ред. Г. И. Майкапара. Жуковский: ЦАГИ,
2003.
5. Альбом сверхзвуковых
течений. С-Петербург Под ред. Ковалева П.И. и Менде Н.П. Изд-во С-П. Политехнического ун-та. 2011.
6. Journal of Flow
Visualization and Image Processing. Begell House. С 1993г.
7. Visualization of
Mechanical Processes. Begell House. С 2011г.
8. Труды н-т конференций “Оптические методы исследования потоков”. Под. ред. Ю.Н. Дубнищева,
Б.С. Ринкевичюса. 1995-2013.
9. G.S. Settls. Schlieren and Shadowgraph
Techniques. Visualizing Phenomena in Transparent Media. Springer.
2006.
10. Герасимов С.И. Файков Ю.И. Холин С.А. Кумулятивные источники света.
Саров, 2002.
11. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. Изд.
Казанского гос.техю ун-та.
2007. 747с.
12. Васильев Л.А. Теневые методы. М. Наука 1968. 400с.
13. Digital Holography. Pascal Picart, Jun-chang
Li. John Wiley & Sons, 358 p. 2013.
14. Скорнякова Н.М. Теневой фоновый метод // В книге: Современные
оптические методы исследования потоков/ под. ред. Б.С. Ринкевичюса. М.: изд-во
Оверлей, 2011.
15. Mosharov
V. Radchenko V. PSP/TSP activity in TsAGI. 15th International Symposium on Flow
Visualization. June 25-28, 2012, Minsk, Belarus 15th 15-009.
16. R. J. Adrian. Twenty
years of particle image velocimetry. Experiments in Fluids,
2005, 39: 159–.69.
17. Д.М. Маркович, М.П. Токарев Алгоритмы реконструкции трехкомпонентного
поля скорости в методе Stereo PIV
// Вычислительные методы и программирование: новые вычислительные технологии,
2008, T. 9, С. 311-326
18. Д.М. Маркович, М.П. Токарев, А.В. Бильский
Адаптивные алгоритмы обработки изображений частиц для метода Particle Image Velocimetry
// в монографии Современные оптические методы исследования потоков. Под ред. Б.С.Ринкевичуса. – М.:
Оверлей. – 2009. – С.180-205.
19. Mathematical Foundations of Scientific
Visualization, Computer Graphics, and Massive Data Exploration, Ed. by Moller
T., Hamann B., Russell R., (2009) pp. 350-190.
20. Бондарев А.Е., Галактионов В.А., Чечеткин В.М. Научная визуализация в задачах вычислительной
механики жидкости и газа. Научная визуализация.
№ 4 1pix 2010 1pixС. 1-26
21. A.
A. Fursenko, D. M. Sharov,
E. V. Timofeev and P. A. Voinovich. Numerical
Simulation of Shock Wave Interactions with Channel Bends and Gas.
Computers and Fluids Vol. 21, No. 3, pp. 377-396
22. Y.
Tamura and K. Fujii, Paper AIAA-90-3031 (1990).
23. Мануйлович И.С. Взрывные и детонационные
процессы в каналах и открытом пространстве. Автореферат диссертации на
соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. МГУ Москва – 2010.
24. Znamenskaya
I.A., Kuli-zade T.A., Kulikov
V.N., Perminov S.P. Transonic 3D Non-stationary Flow
Visualization Using Pulse Transversal Discharge. Journal of Flow Visualization
and Image Processing, Begell House (United States), V
18, № 3, P. 215-224.
25. И.А. Знаменская.
Визуализация сверхзвуковых потоков импульсным объемным разрядом. В книге:
Современные оптические методы исследования потоков/ под.
ред. Б.С. Ринкевичюса. М.:
изд-во Оверлей, 2011 с. 45-57.
26. PIV Study of the
Shock Wave Emanating from Open-ended Shock Tube. Glazyrin
F.N., Mursenkova I.V., Znamenskaya
I.A. Visualization of Mechanical Processes, 2013.
27. Знаменская И.А., Латфуллин
Д.Ф., Луцкий А.Е., Мурсенкова И.В. Энерговклад в пристеночный слой газа при инициировании
наносекундного скользящего поверхностного разряда. Письма в ЖТФ, том 36,
№ 17, с. 35-41.
28. Знаменская И.А., Коротеев Д.А., Луцкий А.Е.
Экспериментальная реализация двумерной задачи о распаде разрыва при импульсной
ионизации потока с ударной волной //ДАН. 2008,
Т. 420, № 5. С.619-622.
29. Ivanov
I.E., Kryukov I.A., Orlov
D.M., Znamenskaya I.A. Investigations of shock wave
interaction with nanosecond surface discharge. Experiments in Fluids, V. 48, №
4, P. 607-613.
