Методы физического моделирования

Физическое моделирование - замена изучения интересующего объекта или явления экспериментальным исследованием его модели, имеющей ту же физическую природу.

После определения основных параметров модели на основании теории Подобия приступают к ее изготовлению. Модели выполняют из самых разнообразных материалов, чаще всего из органического стекла, обладающего высокой прозрачностью и легко обрабатываемого. При изготовлении необходимо обеспечивать геометрическое подобие границ пространства, в котором протекают, исследуемы процессы. Так, при моделировании разливки должно быть соблюдено подобие профиля канала стакана, внутреннего профиля и сечения изложницы, при моделировании процессов движения газов - внутренних параметров газоходов и т.д.

Путем моделирования могут исследоваться различные процессы, что в значительной мере определяет характер его проведения и применяемую аппаратуру. Чаще всего используют следующие методы получения информации о моделируемом процессе.

Визуальное наблюдение применяется для выявления главным образом качественной картины процесса и внешнего его хода. При визуальном наблюдении может осуществляться хронометраж.

Измерение линейных величин, характеризующих процесс.

Этим методом измеряют характеристики процесса, имеющие размерность длины (глубина проникновения струи, высота распространения брызг, размеры кратера при продувке и др.). Для лучшей их фиксации на стенки модели могут наносится сетки или устанавливаться в необходимых местах линейки с делениями.

Фото- и киносъемка применяется при изучении некоторых быстротекущих, особенно нестационарных, процессов. Существенное значение при этом имеет правильное освещение объекта исследования, позволяющее зафиксировать изучаемые явления. Количественные данные о многих быстротекущих процессах могут быть получены обработкой кадров кино-съемки.

Метод плавающих индикаторов (трассеров) дает возможность наблюдать качественную картину циркуляции жидкости в модели и в ряде случаев устанавливать некоторые количественные закономерности. Трассеры должны иметь плотность, близкую (лучше равную) к плотности моделирующей жидкости, быть хорошо видимыми в ее потоках. При использовании в качестве моделирующей жидкости воды или водных растворов с плотностью, близкой к 1000кг/м³ , в качестве трассеров можно применять алюминиевую пудру, кристаллы нафталина, шарики из невспученного полистирола, спитой чай и другие материалы, удобные для использования. Трассы от движущихся индикаторов фиксируют с помощью фото- и киносъемки. Для выделения исследуемой зоны в объеме жидкости ее следует освещать плоскопаральным пучком света, так называемым «оптическим ножом». В простейшем случае «оптический нож» может быть получен с помощью луча диапроектора, проходящего через щелевую диафрагму. Для получения точных интервалов времени фото- съемку следует проводить через диск с прорезью - обтюратор, вращающийся с известной скоростью. В этом случае на снимках следы трассеров отмечаются в виде светлых или темных черточек. Зная интервалы времени, можно рассчитать скорости потоков в выбранном месте.

Использование трубок Пито. Этот метод позволяет измерять скорости потоков моделирующей жидкости в точно определенных местах. Применяются двухсторонние трубки Пито, подключенные к U- образному перевернутому манометру. При этом трубки, соединительные шланги и нижняя часть манометра заполнены жидкостью, а верхняя часть - воздухом. Для удобства работы, в верхней части изгиба трубки манометра делается отросток, соединяющий манометр с атмосферой. После засасывания жидкости в манометр до требуемого уровня этот отросток перекрывается краном, изолирующим его от атмосферы. Отсчет производится по разности уровней жидкости в коленах манометра. Трубки предварительно градуируются в потоках жидкости с известными скоростями. Этот метод позволяет получать достаточно точные количественные результаты.

Измерение электропроводности моделирующей жидкости используется при изучении влияния гидродинамических параметров на процессы массопереноса. В этом случае либо применяют готовые растворы различных электролитов, либо исследуется растворение веществ, делающих жидкости электропроводными. Для замеров в моделирующую жидкость вводят попарно небольшие электроды, между которыми создается электрический потенциал. Если растворенное вещество появляется в районе электродов, то между ними начинает протекать ток. Измеряя силу тока, можно определить концентрацию растворенного вещества в районе электродов. При изучении быстродействующих процессов в качестве регистрирующих приборов следует применять быстродействующие самопишущие потенциометры или шлейфовые осциллографы.