Оглавление
Введение 5
1 Методы и средства голографической диагностики объемных ансамблей микрочастиц. Требование и комплексу
аппаратуры 16
1.1 Обзор голографических методов и схем регистраппп ансамблей микрочастиц....................................... 17
1.1.1 Методы с последующим увеличением............... 18
1.1.2 Методы с переносом изображения................. 19
1.1.3 Методы измерения скорости микрочастиц........... 21
1.1.4 Сравнительный анализ основных схем голографической регистрации ансамблей микрочастиц .... 22
1.2 Требования к комплексу аппаратуры для диагностики объ-
— емных ансамблей микрочастиц............................ 28
1.2.1 Источники излучения ........................... 29
1.2.2 Оптические системы голографических дисдроме-
тров............................................ 33
1.2.3 Фотоматериалы и фотообработка.................. 35
1.3 Выводы к гл.1 ........................................ 37
2 Адаптация метода голографической регистрация с последующим увеличением к диагностике ЗДП 39
2.1 Основные ограничения параметров схемы при голографировании микрочастиц................................. 41
2.2 Оценка диагностических возможностей двухлучевой схемы при регистрации ЗДП................................... 48
2.3 Улучшение диагностических характеристик регистрационных схем............................................ 62
2.3.1 Схемы с раздельным освещением независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемой голограммы...................................... 63
2.3.2 Двухракурсные схемы с противонаправленным просвечиванием сцены ..................................... 68
2.3.3 Двухракурсные схемы с противонаправленным просвечиванием сцены п раздельным освещением независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемых голограмм......................... 71
2.4 Промежуточные выводы по главе......................... 74
2.5 Измерение скорости частиц ЗДП......................... 78
2.6 Выводы к гл.2......................................... 85
Разработка мето дов регистрация на основе Г СИ для определения пространственных полей кинетических параметров дисперсной фазы ЗДП 87
3.1 Голографический метод определения полей скорости и геометрических параметров дисперсной фазы ЗДП ........... 88
3.2 Применение метода голографической визуализации с апо-
стериорной фильтрацией сигнальной волны для диагностики ЗДП........................................ 97
3.3 Совместная рентгено- и голографическая диагностика дисперсной фазы гетерогенных ЗДП........................ 103
•1
3.3.1 Идентификация материалов частиц дисперсной фазы.
Основные положения ............................. 104
3.3.2 Идентификация материалов частиц дисперсной фазы
в условиях нерезкостп рентгенограммы.............114
3.3.3 Совместная рентгено- и голографическая регистра-
ция гетерогенных ЗДП. Оценка эффективности идентификации материалов дисперсной фазы.............135
3.3.4 Заключение...................................... 145
3.4 Выводы к гл.З......................................... 147
4 Голографические исследования запреградных двухфазных потоков при высокоскоростном ударном сквозном
пробитии металлических преград 149
4.1 Исследование структуры ЗДП при разрушении тонких металлических преград с использованием однозкепозипп-онных голограмм Фраунгофера................................ 150
4.1.1 Экспериментальная установка п методика измерений 151
4.1.2 Результаты исследований п их обсуждение .... 154
4.2 Исследования пространственной структуры ЗДП при высокоскоростном ударном разрушении тонких стальных преград методом многоракурсной двухэкспозпционной регистрации совмещенных ГСП с кодированием одномоментных подголограмм........................................... 159
4.2.1 Регистрационная установка и методика проведения экспериментов..................................... 159
4.2.2 Результаты исследований и их обсуждение .... 164
4.3 Выводы к гл.4.......................................... 178
Выводы и заключение 179
Литература
183
Введение
Диссертация посвящена исследованию существующих и разработке новых голографических методов диагностики дисперсных фаз запре-градных двухфазных потоков, сопровождающих высокоскоростное ударное разрушение твердых тел.
Актуальность темы и состояние вопроса
Ситуации, в которых происходят соударения, т.о. столкновение двух или более твердых тел, изучаются целым рядом классических дисциплин. включая механику деформируемого твердого тела (МДТТ). В последнее время по мере усложнения техники к поведению материалов под воздействием интенсивного импульсного нагружения предъявляются все более жесткие требования. Глубокое понимание поведения материалов в этих условиях необходимо для решения целого ряда задач. примерами которого могут служить:
1) безопасность оболочек различного рода реакторов, включая ядер-ные. в случае попадания в них предметов извне (самолетов, крупных метеоритов, обломков конструкций несомых ураганом и перемещаемых взрывом и т.д.).
