ПРЕДИСЛОВИЕ Потоки жидкости, газа и плазмы являются

ПРЕДИСЛОВИЕ
Потоки жидкости, газа и плазмы являются широко распространенными видами течений, наблюдаемыми как в натурных условиях (потоки воздуха в атмосфере, течения в морях и океанах), так и в многочисленных технических устройствах (двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели, различные
сопла для создания свободных газовых и жидкостных струй и т.д.).
Существенную роль для изучения биологических аспектов жизнедеятельности человека играет исследование потоков в биологических
структурах: течение крови в сосудах, потоков воздуха в дыхательных
каналах и т.д. Все эти потоки характеризуются трехмерностью и нестационарностью, что существенно затрудняет их изучение, необходимое как для понимания сути явления, так и для создания многочисленных технических устройств.
Для изучения потоков используется как непосредственное наблюдение, так и различные оптические приборы, позволяющие увидеть
то, что недоступно глазу, т.е. визуализация. Примером тому является
визуализация ударных волн при сверхзвуковых течениях воздуха с
помощью теневого прибора, без которого была бы невозможна современная сверхзвуковая авиация и ракетная техника. Для визуализации многих других потоков использовались также скоростное фотографирование, интерференционные и рефракционные методы.
Однако только после создания лазеров произошел революционный прорыв в создании и применении новых лазерно-оптических методов для исследования потоков. После появления в 1960 году первых твердотельных и газовых лазеров интенсивные научные исследования стали проводиться по физическим основам их применения.
Уже первые созданные газовые лазеры обладали очень высоким качеством излучения, т.е. высокой степенью временной и пространственной когерентности, и по этому параметру превосходили все известные до того времени источники оптического излучения. Поэтому
наиболее перспективными оказались научные направления, связанные с использованием лазерных измерительных технологий для исследования потоков. Как писал великий русский ученый Д.И. Менделеев «Наука начинается там, где начинают измерять».
Одно из таких научных направлений было связано с применением
газовых лазеров для измерения локальной скорости потоков газа и
жидкости, основанное на эффекте Доплера. Как хорошо известно,
любое научное направление наиболее успешно развивается только
при наличии двух условий: имеется актуальная проблема, востребованная развитием науки и техники, и имеется возможность решить
эту проблему. В данном случае эти условия выполнялись.
Экспериментальная аэрогидродинамика крайне нуждалась в бесконтактных методах измерения локальной скорости различных потоков, в которых имеются мелкие и крупные частицы (двухфазные потоки) или частицы могут быть введены искусственно. Для физиковоптиков было очевидно, что высокая монохроматичность лазерного
излучения позволит создать метод измерения скорости потока, используя эффекты рассеяния лазерного излучения на движущихся
частицах и эффект Доплера, в силу которого частота рассеянного излучения зависит от скорости частиц. Однако низкая разрешающая
способность оптических спектральных приборов не позволила создать оптический метод измерения скорости потока менее десятка
метров в секунду, которые характерны для потоков газа и жидкости.
Первые работы по доплеровскому методу измерения скорости потоков относятся к 1964 году, когда учеными США впервые была показана возможность детектирования малой разности частот между
зондирующим пучком и рассеянным на движущихся частицах лазерным излучением, которая несет информацию о скорости потока. На
практике оказалось наиболее распространенной дифференциальная
схема лазерных анемометров, в которой исследуемый поток зондируется двумя лазерными пучками, предложенная одновременно в 1968
году независимо в нашей стране и за рубежом. В дальнейшем это направление получило название лазерная доплеровская анемометрия.
Научные исследования по лазерной доплеровской анемометрии и
смежным областям лазерных измерений в те годы интенсивно развивались многими научными коллективами как в нашей стране, так и за
рубежом, что потребовало проведения обсуждений этой тематики в
рамках всей страны. Поэтому в 1989 году в Академгородке г. Новосибирска состоялся первый научный семинар «Лазерная доплеровская анемометрия», посвященный анализу проблем применения лазеров для измерения скорости потоков жидкости, газа и плазмы по
эффекту Доплера. Актуальность проведения данного семинара была
вызвана необходимостью обсуждения вопросов, связанных с разработкой методов исследования потоков жидкости, газа и плазмы,
большим количеством технических устройств, в основе работы которых используются потоки, и крайне низким уровнем их экспериментальных исследований. К тому времени применение лазеров для диагностики потоков по рассеянному излучению на мелких частицах
интенсивно развивалось как в академических институтах Новосибирска, так и других научных и учебных заведениях страны.
На этом семинаре было принято решение о необходимости расширения тематики обсуждения и об организации научно-технической
конференции по более широкому кругу смежных проблем под названием «Оптические методы исследования потоков», которая и состоялась в 1991 году на базе Института теплофизики СО АН. Председателем оргкомитета конференции был выбран академик СО АН В.Е. Накоряков.
Тематика конференции включала следующие направления: лазерная доплеровская анемометрия, лазерная интерферометрия, теневые
методы, методы скоростного фотографирования. Первые две конференции в 1991 и 1993 г.г. проводились в Новосибирске, а последующие, в связи с большими финансовыми трудностями, начиная с 1995
года, проводились на базе Московского энергетического института
(МЭИ), где плодотворно работала научная группа по данному направлению. Тематика конференции непрерывно изменялась в связи с
появлением новых лазеров и разработкой новых лазерных методов
исследования потоков. Так последовательно появлялись методы:
КАРС-спектроскопия, лазерная анемометрия по изображениям частиц
(в иностранной литературе этот метод имеет название PIV-метод),
фазово-доплеровский метод измерения скорости и размеров частиц,
оптическая томография, лазерная спектроскопия, лазерная рефрактография. Дальнейшее развитие получили классические методы: голографическая и спекл интерферометрия, тепловизионные методы. На
приведенной ниже диаграмме показано распределение количества авторов докладов по годам проведения конференции.
Основными предпосылками для совершенствования классических
и разработки новых бесконтактных компьютерно-лазерных измерительных технологий диагностики потоков жидкости и газа в настоящее время являются:
 успешное развитие новых высоких технологий невозможно без
использования современных бесконтактных методов визуализации и
измерений, а также приборов и систем, созданных на их основе;
300
Количествоавторов
250
200
150
100
50
0
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
2009
Год
 низкий уровень экспериментальных исследований в области
механики жидкости и газа в связи со сложностью одновременного
измерения многих параметров трехмерных и нестационарных потоков, а также сложностью и дороговизной зарубежных лазерных измерительных систем;
 разработка лазеров нового поколения, особенно малогабаритных полупроводниковых лазеров, с высоким качеством излучения,
позволяет создавать малогабаритные датчики различных параметров
потоков;
 непрерывное совершенствование цифровой техники, в том числе матричных фотоприемников и компьютеров позволяет проводить
обработку большого массива информации;
 использование численных методов расчета потоков сдерживается крайне большим временем счета, связанного со сложностью исследования потоков прежде всего с их трехмерностью и нестационарностью.
Редакторы
Проф. Ю.Н. Дубнищев
Проф. Б.С.Ринкевичюс