Лаб. 1. Оптических методов диагностики газовых потоков

Лаборатория №1 «Оптических методов диагностики газовых потоков» была организована по инициативе директора ИТПМ Фомина Василия Михайловича (Приказ № 569 от 05.12.95) с целью объединить в один коллектив специалистов по методам оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте.Лаборатория №1 « Оптических методов диагностики газовых потоков» была организована по инициативе директора ИТПМ Фомина Василия Михайловича (Приказ № 569 от 05.12.95) с целью объединить в один коллектив специалистов по методам оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте. В настоящее время в лаб. №1 работают 10 человек, из них научных сотрудников -7: 3 доктора наук, 3 кандидата наук и 1 аспирант.
В настоящее время в лаб. № 1 работают 10 человек, из них научных сотрудников - 7: 3 доктора наук, 3 кандидата наук и 1 аспирант.
 
Бойко Виктор Михайлович
заведующий лабораторией, д.ф.-м.н.

Заведующий лабораторией, д.ф.-м.н. Бойко Виктор Михайлович
тел.: (383) 354-30-40
факс: (383) 330-72-68
e-mail: bvm [at] itam.nsc.ru
 

Направления научных исследований
  • Разработка новых оптических методов регистрации параметров потоков на экспериментальных установках института.
  • Адаптация известных оптических методов диагностики потоков к работе на больших экспериментальных установках института.
  • Получение новых научных результатов, актуальных для развития авиационной и космической техники.
  • Создание и исследование новых пленочных функциональных материалов для панорамной диагностики температуры, поверхностного трения, давления в пристенных течениях.
  • Исследование топологии пристенных течений с использованием тонкопленочных покрытий при до-, сверх- и гиперзвуковых течениях.
  • Создание новых гибридных наноструктурированных жидкокристаллических систем с управляемыми характеристиками для устройств оптики и микроэлектроники.
Результаты научных исследований

Разработана новая модификация метода лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) с прямым спектральным анализом на базе статического многолучевого эталона Физо (ЛДА-Физо). Проведено тестовое испытание и апробация ЛДА-Физо в экспериментах по исследованию до- и сверхзвуковых газовых и двухфазных потоков с высокой концентрацией дисперсной фазы в диапазоне скоростей  20–600 м/с.

Выполнены калибровочные измерения линейной скорости вращающегося диска методом ЛДА-Физо и тахометрическим методом, а также сравнительные одновременные измерения скорости газового потока методом ЛДА-Физо и методом PIV-диагностики

 

  • Разработана технология формирования полимерно-дисперсных жидких кристаллов, содержащих полимер, жидкие кристаллы, углеродные и неорганические нанодобавки.
  • Разработаны термоиндикаторные пленки.

Характеристики пленок: 
– оптимальная толщина пленки, мкм                20–30;
– рабочий температурный диапазон, °С           от –5 до +150;
– пороговая чувствительность, Вт/см2              5´10–4;
– пространственное разрешение, линий/мм    5–7;
– постоянная времени, с                                    0,02–0,3;
– количество циклов использования                более 5000;
– временной ресурс, год                                    более 5;
– пленки нетоксичны

    a                                                                     б

Визуализация течения (a) и карта температур (б)  на поверхности летающего крыла c трехмерной шероховатостью. V∞ = 15 м/с.
Высота элемента шероховатости 0,98 мм, диаметр 1,6 мм.

  • Разработаны полимерно-жидкокристаллические пленки, допированные люминофором, чувствительные к давлению.
  • Разработаны ЖК-составы для диагностики касательных напряжений поверхностного трения.

ЖК-визуализация (вверху) и карта касательного напряжения при обтекании трапециевидного выступа с шероховатостью на передней кромке, установленного в узком канале.V∞ = 87 м/с.

ЖК-визуализация и карта касательного напряжения при обтекании прямоугольного выступа, установленного в узком канале. V∞ = 80 м/с.

  • Разработаны полимерно-жидкокристаллические пленки с управляемым электрическим полем светопропусканием.
  • Разработано программное обеспечение для цифровой обработки изображений панорамного распределения температуры, трения, давления.
Оборудование, установки

Газожидкостный стенд. Комплекс оптического оборудования для диагностики высокоскоростных газовых и двухфазных потоков. 

Газожидкостный стенд с высокой воспроизводимостью режимов и параметров потоков используется для отработки и тестирования методов оптической диагностики.
 