2) безопасность транспортных средств при столкновениях в аварийных ситуациях,
3) устойчивость защитных экранов космических аппаратов к попаданию в них метеоритов и частиц космического происхождения,
4) эрозия и разрушение твердых тел под действием многократных ударов жидких и твердых частиц,
•5) обработка и сварка металлов взрывом и т.п.
Достаточно частым, а в ряде случаев непременным компонентом явлении высокоскоростных соударений, сопровождающихся разрушением агентов взаимодействия и сквозным пробитием одного из них (преграды), является выброс в запреградное воздушное пространство продуктов разрушения, т.е. образование запреградного двухфазного потока (ЗДП) типа Таз-твердо-и/или жидкофазные частицы
Образование ЗДП находится в поле зрения МДТТ как проявление общей картины ударного взаимодействия, и потому позволяющие в определенной мере судить о механизме явленпя. так и как источник вторичных взаимодействий с другими телами (слоями конструкции, в частности).
Традиционно для моделирования процессов соударения в экспериментальной МДТТ используется техника высокоскоростного удара (баллистические копры, баллистические газовые и пороховые разгонные установки), обеспечивающие импульсное нагружение преграды высокоскоростным ударником [1.2]. Отличительной особенностью ЗДП, моделируемых техникой высокоскоростного удара, является “взрывопо-добие'\ выражающееся в наличии кратковременной (~ 10-6 - 10~'4 с) начальной стадии зарождения в ограниченной области пространства с последующим его расширением (часто в ограниченном по углу секторе запреградного пространства) с наблюдающимися неоднородностью поля скоростей и размеров и многообразием форм частиц. Размеры и скорости частиц, находящиеся в поле изучения МДТТ, составляют п-10“° -гп-10“1 м и 0-т-п-10'* м/с. Задача определения пространственных полей параметров дисперсной фазы ЗДП представляет значительную сложность и не имеет удовлетворительного решения в рамках традиционно применяемых в экспериментах МДТТ методов. Последние
условно могут быть подразделены па три группы:
а) методы контактной фиксации траектории [1,3] или времени пересечения заданного сечения запреградного пространства (путем размыкания/замыкания электрических цепей, прерывания лучей света);
б) импульсной рентгенографии [1,3-5];
в) импульсной фотографии [1/2,3], включая высокоскоростную кинорегистрацию.
Контактные методы, даже при прснебреженпп влиянием на исследуемый поток, обеспечивают изучение ограниченного числа параметров частиц. Так например, фиксация траектории частиц легко пробиваемыми экранами или экранами-уловителями используется для получения пространственного распределения частиц по углам разлета (с определением формы одной из проекций частицы) или оценки (по конечному результату взаимодействия с уловителем) векторного поля скорости частиц и размеров (при условии неразрушаемостп частиц при их улавливании). В последнем случае результат взанмодействия существенно зависит от формы и ориентации частицы и потому метод не может претендовать на удовлетворительную точность измерения скоростей. Кроме того принципиально неустранимы погрешности, обусловленные суммированием эффектов воздействия на экраны при их последовательном и групповом поражении несколькими частицами.
Методы, основанные на контактной фиксации моментов пересечения заданных сечений запреградного пространства, применимы лишь для измерения скорости лидирующей группы частиц, поскольку именно для этой группы реализуется наибольшая вероятность запуска одними и теми же частицами датчиков, размещенных в разных сечениях траектории. Аналогичным недостатком обладают и бесконтактный метод измерения скоростей, базирующийся на фиксации моментов прохода заданного сечения путем перемыкания световых лучей.