30. Znamenskaya
I.A., Koroteev D.A., Lutsky
A.E. Discontinuity breakdown on shock wave interaction with nanosecond
discharge. Physics of Fluids, 2008, V 20, P. 056101-1-056101-6.
31. Е.Ю. Коротеева, И.Э. Иванов, И.А.
Знаменская. Развитие турбулентности за фронтом ударной волны при ее движении по
неоднородной области. Письма в ЖТФ, 2012, том 38, вып.
11.
32. Глазырин Ф.Н., Знаменская И.А., Мурсенкова И.В., Сысоев Н.Н., Цзинь Ц. Исследования ударно-волнового течения в канале теневым и теневым фоновым методами. Автометрия, том 48, № 3, с. 101-110
INTERACTION OF CFD AND EXPERIMENTAL
FLOW
VISUALIZATION
I. Znamenskaya
Lomonosov Moscow State
University, Moscow, Russian Federation
znamen@phys.msu.ru
Annotation
An analysis of the
opportunities offered by the use of comparison of the experimental flow
visualization, CFD visualization. It is shown that due to progress in digital
technologies in flow visualization and image processing on the one hand and
methods for CFD visualization the other hand, it became possible to conduct a
direct comparison of results. Briefly main flow visualization methods are
revised: optical methods based on the refraction, dispersion, absorption,
re-emission, polarization, methods of surface visualization;
tracing (including PIV versions). Examples of comparison of numerical
and experimental flow visualization, produced by different imaging techniques
are shown: shadow, PSP images, BOS, PIV images, visualization by discharge,
etc. It is noted that the accuracy of optical methods, based on refraction is
limited by the accuracy of the optical system and the degree of flow deviation
from the 2D configuration.
As an example of comparison of
numerical and experimental patterns use, an approach is described to analyze
the flows with a pulse energy input based on the matching of shadow, BOS and
CFD images of visualized shock-wave configurations. We determined the value of
energy deposited in a pulsed electric discharge, its localization in the flow
area, including supersonic. It is shown that the comparison of digital
numerical and experimental flow fields can be an effective tool for the
analysis of hydrodynamic processes, based on the results of experimental and
CFD studies of complex flows.
References
1. eFluids. Available at: http://www.efluids.com/
2. An album of fluid motion. Assembled by M. Van Dyke. Stanford, California, 1982.
3. Znamenskaya
I.A., Gvozdeva L.G., Znamensky
N.V. Metody vizualizatsii v
mekhanike gaza
[Flow Visualization Methods in Fluid Mechanics]. Moscow
Aviation University, p. 58, 2001.
4. Aerodinamika
letatelnykh apparatov v fotografiyakh [Aerodynamics of Flying Vehicles in Images]. Ed. by Glotov, Maikapar.
Zhukovsky, TSAGI, 2003.
5. Albom sverkhzvukovykh techeniy [Album
of Supersonic Flows]. Ed. by Kovalel
P and Mende N. S-Petersburg, 2011.
6. Journal of Flow Visualization and
Image Processing. Begell House. From
1993.
7. Visualization of Mechanical
Processes. Begell House. From 2011.
8. Conferences Proceedings “Optical
Methods in Flow Visualization”. Ed. By Dubnischev
Yu. and . Rinkevichus
B. 1995-2013.
9. G.S. Settls.
Schlieren
and Shadowgraph Techniques. Visualizing Phenomena in
Transparent Media. Springer. 2006.
10. Gerasimov,
S Faikov Yu, Holin S.
Kumulyativnye istochniki sveta
[Cumulative Light Sources]. Sarov, 2002.
11. Belozerov A.F. pticheskie metody vizualizatsii gazovykh potokov [Optical Methods
of Gas Flow Visualization]. Kazan University, p.747. 2007.
12. Vasiliev
L.A. Tenevye metody [Shadow
Methods]. М. Nauka,.p. 400,
1968.
13. Digital Holography. Pascal Picart, Jun-chang Li. John Wiley
& Sons, p. 358, 2013.
14. Skorniakova
N.M. Tenevoy fonovyy metod. V knige: Sovremennye opticheskie metody issledovaniya potokov [Background Oriented Sclieren.
in: Modern Optical Methods if Flow Investigation[. Ed
by Rinkevichus B. М., 2011.
15. Mosharov
V. Radchenko V. PSP/TSP activity in TsAGI. 15th International
Symposium on Flow Visualization. June 25-28, 2012, Minsk,
Belarus 15th 15-009.
16. R. J. Adrian. Twenty years of
particle image velocimetry. Experiments in Fluids,
39: 159–.69, 2005.