Основное предназначение:
 
·        испытания и отладка методов оптической диагностики нестационарных высокоскоростных высокоградиентных однофазных и двухфазных потоков;
 
·        экспериментальное исследование физических закономерностей аэродинамического диспергирования жидкости в высокоскоростных высокоградиентных потоках;
 
тестирование форсунок, получение качественных и количественных данных о параметрах работы разнообразных форсунок, в том числе с большими (промышленными) расходами жидкости

Система оптической диагностики включает:

·        теневую и шлирен-визуализацию структуры сверхзвуковых газовых и двухфазных струй;

·        высокочувствительный теневой метод с адаптивным визуализирующим транспарантом (ТМ АВТ) для визуализации структуры дозвуковой газовой и двухфазной струи (разработка ИТПМ СО РАН);

·        визуализацию структуры газовой и двухфазной струи методом лазерного ножа;

·        метод PIV-диагностики поля скоростей газовой струи;

·        измерение дисперсного состава факела распыла методом малоуглового рассеяния;

·        измерение локальной скорости газовой и дисперсной фаз лазерным доплеровскиим анемометром с прямым спектральным анализом на базе статического многолучевого эталона Физо (разработка ИТПМ СО РАН).

Ударная труба УТ-4М

Назначение: исследования основных физических закономерностей взаимодействия ударных  волн с жидкими и твердыми частицами, связанных с ускорением, деформацией, дроблением, испарением, воспламенением и горением капель и твердых частиц в релаксационной зоне за фронтом ударной волны.

Параметры ударной трубы:

длина КВД и КНД 0,8 и 5 м; электрически управляемый пневматический клапан;
сечение канала рабочей секции – 52´5nbsp;мм2; рабочий2& газ – воздух, кислород;
начальное давление Р =  0.01 – 0,1 МПа; толкающий газ – воздух, гелий при Р = 0,8 – 10 МПа;
диапазон чисел Маха УВ М = 1,1 – 4,5.

Оптическая диагностика быстропротекающих процессов

Для обеспечения предельного пространственного (~10 мкм) и временного (~10–8 с) разрешения оптической схемы визуализации используется метод импульсной киносъемки, когда длительность экспозиции, число и частота кадров задаются источником света, а для пространственного разделения кадров – оптико-механический фоторегистратор.

Базовым элементом комплекса является стробоскопический источник света на рубиновом лазере с модуляцией добротности (разработка ИТПМ СО РАН).

Параметры стробоскопа:

длина волны  0,694 мкм; число импульсов от 1 до 50; длительность импульса ~ 30–50 нс; межимпульсный интервал  от 10 до 100 мкс через 1 мкс с нестабильностью  ±0,1 мкс; точность синхронизации  ±0,1 мкс; энергия импульса ~0,05 Дж

Регистрация изображений осуществляется высокоскоростной ждущей фоторегистратором ЖФР-1 с вращающимся зеркальным многогранником на высокоразрешающую фотопленку шириной 35 мм, размеры экспонируемой области 24´260 мм2. Из соображений оптимизации пространственно-временного разрешения выбираются размер кадра, число кадров и интервалы между ними с учетом длительности постоянных параметров за фронтом УВ.

  • экспериментальное исследование физических закономерностей аэродинамического диспергирования жидкости в высокоскоростных высокоградиентных потоках;
  • тестирование форсунок, получение качественных и количественных данных о параметрах работы разнообразных форсунок, в том числе с большими (промышленными) расходами жидкости.
Публикации
Монографии 
1. Бойко В.М., Оришич А.М., Павлов А.А., Пикалов В.В. 
Методы оптической диагностики в аэрофизическом эксперименте : монография / Отв. ред. В.М. Фомин. Новосибирск: Изд-во НГУ, 2009. 450 с.  
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С.  Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: Наука,1994. 214 с.
 