Более информативным при исследовании ЗДП является сочетание методов улавливания частиц и двукратного импульсного рентгенографп-ровапия в нескольких, как правило, в двух взаино-ортогональных направлениях. применяемое для определения пространственного распределения крупной (> 10-'5 м фракции дисперсной фазы по скоростям, углам разлета и размерам и массам (при условии неповреждения частиц уловителями). Двукратное ренгенографироваыие, как правило, выполняется на одну кассету, что приводит к потере информации и/или трудностям установления взаимно-однозначного соответствия между частицей и парой ее рентгенографических изображении с соответствующей погрешностью определения поля скоростей и углов разлета. При определении координат, как правило, не используется фотометрырования рентгенограмм, что закрывает возможности идентификации материалов частиц, потенциально заложенные в рентгенографии и реализуемые, например, в рентгеновской томографии. Диагностике мелкодисперсной фракции частиц ЗДП препятствует недостаточная разрешающая способность, обуславливаемая в основном геометрической и отчасти экранной составляющими ыерезкостп рентгенограмм.
Лучшего разрешения ДФ ЗДП удается достигать методами импульсной фотографии (исключая применение стандартных высокоскоростных кинокамер и устройств, реализующих схему Дворжака) но в пределах малых по глубине регистрационных сцен, что ограничивает их применение для диагностики ЗДП.
В связи с достижением экспериментальными исследования ЗДП ограничений своих недостаточно информативных традиционных методов регистрации представляется целесообразным обновление арсенала диагностических возможностей за счет применения голографии, продемонстрировавшей свою высокую информативность в целом ряде приложений, обеспечивших возможность определения пространственных полей параметров разнообразных грубо дисперсных сред.
9
Цель работы
Из вышеизложенного вполне естественно вытекает цель диссертационной работы: адаптация существующих, а также разработка новых голографических методов и средств диагностики дисперсных фаз ЗДП, сопровождающих высокоскоростное ударное разрушение твердых тел, обеспечивающих одновременное (за один опыт) определение пространственных распределений частиц и кинетических параметров ДФ. .
Научная новизна и практическая ценность
1. Выполнен анализ применимости метода на основе регистрации голограмм Фраунгофера с последующим увеличением для диагностики ЗДП. Для описания диагностических возможностей дисдрометров с регистрационной сценой сферической формы введен обобщенный диагностический параметр Г. пропорциональный предельному разрешению сферических частиц, выраженному в длинах волн регистрирующего излучения, и отношению ширины области однородности фотоматериала к размеру рабочего поля.
2. Применительно к традиционным двухлучевым схемам записи голограмм Фраунгофера установлено, что основным фактором, лимитирующим пространственное разрешение частиц ЗДП. является ширина области однородности фотоматериала. В частности, выявлена их неэффективность для диагностики мелкодисперсной (менее 100 мкм) фракции ЗДП. Показано, что реализация значении параметра С/, близких к его нижнему пределу в схемах с нормальным падением (на голограмму) объектных волн сопряжено со съемкой при больших углах голографирования и, следовательно, со значительным падением ДЭ голограмм, восстанавливаемых в условиях несовпадения длин волн записи и реконструкции.
10
3. Изучена возможность повышения диагностических возможностей
V •
вышеуказанного голографического метода применительно к исследованию ЗДП. Предложены приемы снижения значения параметра С/, заключающиеся в применении двухракурсного противонаправленного голографирования и раздельном освещении независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемой голограммы. Показано, что использование этих приемов для построения схем дисдрометров, а также их совмещение не сопровождается увеличением углов голографирования, а следовательно и снижением ДЭ голограмм, восстанавливаемых волнами с длиной, отличной от длины волны записи. Предложены варианты схем дисдрометра, удовлетворяющих условиям диагностики мелкодисперсной фракции частиц ЗДП при применении реальных голо-графических фотоматериалов.
4. Исследованы условия применимости одноэкспозиционной голографической регистрации для измерения поля скоростей дисперсной фазы ЗДП. Показано, что относительная погрешность определения скорости поддается верхней оценке, которая может быть улучшена на основе информации о механизме разрушения преграды.
5. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе одноэкспозшшонной регистрации голограмм Фраунгофера, подтвердившие пригодность метода для диагностики дисперсной фазы ЗДП в пределах ограниченных (до 100 мм) регистрационных сцен. При этом зарегистрированы принципиально новые явления, сопровождающие высокоскоростное ударное сквозное пробития металлических преград. В частности, впервые установлен факт противонаправленного (относительно вектора удара) движения частиц ЗДП, инициированного одиночным компактным ударником, даны возможные объяснения зарегистрированного явления.
