ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  ТЕНЕВОГО  ФОНОВОГО  МЕТОДА  В  ЛАБОРАТОРНОМ  ФИЗИЧЕСКОМ  ПРАКТИКУМЕ

Уварова  Ирина  Федоровна

канд.  физ.-мат.  наук,  доцент  кафедры  физики,  ФГАОУ  ВПО  «Национальный  исследовательский  технологический  университет  «МИСиС»,  РФ,  г.  Москва

E-mail:  

BACKGROUND  ORIENTED  SCHLIEREN  IN  PHYSICAL  LABORATORY  WORKSHOP

Uvarova  Irina

candidate  of  Science,  department  of  Physics,  assistant  professor  of  The  National  University  of  Science  and  Technology  MISiS,  Russia,  Moscow

АННОТАЦИЯ

Использование  теневого  фонового  метода  в  лабораторном  физическом  практикуме  позволяет  внедрить  в  учебный  процесс  современные  научные  экспериментальные  методики,  используя  доступное  и  недорогое  оборудование.  Метод  основан  на  сравнении  с  помощью  компьютерной  обработки  цифровых  фотографий  точечного  фона,  сделанных  через  однородную  и  неоднородную  оптически  прозрачную  среду  (газ,  жидкость  или  твердое  тело).  По  смещению  точек  фона  за  счет  рефракции  можно  рассчитать  изменение  показателя  преломления  среды,  распределение  температур  в  среде,  скорость  движения  жидкости  или  газа. 

ABSTRACT

Background  oriented  schlieren  method  used  in  physical  laboratory  workshop  provides  the  educational  process  with  modern  scientific  experimental  techniques,  using  available  and  inexpensive  equipment.  The  method  is  based  on  computerized  comparing  of  digital  photos  dot  background  made  through  homogeneous  and  inhomogeneous  optically  transparent  medium  (gas,  liquid  or  solid).  The  shift  dots  of  the  background  due  to  the  refraction  allows  to  calculate  the  change  in  the  refractive  index  of  the  medium,  the  temperature  distribution  in  the  medium,  the  speed  of  movement  of  liquid  or  gas.

Ключевые  слова:  теневой  фоновый  метод;  физический  лабораторный  практикум;  рефракция;  компьютерная  обработка  изображения.

Keywords:  background  oriented  schlieren;  physical  laboratory  workshop;  refraction;  computer  image  processing.

Создание  инновационного  физического  лабораторного  практикума  для  студентов  технических  вузов  связано  с  большими  затратами  на  дорогостоящее  специализированное  научное  оборудование.  Это  существенно  ограничивает  возможности  подготовки  специалистов,  владеющих  навыками  проведения  современного  научного  эксперимента.  Поэтому  особый  интерес  представляют  те  экспериментальные  методики,  которые  с  одной  стороны  позволяют  выполнять  высокоточные  измерения  и  используются  в  передовых  лабораториях  мира,  а  с  другой,  могут  осуществляться  на  основе  относительно  недорого  оборудования  массового  производства.  Одним  из  них  является  анализ  температурных  полей  с  помощью  теневого  фонового  метода  (background  oriented  schlieren).  Появившийся  в  начале  90-х  годов  прошлого  века  [1],  этот  метод  сейчас  активно  используется  в  научных  исследованиях,  однако  его  возможности  в  учебном  процессе  совершенно  не  оценены. 

В  основе  экспериментальной  методики  лежит  компьютерная  обработка  изображений,  а  уровень  развития  фототехники  позволяет  без  труда  получать  многопиксельные  изображения  высокого  разрешения  на  достаточно  дешевых  аппаратах.  Схема  установки  теневого  фонового  метода  (ТФМ)  представлена  на  рисунке  1. 

Рисунок  1.  Схема  установки  теневого  фонового  метода

Установка  стоит  из  следующих  элементов:  фотокамеры,  источника  света,  экрана  с  точечным  фоном,  который  может  быть  распечатан  на  принтере,  и  исследуемого  объекта  —  прозрачной  среды.  Объект  исследования  устанавливается  между  камерой  и  фоном.  На  рисунке  2  приведены  примеры  точечных  фонов,  используемых  в  данном  методе.

