Получение и сравнение расчетных и экспериментальных голографических интерферограмм для описания квази-2D конвективного течения прозрачной газовой смеси
Автор: Сомов С.А., Иванов А.С.
Журнал: Вычислительная механика сплошных сред @journal-icmm
Статья в выпуске: 2 т.18, 2025 года.
Бесплатный доступ
Выполненное численное моделирование представляет собой методологическую и доказательную основу проведенных ранее экспериментов по стационарной термоконцентрационной конвекции в газовых смесях сухого воздуха и паров ундекана или воды. Экспериментальные данные получены двумя способами: термопарный метод применен для измерения данных количественного описания теплового потока, а голографическая интерферометрия - для наглядного изображения движения прозрачной газовой смеси (как альтернатива цифровой трассерной визуализации (PIV)). Конвекция, обусловленная одновременным действием градиентов концентрации пара и температуры, описывается отношением концентрационного и теплового чисел Рэлея для газовой смеси при одинаковой средней температуре. Количественные данные термопарных измерений интерпретируются в предположении об одновихревом квази-2D течении в прямоугольной конвективной ячейке размерами 15х´´15х320 мм. Целью работы является проверка и обоснование течения ожидаемого вида путем сравнения экспериментальных и расчетных интерферограмм (поверхностей показателя преломления света), установленных в результате численного моделирования тепловой конвекции сухого воздуха. Граничные условия и геометрия задачи идентичны условиям эксперимента. Уравнения тепловой конвекции в приближении Буссинеска записываются согласно двухполевому подходу. Система дифференциальных уравнений решается методом сеток посредством программы, написанной авторами на языке Python. Экспериментальные интерферограммы обработаны вручную в графическом редакторе LibreOffice Draw. Сделано прямое сравнение около полусотни пар совпадающих экспериментальных и расчетных интерферограмм отвечающих одинаковым значениям температур нагревателя и холодильника ячейки. Прямое сравнение расчетных и измеренных данных подтвердило прогноз образования одновихревого квази-2D конвективного течения газа.
Свободная конвекция, голографическая интерферометрия, метод сеток, 2d течение
Короткий адрес: https://sciup.org/143184633
IDR: 143184633 | DOI: 10.7242/1999-6691/2025.18.2.16
Construction and comparison of experimental and calculated interferograms for two-dimensional transparent gas flow
The numerical simulation made in this research serves as a methodological and proof basis for the previously performed experiments on steady-state thermoconcentration convection in gas mixtures of dry air and undecane or water vapor. Experimental data were obtained by two methods: a thermocouple method for quantitative description of the heat flux and holographic interferometry for qualitative visualization of the transparent gas motion (as an alternative to the particle image velocimetry). Convection due to the simultaneous action of vapor concentration and temperature gradients is described by the ratio of the concentration Rayleigh number for the gas mixture and the thermal Rayleigh number for dry air at the same temperature. The quantitative data from thermocouple measurements are interpreted under the assumption of a single-vortex quasi-two-dimensional flow in a rectangular convective cell of dimensions 15х15х320 mm. The aim of the work is to verify and validate the flow of this type by comparing the experimental and calculated interferograms (light refractive index surface) obtained from numerical simulations of thermal convection of dry air. The boundary conditions and geometry of the problem correspond to the experimental conditions. The equations of thermal convection in the Boussinesq approximation are written in the formulation of the two-field approach. The system of differential equations is solved numerically using a grid method by means of a program written in the Python programming language. The experimental interferograms were processed manually in a graphic editor. A direct comparison of about fifty pairs of coinciding experimental and calculated interferograms relating to the same values of temperatures of the heater and cooler of the cell was performed. The comparison of the calculated data and measurements confirmed the correctness of prediction of a single-vortex two-dimensional convective gas flow.
