Shliren-Metod_Pnppk

1. Шлирен-метод. Способы повышения разрешающей способности шлирен-систем.

Выполнили:
Котельников Егор Дмитриевич,
Анашкина Елизавета Сергеевна
Ученики 10 Б класса МАОУ «СОШ №9 им. А. С. Пушкина г.
Перми»
Руководитель работы:
Постадини Анастасия Александровна
Инженер-исследователь ПАО «ПНППК»

2.

Актуальность
• Исследование тепловых неоднородностей в
газах — ключевая задача современной
теплофизики.
• Шлирен-метод обеспечивает бесконтактную
визуализацию температурных градиентов с
высоким разрешением.
• Шлирен-метод, основанный на регистрации
градиентов показателя преломления, остается
одним из немногих инструментов, способных
визуализировать тонкую структуру
газодинамических течений в реальном
времени.
Рисунок 1 - Снимок ударной волны сверхзвукового
самолета XB-1, сделанный шлирен-методом

3.

Цели и задачи работы
Цель: экспериментальное исследование возможностей простейшей
однозеркальной шлирен-системы для визуализации конвективных тепловых
потоков, возникающих в бытовых условиях и нахождение путей ее
усовершенствования.
Задачи:
1. Собрать установку с использованием зеркала и светодиода.
2. Провести серию опытов по визуализации потоков от пламени, паяльника и
термофена.
3. Зафиксировать результаты с помощью видеосъемки.
4. Провести анализ результатов опытов.
5. Объяснить наблюдаемые явления с физической точки зрения.
6. Предложить пути модернизации установки.

4.

Теоретическая часть
Связь параметров: Нагрев воздуха снижает его
плотность (тепловое расширение). Согласно
закону Гладстона-Дейла, показатель
преломления прямо пропорционален плотности.
Отклонение лучей: Градиент (возникающий изза градиента температуры) отклоняет световой
луч в сторону большей плотности по принципу
Ферма.
Регистрация: В шлирен-схеме нож преобразует
эти угловые отклонения в изменения яркости на
экране.
Результат: Контраст изображения
пропорционален градиенту показателя
преломления, а значит, и градиенту температур
Рисунок 2 – пример отклонения светового луча
в неоднородной среде. А) оптическая схема Б)

5.

Подробнее про принцип
Ферма и закон ГладстонаДейла
Принцип Ферма: свет распространяется между двумя
точками вдоль пути, на преодоление которого требуется
наименьшее время.
С его помощью доказывается закон Снеллиуса: отношение
синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина
постоянная, равная отношению показателей преломления сред
Закон Гладстона-Дейла – эмпирическое соотношение
связывающее показатель преломления вещества с его
плотностью.
Закон наиболее точен для газов и
прозрачных жидкостей
Рисунок 3 – иллюстрация закона
Снеллиуса
n sin( ) n sin(
Формула 1 – закон
Снеллиуса
n 1
const
Формула 2 – закон ГладстонаДейла

6.

Практическая часть
Установка состоит из:
1. Источника света: маломощный белый
светодиод
2. Фокусирующего элемента: сферическое
зеркало, большого радиуса кривизны
3. Ножа Фуко: лезвие безопасной бритвы
4. Регистрирующего элемента: экран
Важно что бы нож стоял именно в фокальной
плоскости зеркала, чтобы сделать равномерный
серый фон и не закрыть часть преломленных
лучей
Рисунок 4 – схема
установки

7.

Метод анализа эксперимента
Для анализа использовалась цифровая
обработка видео с помощью библиотек
OpenCV и NumPy
Алгоритм работы кода:
1. Разбить видео на кадры
2. Конвертировать кадр в оттенки серого
3. Вырезать область с флуктуациями
4. Удалить низкочастотный фон
5. Вычислить градиент интенсивности по осям и
найти общую величину градиента
6. Вычислить контрастность кадра как
среднеквадратичное значение градиента
7. Накопить значения по кадрам и вычислить
статистику
Видео 1 – видео проведение эксперемента

8.

Метод анализа эксперимента
Номер
Температура Относительная Стандартное Относительная
эксперемента паяльника
контрастность отклонение погрешность
33-5
(С0)
(10-3)
1
100
3,70
0,20
0,053
2
150
3,75
0,23
0,060
3
200
3,86
0,21
0,052
4
250
3,98
0,31
0,079
5
300
4,04
0,21
0,053
6
350
4,20
0,21
0,045
7
400
4,52
0,27
0,060
8
450
4,85
0,345
0,071

9.

Способы модернизации
установки
Основные пути модернизации:
• Снижение сферических
аберраций
• Снижение хроматических
аберраций
• Увеличение количества
проходов луча через
неоднородность
Рисунок 6 – виды оптических аберраций

10.

Результаты эксперимента
• Создана рабочая модель шлирен-системы
• Проведенный эксперимент не дает возможности
по видео-результатам получить многие
количественные характеристики, но дает
возможность качественно оценить зависимости
полученные в теории
• Исходя из этого установка и метод исследования
требуют усовершенствования
• Предложены методы модернизации, которые
значительно повысят точность измерений
полученных величин