Статьи
1. Boiko V.M., Nesterov A.Yu., Poplavski S.V. Liquid atomization in a high-speed coaxial gas jet // Thermophysics and Aeromechanics. 2019. Vol. 26, No. 3. P. 385-398
2. Жаркова Г. М., Фомичев В. П., Подъячева O. Ю. Формирование в магнитном поле полимерно-дисперсных нематических жидких кристаллов, допированных азотсодержащими углеродными нанотрубками // Жидк. крист. и их практич. использ. / Liq. Cryst. and their Appl. 2019. Т.19, № 3. С. 51–58.
3. Жаркова Г.М., Коврижина В.Н., Петров А.П. Панорамные сенсоры касательного напряжения, температуры и давления на основе жидкокристаллических композитов // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2018. Т. 60, № 1. С. 17-26. DOI: 10.7868/S230811471801003X 
4. Zharkova G.M., Petrov A.P., Kovrizhina V.N., Syzrantsev V.V. Enhancing the luminophore emission of chiral polymer-dispersed liquid crystals // J. of Luminescence. 2018. Vol. 194.  P. 480-484.
5. Запрягаев В.И., Киселев Н.П., Пивоваров А.А., Кавун И.Н., Бойко В.М. Влияние шевронов на структуру течения сверхзвуковой неизобарической струи // Вестник ПНИПУ. Аэрокосмическая техника. 2017. № 49. C. 5-17.
6. Boiko V.M., Poplavski S.V., Nesterov A.U., Kondratev S.V., Morozov A.A., Potekhin A.K. Laser Doppler anemometer based on the Fizeau interferometer //  Proc. of the XXV Conf.on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017), Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Inst. of Theor. and Appl. Mech. SB RAS (5–9 June 2017, Novosibirsk, Russia) / Ed. V. Fomin: AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1893. Art. 020015. DOI: 10.1063/1.5007453
7. Zharkova G.V., Kovrizhina V.N., Podyachev S.P. Analysis and interpretation of video registration data from experiments with liquid crystals coatings // Scientific Visualization. 2017. Vol. 9, No. 3. P. 96-102.
8. Подъячева О.Ю., Матус Е. В., Субоч А. Н., Жаркова Г.М.. Оптические свойства полимерно-дисперсных жидкокристаллических композитов, допированных углеродными нанотрубками // Жидк. крист. и их практич. использ. / Liq. Cryst. and their Appl. 2018. Т. 18, № 3. С. 53–58. DOI: 10.18083/LCAppl.2018.3.53
9. Zharkova G.M., Petrov A.P., Kovrizhina V.N., Pen E.F. Optical polymer liquid crystal pressure sensors // Proc. of the XXV Conf. on High-Energy Processes in Condensed Matter (HEPCM 2017), Dedicated to the 60th anniversary of the Khristianovich Institute of Theor. and Appl. Mech. SB RAS (Russia, Novosibirsk, 5–9 Jun., 2017) : AIP Conference Proceedings. S.l.: AIP Publishing. 2017. Vol. 1893, No. 1. P. Art. 030001. DOI: 10.1063/1.5007459
10. Жаркова Г.М., Коврижина В.Н., Петров А.П., МошаровВ.Е., Радченко В.Н., Шаповал Е.С.  О применении жидких кристаллов для визуализации структуры пристенного течения в экспериментальной аэродинамике // Результаты фундаментальных исследований в прикладных задачах авиастроения : Сборник статей / РАН, ЦАГИ. М.: Наука, 2016. С. 113-124
11. Бойко В.М., Запрягаев В.И., Пивоваров А.А., Поплавский С.В. Коррекция данных PIV для восстановления скорости газа в сверхзвуковой недорасширенной струе // Физика горения и взрыва. 2015. Т. 51, № 5. С. 87-97.
12. Бойко В.М., Пивоваров А.А., Поплавский С.В. Измерение скорости газа в высокоградиентном потоке по скорости трассирующих частиц // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 5. С. 47-54.
 
Награды

Бойко В.М., д.ф.-м.н., зав. лабораторией, г.н.с. – премия им. В.А. Коптюга (2009),

Жаркова Г.М.,г.н.с., д.т.н., профессор – премия им. В.А. Коптюга (2009), медаль В.К. Фредерикса за выдающиеся работы по химии жидких кристаллов (2017), знаки «Изобретатель СССР», «Лучший изобретатель Новосибирской области», Медаль за трудовые успехи, Медаль за трудовое отличие, 4 золотые медалей ВДНХ.

14 Европейская конференция по жидким кристаллам (ECLC-2017), 25–30 июня 2017, Москва: Лауреаты медали имени В. К. Фредерикса Жидкокристаллического общества «Содружество» (Жидкие кристаллы и их практическое использование. 2018. Т. 18, № 1. С. 84–94).