Спосіб візуалізації картини обтікання поверхні газовим потоком

Реферат: UA 82467 U UA 82467 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області експериментальної газової динаміки, а конкретніше до способів візуалізації газових потоків за допомогою візуалізуючих покриттів. Відомий ряд способів візуалізації, заснованих на використанні фарбувальних речовин і масляної плівки [1-2], який дозволяє виявити цілий ряд особливостей обтікання поверхні моделей. При використанні цього способу поверхня досліджуваного об'єкта покривається тонкою і рідкою масляно-сажовою плівкою, піддається дії газового потоку, і потім отримана картина обтікання фіксується. Проте при використанні цього способу частки візуалізуючої речовини (сажі або іншого наповнювача) механічно взаємодіють між собою і з досліджуваною поверхнею. Взаємодія включає декілька режимів, залежних від концентрації пігменту і режимів течії візуалізуючого складу. При високому вмісті часток твердої фази їх переміщення настільки гальмуються, що в динамічній поведінці середовища переважає міжчастковий контакт [3-5]. Все це зменшує діапазон досліджень і достовірність результатів, ускладнює їх інтерпретацію. Відомий спосіб візуалізації [6], по якому поверхня досліджуваного об'єкта покривається тонкою плівкою суспензії кварцового порошку в толуолі (з додаванням фарбників або без них), піддається дії газового потоку, і потім отримана картина обтікання фіксується. Проте і цей спосіб так само містить у візуалізуючій речовині тверді кристалічні включення, які знижують достовірність результатів, ускладнюють інтерпретацію картини обтікання. Найбільш близьким по своїй технічній суті до винаходу (прототипом), що заявляється, є спосіб візуалізації [7], що включає нанесення на поверхню досліджуваного об'єкта візуалізуючої речовини, що містить плівкоутворювач (воду) і спостережуваний під впливом освітлення наповнювач (флюоресцируючу добавку), що розтікається під впливом потоку, поміщення цього об'єкта в потік газу і реєстрацію отриманої картини візуалізації. Загальними ознаками у відомому і заявлюваному технічних рішеннях є: нанесення на поверхню досліджуваного об'єкта візуалізуючої речовини, що містить плівкоутворювач і спостережуваний під впливом освітлення наповнювач, що розтікається під впливом потоку, поміщення цього об'єкта в потік газу і реєстрацію отриманої картини візуалізації. Недоліками прототипу є: нерегульовані оптичні властивості візуалізуючого складу і вузький діапазон застосовності методу. Наприклад, вода може використовуватися в діапазоні температур: 1-100 °C (273-283 К). Крім того, при перемішуванні частин візуалізуючої речовини з різними фарбувальними добавками (люмінофорами, які можуть хімічно взаємодіяти) неможливо встановити точно наявність кожної добавки в точках картини візуалізації. Все це ускладнює проведення експерименту і його інтерпретацію при візуалізації потоків з відривними і поворотними течіями, зменшує інформативність експерименту, підвищує його вартість. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу візуалізації картини обтікання поверхні газовим потоком, що включає нанесення на поверхню досліджуваного об'єкта візуалізуючої речовини, що містить плівкоутворювач і спостережуваний під впливом освітлення наповнювач, що розтікається під впливом потоку, поміщення цього об'єкта в потік газу і реєстрацію отриманої картини візуалізації завдяки використанню як наповнювача часток з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм), наприклад похідних вуглецю - фулеренів (С60), а як плівкоутворювача - бензолів, наприклад толуолу. Поставлена задача вирішується тим, що в способі візуалізації газових потоків, що включає нанесення на поверхню досліджуваного об'єкта візуалізуючої речовини, що містить плівкоутворювач і спостережуваний під впливом освітлення наповнювач, що розтікається під впливом потоку, поміщення цього об'єкта в потік газу і реєстрацію отриманої картини візуалізації, як наповнювач використовують частки з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм), наприклад похідні вуглецю - фулерени (С60), а як плівкоутворювач - бензоли, наприклад толуол. Крім того, поверхню освітлюють випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (531-533 нм). Крім того, як наповнювач використовують порошки діоксиду титану -ТіO2 і впливають на поверхню ультрафіолетовим електромагнітним випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (10380 нм). Такі істотні відмітні ознаки способу візуалізації газових потоків, як «…як наповнювач використовують частинки з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм), наприклад похідні вуглецю - фулерени (С60), а як плівкоутворювач - бензоли, наприклад толуол" є достатніми у всіх випадках, на які