Невидимые глазу воздушные потоки окружают нас повсюду. Узнать их секреты помогает уникальный оптический метод, придуманный полтора века назад. Этот метод открывает удивительные возможности для исследователей и инженеров.
История создания шлирен-метода
В 1857 году французский физик Леон Фуко открыл, что оптические неоднородности можно использовать для контроля геометрии сферических зеркал. Его метод заключался в том, что проверяемое зеркало освещали точечным источником света. Затем в центр кривизны сферы помещали непрозрачный экран с острой кромкой, затеняющий в формируемом изображении точечный источник. Этот экран в дальнейшем стали называть "ножом Фуко" .
В 1864 году немецкий физик Август Теплер усовершенствовал этот метод для обнаружения оптических неоднородностей в прозрачных средах. Этот усовершенствованный метод и получил название шлирен-метод. По сравнению с другими оптическими методами он отличался высокой чувствительностью. В некоторых случаях шлирен-метод оказывался единственно возможным способом визуализации процессов в разреженных газах.
Физические основы метода
В основе шлирен-метода лежит связь между плотностью воздуха и его коэффициентом преломления. Любое изменение температуры или давления в газе приводит к локальному изменению его плотности. А плотность газа напрямую влияет на величину коэффициента преломления.
Для атмосферного воздуха эта связь описывается простой формулой Гладстона-Дэйла:
n = 1 + 0,00023ρ
Здесь n - коэффициент преломления, ρ - плотность воздуха в г/см3, коэффициент 0,00023 см3/г для видимой части спектра.
Однако на практике могут использоваться и более сложные соотношения, учитывающие состав газовой смеси, химические реакции и другие факторы. Поэтому для реальных задач необходим тщательный расчет коэффициента преломления.
Экспериментальная установка
В классическом варианте шлирен-метод предполагает следующую схему эксперимента:
- Источник света и оптическая система для создания параллельных лучей
- Исследуемый объект (газовый поток)
- В фокальной плоскости размещается "нож Фуко" , частично перекрывающий световой поток
- За ножом располагается экран, на котором строится изображение оптических неоднородностей
Шлирен метод позволяет визуализировать как ламинарные, так и турбулентные течения. Для нестационарных процессов применяют импульсное освещение с регистрацией мгновенных состояний. Полученные данные затем оформляют в виде фильма.
Цовременные программные комплексы типа COMSOL Multiphysics также позволяют моделировать эксперименты по визуализации течений шлирен методом. При этом важно корректно учитывать сжимаемость моделованной среды для адекватного расчета плотности и коэффициента преломления.
Интерпретация результатов
При обработке результатов шлирен-метода важно правильно интерпретировать полученное изображение. Яркость различных участков на снимке определяется градиентом коэффициента преломления вдоль направления проекции.
Ориентация "ножа Фуко" также влияет на вид изображения. Поворот ножа в плоскости xy позволяет выявить различные особенности течения. Иногда вместо ножа используется просто булавочное отверстие в экране.
Анализ оптических возмущений
Для количественной оценки неравномерностей потока применяют специальные уравнения. Они позволяют рассчитать интегралы от градиента коэффициента преломления и сравнить с экспериментальными данными.
При наличии непрозрачных объектов в потоке достаточно интегрировать только по открытым участкам, используя метод проекций в программах типа COMSOL Multiphysics.
Визуализация сверхзвуковых течений
Одно из классических применений шлирен метода - исследования в аэродинамических трубах. Метод позволяет наглядно увидеть картину обтекания моделей сверхзвуковым потоком, включая ударные волны и пограничный слой.
На рисунке ниже показан пример визуализации в COMSOL высокоскоростного обтекания препятствия в аэродинамической трубе. Изображение коррелирует с результатами шлирен-метода.
Тепловые и химические применения
Кроме визуализации газодинамических течений, шлирен метод активно применяют для исследования конвективных, тепловых потоков и химических реакций. Он позволяет увидеть невидимые глазу процессы в печах, реакторах, теплообменниках и другом оборудовании.
Достоинства шлирен-метода
Главным преимуществом шлирен метода является его высокая чувствительность по сравнению с другими экспериментальными методами визуализации потоков. Он позволяет увидеть мельчайшие вариации плотности газа или жидкости, которые не фиксируются большинством оптических техник.
Недостатки метода
В то же время, классическая схема эксперимента по шлирен методу достаточно громоздка и требует создания параллельного пучка лучей. Это ограничивает масштаб исследуемых объектов или накладывает необходимость использования моделей.
Перспективы развития метода
Активно ведутся работы по упрощению экспериментальных схем для шлирен метода. Разрабатываются компактные установки на основе волоконной оптики, лазеров и других технологий. Это откроет новые горизонты для визуализации течений в промышленности и науке.
Шлирен-метод в медицине
В последнее время шлирен метод начал активно применяться и для анализа биологических жидкостей - крови, лимфы, синовиальной жидкости и др. Он позволяет обнаружить нарушения реологических свойств таких сред при различных заболеваниях и патологиях.
Перспективы применения в космосе
Уникальная чувствительность шлирен метода в сочетании с компактными установками открывает возможности его использования в космических исследованиях. Этот метод способен зарегистрировать слабые газовые потоки и атмосферные эффекты на других планетах, недоступные для традиционных инструментов.
