Observation of Shock Waves Using the Schlieren Method with the HPV-X3

Význam tématu

Schlierenová vizualizace tlakových a hustotních gradientů umožňuje optické zobrazení průběžných a rychlých změn v plynné fázi, které jsou zásadní pro výzkum aerodynamiky, balistiky a dynamiky explozí. Schopnost snímat strukturu a časovou evoluci rázových vln s vysokým prostorovým i časovým rozlišením je klíčová pro návrh vozidel, predikci chování průletových těles a bezpečnostní hodnocení materiálů při nárazu.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem publikované studie bylo demonstrovat možnosti nové high-speed kamery HyperVision HPV-X3 při snímání rázových vln pomocí Schlierenovy metody. Experiment sledoval rázové vlny a související jevy (odraz, přenos, fragmentace projektilu a generace sekundárních rázových vln) pro pellet vystřelený ze vzduchové zbraně proti jednoduchým překážkám (gumičky) a perforovanému bloku. Hlavní záměr byl ověřit schopnost HPV-X3 zachytit detailní prostorové struktury rychlých dějů díky zvýšenému rozlišení a vysoké snímkové frekvenci.

Použitá metodika a instrumentace

• Metoda: Schlierenova vizualizace citlivá na lokální změny indexu lomu plynu; obrazování rázových vln vznikajících v okolí pohybujícího se projektilu.
• Zdroj napájení světla: laserové osvětlení pro krátké a intenzivní pulzy osvětlení vhodné při vysokorychlostním snímání.
• Optika Schlierenu: konfigurace s dvěma konkávními zrcadly pro kolimaci svazku a s nožovým okrajem (knife edge) pro vyvolání kontrastu vznikajícího z lomových úhlů.
• Snímací zařízení: HyperVision HPV-X3 vysokorychlostní kamera (třikrát vyšší rozlišení oproti předchozímu modelu HPV-X2; maximální snímkovací rychlost až do 20 Mfps), osazená 180 mm makroobjektivem s 2× telekonvertorem.
• Experimentální uspořádání: projektil (pellet) umístěný ve spouštěcí komoře mezi plastovými držáky (které po výstřelu odpadnou), trajektorie projektilu prochází polem Schlierenovy optiky; provedeny dva scénáře: (1) dvě gumičky v trajektorii, (2) překážka s deseti kruhovými otvory umožňující fragmentaci.
• Časové podmínky: mezi snímky v řadě pořízených sekvencí byly experimentálně uváděné intervaly ~15 µs (při průchodu gumičkami) a ~23 µs (při zásahu perforované překážky); uvedená hodnota 1,150 ns v tabulce pravděpodobně souvisí s expozičním nebo mezisnímkovým časem v konkrétním režimu.

Hlavní výsledky a diskuse

• Při průletu projektilu gumičkami byly zřetelně zobrazeny rázové vlny ve frontě projektilu. Při nárazu na gumičku došlo k rozdělení rázové vlny na transmitovanou a odraženou složku; v pozdější fázi se generovaly další vlny před i za místem kontaktu.
• U druhého scénáře s perforovanou překážkou došlo k rozbití pelletu na fragmenty. Kamera zachytila nejen fragmentaci, ale i samostatné rázové vlny vzniklé u jednotlivých fragmentů, což ukazuje na prostorově složité pole nárazových impulsů po rozbití projektilu.
• V některých situacích (druhá gumička) nebyl odraz rázové vlny výrazný, pravděpodobně kvůli poklesu rychlosti projektilu — výsledky tedy rovněž ilustrují citlivost jevu na lokální rychlostní pole.
• HPV-X3 umožnila detailní vizualizaci průběhu rázových vln díky kombinaci vyššího prostorového rozlišení a velmi krátkých expozičních časů; Schlierenova metoda efektivně zobrazila gradienty indexu lomu asociované s tlakem a hustotou plynu kolem projektilu a fragmentů.

Přínosy a praktické využití metody

• Schlieren + HPV-X3 nabízí nástroj pro laboratorní studie rázových vln v balistice, testování materiálů a aerodynamiky malých objektů; umožňuje kvalifikované posouzení odrazu, přenosu a interakcí rázových vln s překážkami.
• Detekce sekundárních rázových vln z fragmentů pomáhá porozumět dezintegraci projektilů a následnému poli impulsů, což je důležité pro bezpečnostní hodnocení a návrh ochranných struktur.
• Vysoké rozlišení usnadňuje kvantitativní analýzy (tvar vlnoplochy, šíření, rychlost rázových front), které lze doplnit měřením rychlosti projektilu a numerickými simulacemi pro kompletní diagnostiku.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace Schlierenovy techniky s dalšími diagnostickými metodami (PIV, časově rozlišená spektroskopie, tlakové senzory) pro simultánní měření rychlostních polí a termodynamických parametrů.
• Rozvoj 3D Schlieren a tomografických přístupů k rekonstrukci prostorového rozložení indexu lomu v oblasti rázových vln.
• Využití ještě vyššího prostorového rozlišení a rychlosti snímání pro kratší časové škály a menší délkové měřítko; automatizovaná analýza obrazů s pomocí strojového učení pro detekci a kvantifikaci rázových struktur a fragmentace.
• Aplikace v průmyslových testech (např. vývoj balistických ochran, testování mikrovrtulí, nárazové testy materiálů) a ve výzkumu přesných modelů kompozitních a porézních materiálů.

Závěr

Kombinace Schlierenovy optiky a kamery HyperVision HPV-X3 poskytla vysoce detailní záznam rázových vln generovaných projektily v experimentech se strukturálními překážkami. HPV-X3 prokázala schopnost zachytit jak makroskopické rázové fronty, tak komplikované pole vln vznikajících fragmentací. Výsledky potvrzují vhodnost této kombinace pro aplikace v aerodynamice a balistice, kde je třeba rozlišit rychlé, lokální změny hustoty a tlaku.

Reference

1. K. Ohtani, High Speed Visualization Measurement of Underwater Shock Wave and Cavitation Bubble Generation, 17-22, 2023.