Рисунок  2.  Примеры  точечных  фонов:  а  —  «хаотичный  точечный  шум»,  б  —  «вейвлет-шум»

  Основная  идея  ТФМ  связана  с  использованием  явления  рефракции,  то  есть  зависимости  показателя  преломления  от  плотности  среды.  При  нагреве  среды  основное  изменение  плотности  связано  с  изменением  температуры.  Если  сделать  сначала  снимок  точечного  фона  через  невозмущенную  среду,  а  затем  через  нагретую,  то  в  тех  местах,  где  температура  изменилась,  возникает  отклонение  отраженных  от  точечного  фона  лучей  и  соответствующие  точки  смещаются.  Отклонение  зависит  от  средней  температуры  вдоль  линии  луча.  По  отклонениям  точек  может  быть  построено  двумерное  поле  температуры,  усредненное  по  третьей  координате,  на  основе  решения  уравнения  второго  порядка  для  смещений  [1].  В  качестве  объекта  исследования  можно  использовать  бассейн  с  прозрачной  жидкостью,  стеклянную  пластину,  струю  газа.

Установки  на  основе  ТФМ  позволяют  не  только  продемонстрировать  такие  оптические  явления,  связанные  с  рефракцией,  как  миражи,  отклонения  при  стрельбе  и  ориентировании  за  счет  неверного  определения  положения  объекта,  но  и  процессы  теплообмена.  Так,  например,  при  анализе  испарения  жидкости  можно  подробно  изучить  процессы,  связанные  с  потерями  тела  за  счет  контактного,  скрытого  потоков,  а  также  радиационного  обмена.  На  рисунке  3  представлено  поле  температур,  возникающее  при  испарении  с  поверхности  кюветы.  Распределение  температуры  вычисляется  при  сопоставлении  двух  снимков  фона  —  с  закрытой  крышкой  кюветы  и  через  какое-то  время  после  снятия  крышки. 

Рисунок  3.  Распределение  температуры  воды  по  глубине  при  ее  охлаждении  за  счет  испарения  с  поверхности.  Левая  шкала  —  расстояние  от  дна  бассейна  в  мм,  правая  шкала  —  соответствие  цвета  абсолютной  температуре

Установки  ТФМ  можно  использовать  для  проверки  численных  методов  расчета  распределения  температур.  Наиболее  простые  задачи  связаны  с  расчетом  распределения  температур  в  твердом  теле.  Поскольку  в  этом  случае  достаточно  учесть  только  процессы  теплопроводности,  в  то  время,  как  в  жидкости  и  газе  необходимо  рассматривать  и  конвективные  потоки.  Если  объектом  исследования  является  тонкая  стеклянная  пластина,  нагрев  которой  осуществляется  точечным  источником,  то  уравнение  теплопроводности  будет  иметь  вид:

.

Где  χ  —  коэффициент  температуропроводности  стекла,  а  коэффициент  b  характеризует  теплопотери  в  поперечном  направлении  за  счет  контакта  с  воздухом.  Численное  моделирование  такого  уравнения  является  стандартной  задачей  для  курса  «Численные  методы»,  а  сравнение  с  экспериментальными  данными  делает  процесс  обучения  наглядным  и  позволяет  связать  численные  методы  с  реальным  экспериментом.

Интерес  представляет  и  анализ  гидродинамических  течений  и  турбулентности.  В  этом  случае  в  установке  (Рисунок  1)  можно  заменить  кювету  обычным  феном,  создающим  струю  теплого  воздуха.  Меняя  скорость  потока  и  температуру  нагревательных  элементов,  можно  варьировать  гидродинамические  характеристики.  Интересно  отметить,  что  такую  же  картину  температурных  полей  можно  получить  от  двигателя  самолета  на  мелкомасштабном  фоне,  например,  на  листве.

Таким  образом,  теневой  фоновый  метод  позволяет  сравнительно  просто  создать  целую  серию  оригинальных,  информативных  установок  физического  практикума  с  использованием  самых  современных  методов.

Список   литературы

1.Meier  G.E.A.  Computerized  Background-Oriented-Schlieren//Experiment  in  Fluids.  —  2002.  —  Vol.  33.  —  №  1.  —  P.  181—187.