17. Markovich
D.M. Tokarev M.P., Bilsky
A.V. Adaptive algorithms for PIV image processing. Comput. Technol 12 (3), 109-131
18. Markovich
D.M. Tokarev M.P., Bilsky.
Adaptive algorithms for particle image processing in method Particle Image Velocimetry in: Modern Optical Methods if Flow
Investigation. Ed by Rinkevichus B. М., 2011.
19. Mathematical Foundations of
Scientific Visualization, Computer Graphics, and Massive Data Exploration, Ed.
by Moller T., Hamann B., Russell R., pp. 350-190,
2009.
20. A.E. Bondarev,
V.A. Galaktionov, V.M. Chechetkin.
Scientific Visualization for Computational Fluid Mechanics..
Scientific Visualization, vol. 2. no.
4 2010 pp. 1-26.
21. A. A. Fursenko, D. M. Sharov, E. V. Timofeev and P. A. Voinovich. Numerical
Simulation of Shock Wave Interactions with Channel Bends and Gas. Computers
and Fluids, vol. 21, no. 3, pp. 377-396.
22. Y. Tamura and
K. Fujii, Paper AIAA-90-3031, 1990.
23. Manuilovich I.S. Vzryvnye i detonatsionnye protsessy v kanalakh i otkrytom prostranstve. Avtoreferat
dissertatsii na
soiskanie uchenoy stepeni kandidata fiziko-matematicheskikh nauk
[Blast and Detonation Waves in the channels and open air. PhD
dissertation]. MSU Moscou –
2010.
24. Znamenskaya
I.A., Kuli-zade T.A., Kulikov
V.N., Perminov S.P. Transonic 3D Non-stationary Flow
Visualization Using Pulse Transversal Discharge. Journal of Flow Visualization
and Image Processing, Begell House (United States),
vol. 18, no. 3, pp. 215-224.
25. Znamenskaya
I.A. Vizualizatsiya sverkhzvukovykh
potokov impulsnym obemnym razryadom. V knige: Sovremennye opticheskie metody issledovaniya potokov [Supersonic
Flow Visualization with Pulse Volume Discharge].. in: Modern Optical Methods if Flow Investigation. Ed by Rinkevichus B. М., pp. 45-57,
2011.
26. PIV Study of the Shock Wave
Emanating from Open-ended Shock Tube. Glazyrin F.N., Mursenkova I.V., Znamenskaya I.A.
Visualization of Mechanical Processes, 2013.
27. Znamenskaya
I.A., Latfullin D.F., Lutsky
A.E., Mursenkova I.V. Energovklad
v pristenochnyy sloy gaza pri initsiirovanii
nanosekundnogo skolzyaschego
poverkhnostnogo razryada
[Energy deposition in boundary gas layer during initiation of nanosecond
sliding surface discharge]. Technical Physics Letters,
Maik Nauka/Interperiodica Publishing (Russian Federation), vol. 36,
no. 9, pp. 795-797, 2010.
28. Znamenskaya,
I. A., Koroteev, D. A., Lutskiy,
A. E. Eksperimentalnaya realizatsiya
dvumernoy zadachi o raspade razryva pri impulsnoy ionizatsii
potoka s udarnoy volnoy [Experimental realization of the
two-dimensional problem of plane discontinuity breakdown at pulsed ionization
of a flow with a shock]. Doklady Physics.
vol. 53, issue: 6, pp. 328-331, 2008.
29. Ivanov
I.E., Kryukov I.A., Orlov
D.M., Znamenskaya I.A. Investigations of shock wave
interaction with nanosecond surface discharge. Experiments in Fluids,
vol. 48, no. 4, pp. 607-613.
30. Znamenskaya
I.A., Koroteev D.A., Lutsky
A.E. Discontinuity breakdown on shock wave interaction with nanosecond
discharge. Physics of Fluids, vol. 20, pp.
056101-1-056101-6, 2008.
31. Koroteeva
E.Yu, Ivanov I.E., Znamenskaya I.A. Razvitie turbulentnosti za frontom udarnoy volny pri ee
dvizhenii po neodnorodnoy oblasti [The
development of turbulence behind a shock wave front moving in an inhomogeneous
region]. Technical Physics Letters, Maik Nauka/Interperiodica Publishing,
vol. 38, no. 6, pp. 519-522, 2012.
32. Glazyrin F.N., Znamenskaya I.A., Mursenkova I.V., Sysoev N.N., Jin J. Issledovaniya udarno-volnovogo techeniya v kanale tenevym i tenevym fonovym metodami [Study of shock-wave flows in the channel by schlieren and background oriented schlieren methods]. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, vol. 48, no. 3, pp. 303-310, 2012.