поширюється об'єм правового захисту. Останні відмітні ознаки характеризують спосіб в окремих випадках його здійснення. Наявність в способі візуалізації газових потоків, операції «…як наповнювач використовують частинки з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм), наприклад похідні вуглецю - фулерени (С60), а як плівкоутворювач - бензоли, наприклад толуол" дозволяє додати регульовані оптичні 1 UA 82467 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 властивості візуалізуючому складу. Це витікає з того, що існує залежність прозорості розчинів наноматеріалів від характеристик освітлення, наприклад довжини хвилі освітлення [8-10]. У видимій області розчини фулеренів в толуолі будуть прозорими [10], що дозволить спостерігати досліджувані поверхні. Спостерігати результати візуалізації можна буде при освітленні в певному діапазоні довжин хвиль. Використання нанопорошків з високими механічними властивостями [8-10] не супроводитимуться межкристалітним контактом. Що розширить діапазон застосовності методу. Візуалізуюча речовина визначатиметься у вигляді граничних ліній струму на поверхні за певних умов освітлення. Все це підвищить інформативність експерименту при візуалізації потоків з відривними і поворотними течіями. У роботах [8-10] вказується, що наночастки поглинають світло коротших довжин хвиль і проявляють високі фізико-хімічні властивості, не характерні для часток макроскопічних розмірів. Наявність в способі ознаки - "поверхню освітлюють випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (531-533 нм)», - дозволить спостерігати і фіксувати картину візуалізації, лише у момент освітлення, наприклад неодимовим лазером [8-9]. Наявність в способі ознаки - "як наповнювач використовують порошки діоксиду титану - ТіO2 і впливають на поверхню ультрафіолетовим електромагнітним випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (10-380нм)», - дозволить використовувати речовини, традиційно використовувані у візуалізації, розширюючи діапазон використання методу і збільшуючи його інформативність. Суть корисної моделі пояснюється кресленням. На фіг. 1 змальований варіант експериментальної реалізації способу у внутрішньому каналі, на фіг. 2 - схема здобуття картини візуалізації на досліджуваній поверхні, на фіг. 3 змальований варіант експериментальної реалізації способу при зовнішньому обтіканні крилевого профілю. На фіг. 1 схематично змальована аеродинамічна труба, що містить джерело продувального повітря 1, "плоске", наприклад, надзвукове сопло 2, бічні кришки 3 і оглядові стекла 4. Досліджуваною поверхнею може бути поверхня сопла 5 з твердою перешкодою 6 та внутрішня поверхня стекол 7. Реєстратор 8 (фотоапарат, фотопомножувач і ін.) призначений для фіксації картини візуалізації, видимої за допомогою електромагнітного випромінювання 9. Досліджувана поверхня обдувається газовим потоком 10. Спосіб реалізується таким чином, див. фіг. 1-2. На досліджувану поверхню, наприклад, 5 (див. фіг. 2) наносяться порції (фіг. 2) візуалізуючої речовини 11, що містять у вигляді суміші "Ф" плівкоутворювач і наповнювач, і після приміщення цієї поверхні в потік газу 10, що розтікаються під його дією уздовж граничних ліній струму 12 з утворенням лінії відриву пограничного шару 13. Візуалізуюча речовина може бути наступного складу, % (вага): Наповнювач - фулерени (С60) 0,001-10 Плівкоутворювач - толуол 99,999-90 Як наповнювач, можуть бути використані наступні матеріали з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм): похідні вуглецю - фулерени (С60); порошки: металів, наприклад, алюмінію або неорганічних пігментів, наприклад, залізоокисні - марси [8-10], порошки діоксиду титану ТіО2 та ін. Для спостереження результатів візуалізації досліджувану поверхню освітлюють електромагнітним випромінюванням, наприклад розсіяним світлом неодимового лазера з довжиною хвилі 532 нм, ультрафіолетовим з довжиною хвилі в діапазоні (380-10 нм) у напрямі E1 або Е2 (залежно від вибору досліджуваної поверхні: 5 або 7, фіг. 1). Картину візуалізації фіксують за допомогою реєстратора 8 у відбитому світлі Е1 або "на просвіт" Е2. При зовнішньому обтіканні, наприклад, крилового профілю 14 (фіг. 3) спосіб реалізується таким чином. На зовнішню поверхню крилового профілю 14 наносять порції 11 ("Ф") візуалізуючої речовини, що розтікаються під впливом газового потоку 10 уздовж граничних ліній струму 12. Картину візуалізації спостерігають через реєстратор 8 при ультрафіолетовому випромінюванні 9. При такій організації процесу візуалізації експериментатор може спостерігати стан поверхні 14, наприклад, відмітити утворення тріщин 15, що виникають від силових навантажень. "Експериментальні дослідження ефекту нелінійної прозорості фулеренвмісних розчинів і з'єднань [8] відкривають можливості їх використання як основа оптичних затворів - обмежувачі інтенсивності лазерного випромінювання". У роботі [8] показаний ефект зниження прозорості розчинів С60 і С70 в метиленхлориді і толуолі під дією випромінювання. Як джерело випромінювання використовувалися імпульси другої гармоніки неодимового лазера з довжиною хвилі X=532 нм і тривалістю 8 нс. Нелінійні оптичні властивості фулеренів [8] можуть стати основою для створення на базі фулеренів спеціальних нелінійних оптичних елементів для оптичних цифрових процесорів, а 2 UA 82467 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 також для захисту оптичних сенсорних датчиків від інтенсивного опромінення. Все це свідчить про перспективність використання фулеренів як оптичний матеріал. Автор справжньої заявки пропонує використовувати їх для візуалізації. "В даний час нанотехнологія використовується для здобуття діоксиду титану. Наночастки ТіO2 в протилежність макрочасткам не відображають видиме світло, а є прозорими в єднальному. Частки ТіO2 нанотипу невидимі, але є бар'єром для УФ-променів" [10]. Приклад конкретного виконання способу. Схема експерименту і пояснюючі позначення аналогічні, показаним на фіг. 1 і описаним вище в тексті. Безпосередньо перед випробуваннями готувалася візуалізуюча речовина. Ваговий склад речовини може бути наступний % (вага.): Наповнювач - фулерени (С60) 0,001-1 Плівкоутворювач - толуол 99,999-99 Досліджувана поверхня 5 (див. фіг. 1) була поміщена в потік газу з наступними параметрами: Число Маху (у районі перешкоди 6, див. фіг. 1) - 2,0; Температура гальмування - 293 К; Тиск гальмування - 1 МПа. Повітря, що подається, очищене від вологи і масел. Поверхню освітлюють випромінюванням неодимового лазера з довжиною хвилі (532 нм). Результати випробувань візуалізації представлені на фіг. 2. Враховуючи сукупність відмітних ознак і результати експериментальної перевірки, заявник вважає, що спосіб (порівняно з прототипом), що заявляється, підвищує достовірність, інформативність і якість візуалізації при дослідженні обтікання поверхонь. Джерела інформації:. 1. Чжен П. Управление отрывом потока/ П. Чжен: Пер. с англ. - М.: Мир, 1979.-552 с. 2. Васильев Л.Е. Метод масляно-сажевого покрытия с летучим компонентом для визуализации картины обтекания поверхностей моделей в аэродинамических трубах/ Л.Е. Васильев, И.В. Николаева, В.Н. Рябус // Тр. ЦАГИ.-1979. - Вып. 1687. - С. 9-16. 3. Парамонкова Т.В. Крашение пластмасс/ Т.В. Парамонкова. - Л.: Химия, 1980.-320 с. 4. Индейкин Е.А. Пигментирование лакокрасочных материалов/ Е.А. Индейкин, Л.Н. Лейбзон, И.А. Толмачев - Л.: Химия, 1986.-160 с. 5. Орлова О.В. Технология лаков и красок/ О.В. Орлова, Т.Н. Фомичева М., Химия, 1990.384 с. 5 6. А.с. 1639220 СССР, МКИ GO1 М9/00. Способ визуализации обтекания поверхности газовым потоком / А.Д. Чаплиц, - № 4677180/40-23; Заявлено 11.01.89; Опубл. 01.12.90, Открытия и изобретения 1990, № 15. 7. Визуализация водяной пленки на поверхности модели в сверхзвуковом потоке/ A.M. Беспалов, М.И. Горшков, М.Н. Осин, Н.С. Цхай // Ученые записки ЦАГИ, -1980. - т. XI, № 2, С. 118-121. 8. Елецкий А.В. Фуллерены и структуры углерода/ А.В. Елецкий, Б.М. Смирнов // Успехи физических наук, -1995. -Т. 165. - № 9. С. 978-1009. 9. Каманина Н.В. Электрооптические системы на основе жидких кристаллов и фуллеренов перспективные материалы наноэлектроники. Свойства и области применения. Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2008-137 с. 10. Гуревич М.М. Оптические свойства лакокрасочных покрытий / М.М. Гуревич, Э.Ф. Ицко, М.М. Середенко; под общей редакцией Э.Ф. Ицко. - СПб.: Профессия, 2010.-220 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Спосіб візуалізації картини обтікання поверхні газовим потоком, що включає нанесення на поверхню досліджуваного об'єкта візуалізуючої речовини, що містить плівкоутворювач і спостережуваний під впливом електромагнітного випромінювання наповнювач, що розтікається під впливом потоку, поміщення цього об'єкта в потік газу і реєстрацію отриманої картини візуалізації, який відрізняється тим, що як наповнювач використовують частинки з поперечним розміром в діапазоні (1-100 нм), наприклад похідні вуглецю - фулерени (С60), а як плівкоутворювач - бензоли, наприклад толуол. 3 UA 82467 U 5 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що поверхню освітлюють випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (531-533 нм). 3. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що як наповнювач використовують порошки діоксиду титану - ТіO2 і впливають на поверхню ультрафіолетовим електромагнітним випромінюванням в діапазоні довжин хвиль (10-380 нм). 4 UA 82467 U Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5