11
6. Разработан метод диагностики ЗДП на основе их двухэкспозиционной двухракурсной регистрации совмещенными ГСП с кодированием одномоментных подголограмм по углу падения опорных волн. Метод позволяет определять координаты, векторы скоростей частиц и приближать их размеры, форму и объемы с использованием двухракурсных стереомоделей и таким образом, обеспечивает возможность верхней оценки их кинетических параметров. Геометрические параметры частиц определяются обмером их голографических изображений в двух взаимно-ортогональных плоскостях наблюдения, что допускает применение объективных критериев визуального контроля точности наводки измерительного прибора.
7. Разработана и успешно опробована реализующая метод регистрационная установка, включающая двухракурсный голографический дис-дрометр с рабочим полем диаметром 252 мм. с осветительными п приемными коллиматорами с центрированными сферическими зеркалами (Г = 700 мм) в качестве основных объективов, осуществляющая в каждом из двух ракурсных каналов двукратную регистрацию совмещенных ГСП (Д = 0.1) с кодированием одномоментных подголограмм по углам падения опорных волн, и обеспечивший пространственное разрешение не хуже 40 мкм на оси.
8. Экспериментально установлено существование ограничений контраста голографических изображений сверзвуковой фракции ДФ ЗДП фоном как теневой, так и прямотеневой картины ударно-волнового возмущения сплошной фазы, возрастающих с ростом в поле зрения локальных счетной концентрации п скоростей частиц.
9. Разработана и опробована методика визуализации ЗДП с апостериорной фильтрацией восстановленных объектных волн, обеспечивающая улучшение разрешения мелкодисперсной (до 40 мкм на оси) фракции дозвуковых частиц и отличающаяся использованием вспомогательной кодированной сдвигом подголограммы для постановки/фор-
12
мпрования фильтрующей маски и юстировки схемы восстановления.
10. Впервые выполнено теоретическое обоснование, оценка эффективности метода диагностики ДФ гетерогенных ДЗП, основанного на совместном импульсном рентгенографированди и многоракурсной двукратной голографической регистрации потока и использовании данных регистрации для получения пространственных полей геометрических параметров частиц, идентификации материалов (фаз) последних, и определения парциальных пространственных распределений массы и кинетических параметров ЛФ.
11. Выполнены экспериментальные исследования явления высокоскоростного ударного сквозного пробития металлических преград на основе двухракурсной регистрации ГСП в режиме кадрированной съемки Тем самым показана пригодность разработанного метода для одновременного (по данным одного опыта) определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров дисперсной фазы ЗДП в пределах регистрационной сиены размером до 252 мм при разрешении частиц не хуже 40 мкм для дозвуковой фракции на оси. Для более скоростных частиц разрешение ограничивалось известными скоростными ограничениями записи голограммы и локальными снижениями их контраста вследствие дифракционных искажений, вносимых ударноволновыми возмущениями сплошной фазы.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Приемы улучшения разрешения метода диагностики дисперсной фазы на основе регистрации голограмм Фраунгофера с последующим увеличением, не приводящие к увеличению угла голографирования и снижению дифракционной эффективности голограмм в условиях неравенства длин волн записи и восстановления, заключающиеся
а) в двухракурсной противонаправленной регистрации голограмм,
13
б) в раздельном освещении независимыми опорными волнами каждой из двух половин регистрируемой голограммы,
в) в совмещении вышеперечисленных приемов.
2. Метод и средства регистрации для определения на основе одного опыта пространственного распределения ДФ ЗДП с одновременным определением векторов скорости и геометрических параметров частиц. включая размеры и формы их двухракурсных стереомоделей, на основе их двухэкспозиционной двухракурсной регистрации совмещенными ГСИ с кодированием одномоментных подголограмм по углу падения опорных волн.
3. Возможность визуального контроля погрешности оптического сопряжения с восстановленным голографическим изображением микрочастицы неизвестной формы на основе объективных критериев, реализуемая при последовательном наблюдении двух ее изображений, восстановленных с голограмм, зарегистрированных в пересекающихся направлениях.
