Экспериментальное исследование структуры течения и поля температур оптически прозрачной среды посредством фоново-ориентированного шлирен-метода

Введение. Представлены результаты экспериментального исследования структуры течения и поля температур в конвективной струе воздуха и продуктов сгорания природного газа, формирующейся над пламенем горелки малой мощности. Проанализированы пульсационные и спектральные характеристики потока в ключевых точках отбора, что позволило сделать вывод о характере течения в основных точках струи. Предложено для анализа спектральных характеристик потока использовать временные ряды изменения поля смещений точек.

Метод. В работе для визуализации течения и определения температур использован фоново-ориентированный шлирен-метод с последующей постобработкой в разработанной в ходе исследования программе. Преимуществом данного подхода в сравнении с традиционным оптическим шлирен-методом является отсутствие необходимости в параболических зеркалах, а также возможность получения результатов в цифровом виде, удобном для дальнейшей обработки. В ходе эксперимента за объектом исследования, который снимался видеокамерой, помещался фон со случайно расположенными черными точками. Колебания плотности среды вызывали изменения коэффициентов преломления среды, вследствие чего точки на фоне на видеокадрах смещались, причем смещение точек пропорционально изменению коэффициента преломления, который в свою очередь пропорционален градиенту плотности и, соответственно, градиенту температуры среды. Смещение точек определялось с применением кросс-корреляционного анализа каждого кадра в сравнении с кадрами при отсутствии возмущений. Далее поле смещений подвергалось фильтрации посредством медианного фильтра с целью минимизации шумов и статистических выбросов. Отфильтрованное поле смещений использовалось для вычисления поля температур, при этом решалась задача Коши относительно температуры с известной производной в точке и заданных граничных условиях.

Основные результаты. Получена совокупность мгновенных полей смещений точек, мгновенных и осредненного полей температуры, позволивших сделать выводы о структуре течения. В характерных точках струи получены осциллограммы величины смещения, а также спектры пульсаций, имеющие инерционный интервал, соответствующий закону «–5/3».

Обсуждение. Предложенный в работе подход позволяет в дополнение к бесконтактному исследованию поля температур также исследовать турбулентные пульсации течения в случае квазидвухмерных или осесимметричных потоков.

1. Braeuer A. Shadowgraph and schlieren techniques. Supercritical Fluid Science and Technology, 2015, vol. 7, pp. 283–312. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-63422-1.00004-3

2. Dalziel S.B., Hughes G.O., Sutherland B.R. Whole-field density measurements by ‘synthetic schlieren’. Experiments in Fluids, 2000, vol. 28, no. 4, pp. 322–335. https://doi.org/10.1007/s003480050391

3. Shimazaki T., Ichihara S., Tagawa Y. Background oriented schlieren technique with fast Fourier demodulation for measuring large densitygradient fields of fluids. Experimental Thermal and Fluid Science, 2022, vol. 134, pp. 110598. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2022.110598

4. Li X., Gong S., Zhang F., Ma Z., Xun G. Three-dimensional tomographic reconstruction for gaseous fuel jets based on background oriented schlieren technique. Journal of the Energy Institute, 2025, vol. 120, pp. 102118. https://doi.org/10.1016/j.joei.2025.102118

5. Davami J., Juliano T.J., Moreto J.R., Liu X. Density measurements via background-oriented schlieren and parallel-ray omnidirectional integration. Experiments in Fluids, 2025, vol. 66, no. 4, pp. 78. https://doi.org/10.1007/s00348-025-04012-1

6. Martínez-González A., Moreno-Hernández D., Guerrero-Viramontes J.A., León-Rodríguez M., Zamarripa-Ramírez J.C.I., Carrillo-Delgado C. Temperature measurement of fluid flows by using a focusing schlieren method. Sensors, 2019, vol. 19, no. 1, pp. 12. https://doi.org/10.3390/s19010012

7. Ichihara S., Shimazaki T., Tagawa Y. Background-oriented schlieren technique with vector tomography for measurement of axisymmetric pressure fields of laser-induced underwater shock waves. Experiments in Fluids, 2022, vol. 63, no. 11, pp. 182. https://doi.org/10.1007/s00348-022-03524-4

8. Miao Y., Jia C., Hua Y., Sun L., Xu J., Wu D., Huang G., Liu H. Measurement of the concentration distribution of hydrogen jets using adaptive stream stripe- background oriented schlieren (ASS-BOS). International Journal of Hydrogen Energy, 2024, vol. 77, pp. 281–290. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2024.06.099

