Выбор оптических методов исследования

При проведении экспериментального исследования в рамках данной работы использованы два оптических метода – прямой теневой метод и шлирен-метод. Данный подраздел посвящён краткому описанию теоретических принципов работы данных методов и особенностей их применения на практике. Принципы функционирования прямого теневого метода и шлирен-метода подробно описаны в работах [50-52].

Прямой теневой метод основан на изменении затухания света. Затухание света происходит в результате влияния двух механизмов. Первый механизм представлен на Рисунок 4. Свет падает на частицу, достигая её, он отражается и рассеивается во все стороны. Интенсивность падающего света выше интенсивности света, отражённого частицей в направлении экрана. Облако капель (струя) образует оптическую плотную область на пути света, которая становится видимой в виде тени на изображении.

Рисунок 4 - Прямой теневой метод в самой простой форме представления с точечным источником света

Второй механизм – это преломление света вдоль градиентов оптической плотности в газовой фазе (Рисунок 5). Лучи, проходя через оптическую неоднородность, преломляются и отклоняются от их первоначальной траектории на угол преломления ε. Один из таких лучей, к моменту достижения экрана отклонившейся от первоначальной траектории на угол Δa, показанный на рисунке. В результате чего в точке A возникает избыток света, а в точке B недостаток, что позволяет различить оптическую неоднородность на экране.

Рисунок 5 - Затухание света при прохождении через области повышенной оптической плотности

Затухание света при рассеянии описывается законом Бугера-Ламберта-Бера и теорией Ми. Теория Ми описывает величину ослабления света частицей вдоль линии его падения, которая выражается оптической плотностью :

(3)

где - площадь поперечного сечения, области, рассеивающей падающий свет (например, площадь поперечного сечения всех частиц на пути падающего света), м²; – объём жидкой фазы в объёме оптического измерения, -; – диаметр капли, м.

Оптическая плотность зависит от размера частиц и индекса преломления. [ТЗ29]

Закон Бугера-Ламберта-Бера описывает, как оптическая плотность связана с интенсивностью падающего света :

(4)

где – интенсивность падающего света, – интенсивность света прошедшего через область повышенной оптической плотности вдоль линии его падения.

Прямой теневой метод используется для визуализации жидкой фазы струи, так как чувствительность этого метода в газовой фазе очень низка. Шлирен-метод, в свою очередь, был специально разработан для визуализации мельчайших градиентов плотности оптических неоднородностей, и поэтому используется для визуализации паровой фазы струи. Причина, по которой чувствительность шлирен-метода к градиентам оптической плотности значительно выше, чем у прямого теневого метода, более подробно описана ниже.

Шлирен (от нем. Schlieren – оптическая неоднородность) – это короткое название градиентов плотности негомогенной прозрачной среды. Оптические неоднородности имеют место в твёрдых, жидких и газообразных фазах. Они являются результатом изменения плотности в оптической неоднородности в результате изменения температуры, скорости, давления или наличия примесей другого вещества.

Шлирен-метод с точечным источником света показан на Error! Reference source not found.. Обязательными элементами любой установки, использующей Шлирен-метод, являются

Рисунок 6 - Шлирен-метод в самой простой форме представления с точечным источником света

пары сопряжённых оптических плоскостей – «источник света-нож Фуко» и «оптическая неоднородность-экран». Из оптических свойств линз известно, что наличие таких пар сопряжённых оптических плоскостей обеспечивает работу преобразования Фурье. Если представить, что на Error! Reference source not found. отсутствует оптическая неоднородность и нож Фуко, то на экране будет отображаться перевёрнутое изображение экспериментальной области (любого непрозрачного предмета, занесённого в экспериментальную область), то есть установка будет работать как проектор. При добавлении ножа Фуко к установке и продвижении его в вертикальном направлении к точке фокусировки второй линзы в какой-то момент нож просто заблокирует лучи, идущие от источника света, и изображение на экране исчезнет. При добавлении к установке последнего необходимого элемента – оптической неоднородности – за счёт прохождения через неё лучи от источника света будут отклоняться от первоначальной траектории и больше не будут проходить через фокусное расстояние второй линзы. Два отклонившихся луча показаны на рисунке – одни отклонился наверх, а другой – вниз. Первый луч будет высветлять точку А на экране. Точка, куда должен был попасть заблокированный луч, будет тёмной, так как второй луч не достигает экрана. Так как таких заблокированных лучей в реальности множество, то на экране на светлом фоне возникает изображение оптической неоднородности, составленной из тёмных пятен – теней (в тех местах, где лучи не достигают экрана).

Пример, изображённый на Error! Reference source not found., полностью объясняет принцип получения изображений Шлирен-методом, однако на практике никогда не применяется. В реальных экспериментальных исследованиях всегда используется распределённый источник света, то есть источник света, имеющий форму, например прямоугольника, как в экспериментах, представленных в данной работе. Принципиальная схема простой установки, использующей Шлирен-метод и распределённый источник света представлена на Error! Reference source not found.. Так как источник света теперь не является точечным, а имеет конечный размер, каждая точка экспериментальной области (например точки А и В, показанные на рисунке) освещена множеством лучей, часть из которых может блокироваться ножом Фуко, а часть нет. Это позволяет получать изображение в оттенках серого, что является принципиальным отличием от схемы с точечным источником света, где каждая точка экспериментальной области освещена одним лучом, который либо блокируется ножом Фуко, и образуется чёрное пятно, либо луч доходит до экспериментальной области, и образуется высветленная область. Применение распределённого источника света позволяет настраивать яркость и контрастность изображения – по мере перемещения ножа Фуко в вертикальном направлении наверх будет блокироваться больше лучей, и изображение будет становиться темнее и контрастнее.

Рисунок 7 - Шлирен-метод с распределённым источником света

Принципиально важно, чтобы источник света по форме совпадал в ножом-Фуко, так для источника света в форме круга нужно подбирать круглый нож-Фуко, для источника света в форме прямоугольника подойдет обычное лезвие. Если не соблюдать это правило, то результаты визуализации оптической неоднородности нельзя будет считать достоверными. На Рисунок 8 изображено использование круглого источника света и квадратного ножа-Фуко. Из изображения видно, что в область 1 не попадают:

Рисунок 8 – О форме источника света и ножа Фуко

· лучи от источника света, которые не преломились при прохождении оптической неоднородности, и при использовании подходящего ножа-Фуко должны увеличить яркость изображения;

· лучи, которые преломились при прохождении оптической неоднородности, и несут о ней информацию.

В то же время в область 2 могут попасть преломлённые лучи, внося лишнюю информацию в изображение.

В экспериментальных исследованиях, представленных в диссертационной работе, прямой теневой метод использовался для визуализации жидкой фазы струи, а шлирен-метод – паровой фазы.