4. Возможность идентификации матершыов частиц гетерогенной дисперсной фазы на основе интервальной оценки пх удельного ретге-новского ослабления, реализуемая на основе одновременной ренгеногра-фической и многоракурсной голографической регистрации, проводимой во взаимно-пересекающихся направлениях, а также возможность верхней оценки их кинетических параметров при условии реализации двукратного режима многоракурсной регистрации голограмм.
Распределение материала по главам
В первой главе выполнен обзор литературных источников по методам голографической визуализации ансамблей микрочастиц, включая двухфазные потоки, и определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров их дисперсной фазы, а также об-
14
зор их практических приложении и аппаратурного обеспечения.
Во второй главе применительно к задачам исследования ЗДП на основе единого описания параметров выполнена теоретическая оценка диагностических возможностей четырех основных разновидностей двухлучевой схемы регистрации голограмм Фраунгофера и предложенных приемов их совершенствования. Исследованы границы применимости одноэкспозиционной импульсной регистрации для определения поля вектора скорости.
В третьей главе приведено описание разработанного метода регистрации ЗДП на основе голограмм сфокусированного изображения (ГСП) и адаптированной к нему методики апостериорной фильтрации объектной волны, а также выполнена теоретическая оценка возможности повышения диагностической (применительно к исследованию гетерогенных ЗДП) эффективности разработанного метода - в частности, и голографической регистрации - в целом, за счет совмещения с импульсной рентгенографией.
В четвертой главе описано применение рассмотренных в гл.2 и 3 методов голографической регистрации для исследования запреградных двухфазных потоков (ЗДП). сопровождающих сквозное пробитие металлических преград высокоскоростным ударом.
Благодарности
Автор выражает глубокую благодарность научному консультанту, ведущему научному сотруднику ГИПС Черных В.Т. за полезное сотрудничество в проведении совместных экспериментальных работ и помощь в аппаратурном оснащении экспериментов, профессору, зам. директора ИФПМ Зуеву Л.Б. за постоянную поддержку и интерес к работе автора.
Автор признателен коллегам, сотрудникам НИИПММ при ТГУ Заха-
15
рову В.Т., Зайцеву В.Г.. Поляковой Е.С. и другим за полезное сотрудничество в проведении совместных экспериментальных работ.
Глава 1
Методы и средства голографической диагностики объемных ансамблей микрочастиц. Требование и комплексу аппаратуры
В данной главе выполнен обзор литературных источников по методам голографической визуализации ансамблей микрочастиц, включая двухфазные потоки, и определения пространственных полей геометрических и кинематических параметров их дисперсной фазы, а также обзор пх практических приложении и аппаратурного обеспечения. Обзор сопровождается комментариями и элементами анализа, приведенными с учетом целей диссертации и опыта ее выполнения и которые для сокращения объема изложения содержат ссылки на обозначения и формулы, содержащиеся в основных главах. Обзор завершается перечислением основных положений и результатов рассмотренных источников, перспективных для решения задач диссертации, и указанием проблем их приложения, обусловленных спецификой диагностики ЗДИ.
16
17
1.1 Обзор голографических методов и схем регистрации ансамблей микрочастиц
Измерение пространственных параметров дисперсной фазы (ДФ) многокомпонентных систем было одним из первых практических применений голографии, в которых использовались ее основные достоинства, а именно, трехмерность изображения и возможность его апостериорной обработки.
В первые годы развития голографии была обнаружена возможность преобразования масштаба голографического изображения без применения для этого оптических систем, например, за счет изменения длины волны восстанавливающего источника и изменения размеров голограммы Преобразования масштаба можно достичь, применяя различающиеся по радиусам ’кривизны" опорную и восстанавливающую сферические волны [6-8]. Однако из-за ряда практических трудностей эти методы не нашли широкого применения и голографическая диагностика ЛФ раз-вивалась на основе совмещения голографии и микроскопии. Методы голографической регистрации ансамблей микрочастиц с применением оптических систем можно разделить на три группы, а именно:
1) методы с предварительным увеличением (обзор которых мы опустим в связи несопоставимо малыми для диагностики ЗЛП размерами реализуемых ими регистрационных сиен, ограничившись лишь приведением ссылок [9-17]. используемых в других разделах);
2)методы с последующим увеличением;
3)методы с переносом изображения (включая случай предварительного преобразования масштаба, как с увеличением Д > 1, так и с уменьшением () < 1).
- Киев+380960830922