Концентрированные вихревые структуры                       

Специфика применения PIV в гидродинамической камере

Наиболее предпочтительным казалось использование stereo-PIV метода для получения сразу трёх компонент скорости. Основную сложность в проведении такого эксперимента составляет калибровка камер. Для её проведения было необходимо осуществить откачку воды из контура, разбор вихревой камеры, закрепление внутри вихревой камеры калибровочной мишени, сборка вихревой камеры и заполнение контура, многократное повторение данной процедуры приводит к незначительным сдвигам стенда относительно камеры, которые однако являются причиной огромных погрешностей..  В ходе таких манипуляций допущение малейших сдвигов стенда относительно камер могло оказаться причиной возникновения огромнейших погрешностей. 

Серия stereo-PIV экспериментов показала, что получение полей скорости внутри сопла не представляется возможным в связи с тем, что камеры находятся под углом к плоскости сечения, а стало быть, и стенкам сопла. При углублении сечения внутрь сопла у камер возникают «мертвые зоны».  По мере углубления в сопло «мертвые зоны» увеличивались. В суммарной области «мертвых зон» полностью терялась информация о потоке. Таким образом, информативным оказалось только сечение на срезе сопла. 

Большой градиент скоростей в исследуемых сечениях также являлся причиной появления погрешностей. Различие максимальной и минимальной скоростей на порядок создавало проблемы выбора наиболее выгодных времен экспозиции. Так как для расчета третьей компоненты скорости используется разность векторов, полученных в сечениях одной и второй камер, смещение трассера за время выдержки должно быть в пикселях заметно больше самого трассера. В противном случае, при сопоставимых размерах трассера и его смещения, правильность рассчитанного вектора вызывает сомнения. При увеличении времени задержки между кадрами, напротив, смещение трассеров в зоне максимальных скоростей настолько велико, что трассеры попросту успевают покинуть лазерный нож. Таким образом, при неаккуратном выборе времени экспозиции теряется информация либо в области максимальных скоростей, либо в области минимальных.   

Учитывая сложности, возникшие при проведении stereo-PIV  были проведены 2D-PIV во множестве поперечных сечений вихревой камеры.

На рисунке приведен снимок, полученный PIV камерой, и условно осреднённое поле завихренности (осреднение производилось по двадцати кадрам для нахождения вихревого ядра в одной фазе). Видна локальная зона максимума завихренности.

На следующем рисунке приведено сопоставление расчетного поля мгновенных скоростей в поперечной плоскости с полем мгновенной скорости, полученным техникой PIV. Данные демонстрируют характерные особенности неосесимметричного мгновенного поля течения с вихревым ядром, смещенным относительно геометрического центра. Можно видеть распределение минимумов и максимумов скоростей относительно вихревого ядра: максимальные скорости наблюдаются вблизи стенки сопла, по направлению к которой отклоняется центр вихря, минимальные скорости наблюдаются в противоположном направлении, непосредственно за осью вихря.