9. Wang Q., Mei X.H., Wu Y., Zhao C.Y. An optimization and parametric study of a schlieren motion estimation method. Flow, Turbulence and Combustion, 2021, vol. 107, no. 3, pp. 609–630. https://doi.org/10.1007/s10494-021-00246-1

10. Yang S., Zhao L., Wang H., Li M., Xu W. Fluid motion prediction from schlieren for ethanol plume velocity measurement. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2025, vol. 115, pp. 109889. https://doi.org/10.1016/j.ijheatfluidflow.2025.109889

11. Li J., Xiong Y., Tang Y., Han W., Pan C., Wang J. Three-dimensional diagnosis of lean premixed turbulent swirl flames using tomographic background oriented Schlieren. Physics of Fluids, 2024, vol. 36, no. 5, pp. 055159. https://doi.org/10.1063/5.0209235

12. Akamine M., Teramoto S., Okamoto K. Formulation and demonstrations of three-dimensional background-oriented schlieren using a mirror for near-wall density measurements. Experiments in Fluids, 2023, vol. 64, no. 7, pp. 134. https://doi.org/10.1007/s00348-023-03672-1

13. Bulat P.V., Volkov K.N. Numerical simulation of shock wave refraction on inclined contact discontinuity. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 3, pp. 550–558. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2016-16-3-550-558

14. Bulat P.V., Volkov K.N. Numerical simulation of shock wave diffraction over right angle on unstructured meshes. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2016, vol. 16, no. 2, pp. 354–362. (in Russian). https://doi.org/10.17586/2226-1494-2016-16-2-354-362

15. Grauer S.J., Unterberger A., Rittler A., Daun K.J., Kempf A.M., Mohri K. Instantaneous 3D flame imaging by background-oriented schlieren tomography. Combustion and Flame, 2018, vol. 196, pp. 284–299. https://doi.org/10.1016/j.combustflame.2018.06.022

16. Cowles R.A.P., Molnar J.P., Singh A.K., Grauer S.J. Tomographic background-oriented schlieren facility for buoyancy-driven flows and flames. Proc. of the AIAA Science and Technology Forum and Exposition, AIAA. SciTech Forum, 2025, https://doi.org/10.2514/6.2025-1058

17. Liu Y., Xing F., Su L., Tan H., Wang D. A mini-review of recent developments in plenoptic background-oriented schlieren technology for flow dynamics measurement. Aerospace, 2024, vol. 11, no. 4, pp. 303. https://doi.org/10.3390/aerospace11040303

18. Sasono M., Sakti S.P., Noor J.E., Soetedjo H. Application of checkerboard-based Background-Oriented Schlieren technique for invisible visualization of thermal plumes. AIP Conference Proceedings, 2023, vol. 2720, no. 1, pp. 040035. https://doi.org/10.1063/5.0136943

19. Gao P., Zhang Y., Yu X., Dong S., Chen Q., Yuan Y. Reconstruction method of 3D turbulent flames by background-oriented schlieren tomography and analysis of time asynchrony. Fire, 2023, vol. 6, no. 11, pp. 417. https://doi.org/10.3390/fire6110417

20. Vasiliev A., Sukhanovskii A., Frick P., Budnikov A., Fomichev V., Bolshukhin M., Romanov R. High Rayleigh number convection in a cubic cell with adiabatic sidewalls. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, vol. 102, pp. 201–212. https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.06.015

21. Liu H.C., Huang J.Q., Li L. Cai W.W. Volumetric imaging of flame refractive index, density, and temperature using background-oriented Schlieren tomography. Science China Technological Sciences, 2021, vol. 64, no. 1, pp. 98–110. https://doi.org/10.1007/s11431-020-1663-5

22. Wang G.T., Daniel K.A., Lynch K.P., Guildenbecher D.R., Mazumdar Y.C. High temperature and pressure Gladstone–Dale coefficient measurements in air behind reflected shock waves. Physics of Fluids, 2023, vol. 35, no. 8, pp. 086121. https://doi.org/10.1063/5.0162017

23. Chen Y., Cao R., Chen J., Liu L., Matsushita B. A practical approach to reconstruct high-quality Landsat NDVI time-series data by gap filling and the Savitzky–Golay filter. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 2021, vol. 180, pp. 174–190. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2021.08.015