В данной работе представлена структура создаваемой автоматизированной системы, предназначенной для пространственно-временной визуализации течений в аэрофизическом эксперименте. С помощью данной системы будет производиться автоматизированный ввод результатов измерений непосредственно в ЭВМ, их накопление в базе данных, обработка и их графическое представление.
Ключевые слова: аэродинамическая труба, координатное устройство, визуализация течений, автоматизированная система сбора и обработки экспериментальных данных
Введение. В настоящее время, как в России, так и за рубежом широким фронтом ведутся как теоретические, так и экспериментальные исследования по изучению фундаментальной проблемы механики – проблемы понимания сложного механизма перехода к турбулентности течений жидкости и газа. На основе этого понимания можно предложить различные методы управления, как затягиванием, так и ускорением процесса турбулизации течений. Экспериментальные исследования, проводимые в этом направлении, характеризуются использованием, главным образом, термоанемометрических методов измерения средних и пульсационных составляющих скорости течения и различных способов визуализации потока. Здесь коллективом авторов получен ряд приоритетных фундаментальных результатов, опубликованных как в монографиях, так и в ведущих мировых научных журналах [1–5]. Участники проекта имеют также значительный опыт в области создания систем автоматизированного сбора данных и управления ходом проведения эксперимента [6–7]. По окончании выполнения представляемого проекта у исследователей в руках будет новый мощный инструмент для проведения фундаментальных научных исследований и дальнейшего продвижения вперед в области аэродинамики дозвуковых течений. При этом следует отметить, что термоанемометрия дает количественную информацию о состоянии течения, в то время как визуализация отражает, в основном, качественное состояние потока.
В качестве исследуемого объекта использована аэродинамическая труба дозвуковых скоростей Т-324 ИТПМ СО РАН. Благодаря низкому уровню турбулентности, эта установка является единственной уникальной установкой подобного класса в Российской Академии наук. Она представляет собой исследовательский объект со следующими характеристиками:
● размер рабочей части трубы 1,0 × 1,0 × 4,0 м;
● диапазон скоростей потока 2 – 100 м/с;
● степень турбулентности в рабочей части менее 0,04 %.
С использованием современных компьютерных технологий создаваемая автоматизированная система позволит получать количественную информацию о происходящих в возмущенном течении процессах по точкам, а также в виде картин и видеороликов пространственно-временной термоанемометрической визуализации, из которых можно судить о распределении в пространстве и времени как средних, так и пульсационных составляющих каждой из компонент скорости потока (U, V, W). Данная система позволяет получать детальную информацию о динамике развития пристенных, отрывных и свободных сдвиговых течений.
В разрабатываемой системе предполагается организовать автоматизированный ввод результатов пространственно-временных термоанемометрических измерений течения газа непосредственно в ЭВМ в режиме реального времени, их накопление, обработку по заданным программам и графическое представление как в виде картин пространственной визуализации течения, так и в форме пространственно-временных видеороликов, отражающих процесс развития возмущенного течения в динамике. Система обеспечит на современном уровне автоматизацию проведения экспериментальных исследований фундаментального характера, связанных с изучением восприимчивости и устойчивости сдвиговых слоев, механизмов турбулизации течений и турбулентности.
Структурно создаваемая система разделена на три независимые части (три подсистемы):
1. Автоматизированное координатное устройство. Данная подсистема будет включать в себя управляемое компьютером оригинальное координатное устройство, позволяющее по заданной программе прецизионным образом перемещать датчик термоанемометра в трехмерном пространстве рабочей части аэродинамической трубы.
2. Автоматизированная подсистема сбора данных. Эта подсистема будет связана с измерительным прибором – термоанемометром, который будет производить измерения средних и пульсационных составляющих скорости потока, оцифровывать их с помощью АЦП и вводить в реальном масштабе времени в компьютер. Подсистема будет связана с первой через обратную связь: сигнал об окончании единичного измерения через компьютер даст импульс координатному устройству к перемещению датчика термоанемометра в следующую измерительную позицию и т.д. Каждый измеренный термоанемометром сигнал представляет собой осциллограмму, которая будет подвергаться в компьютере операции осреднения по ансамблю для устранения случайного шума.
3. Подсистема визуализации. Данная подсистема будет осуществлять визуализацию полученных результатов. Набор введенных в компьютер осциллограмм будет собираться в специальную матрицу, программная обработка которой в среде MATLAB позволит получить пространственно-временные картины термоанемометрической визуализации течения.
Все подсистемы будут управляться программами, созданными с использованием программного обеспечения Visual C++, LabVIEW и MATLAB. Тарировка датчиков термоанемометра будет проводиться с помощью представляемой автоматизированной системы перед началом эксперимента. Тарировочные данные будут заноситься в память компьютера и в дальнейшем использоваться при обработке результатов измерений.
Таким образом, измерительная подсистема обеспечивает выполнение следующих функций:
– автоматизированная калибровка датчиков термоанемометра;
– синхронизованный ввод экспериментальных данных непосредственно в компьютер с сохранением информации о фазе измеряемого сигнала; сбор и накопление результатов измерений в базе данных, где предполагается хранить результаты проводимых экспериментов.
В создаваемой системе предполагается широкое использование программных средств для осуществления гибкой настройки эксперимента непосредственно с рабочего места экспериментатора. Так, с помощью клавиатуры компьютера предоставляется возможность задавать скорость перемещения датчика термоанемометра, количество шагов перемещения, начальную и конечную координату датчика и т.д. При этом предполагается организация как ручного запуска измерений (например, в режиме отладки), так и автоматического, задаваемого программно.
Заключение. К настоящему времени разработана структура создаваемой автоматизированной системы, отрабатываются алгоритмы ее функционирования. Создано автоматизированное координатное устройство, помощью которого производится перемещение датчика в рабочей части аэродинамической трубы, проводятся работы по его отладке.
Работа выполнялась при финансовой поддержке грантов РФФИ № 13-07-00616 и 12-07-00548.
Библиографическая ссылка
Грек Г.Р., Гилев В.М., Зверков И.Д., Сорокин А.М. СТРУКТУРА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОСТРАНСТВЕННО- ВРЕМЕННОЙ ТЕРМОАНЕМОМЕТРИЧЕСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЙ В АЭРОФИЗИЧЕСКОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ // Международный журнал экспериментального образования. – 2013. – № 11-1. – С. 115-116;URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=4439 (дата обращения: 19.04.2024).