Зубков Сергей Анатольевич – педагог дополнительного образования педагогического технопарка «Кванториум» имени И. В. Курчатова
г. Москва
Sergey A. Zubkov – Additional Education Teacher, Pedagogical Technopark “Kvantorium” named after I. V. Kurchatov
Краснов Петр Александрович – студент физико-математического факультета
г. Москва
Petr A. Krasnov – Student, Faculty of Physics and Mathematics
Кулешова Юлия Дмитриевна – кандидат физико-математических наук, декан физико-математического факультета
г. Москва
Yuliya D. Kuleshova – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Dean, Faculty of Physics and Mathematics
Moscow
Курилов Александр Дмитриевич – кандидат физико-математических наук, заведующий учебно-научной лабораторией теоретической нанотехнологии
г. Москва
Aleksandr D. Kurilov – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Laboratory Head, Laboratory of Theoretical and Applied Nanotechnology
Moscow
Цель. Разработать и апробировать численный метод анализа оптических искажений, возникающих при прохождении света через газовый поток с пространственно-неоднородным показателем преломления.
Процедура и методы. Проведено численное моделирование распространения световых лучей в градиентной среде методом трассировки лучей в программной среде ANSYS Zemax OpticStudio. Распределение показателя преломления задавалось параметрической функцией. Координаты лучей после прохождения через модель газового потока экспортировались и обрабатывались во внешней программе на языке Python для построения полей смещений, аналогичных используемым в шлирен-методах.
Результаты. Выполнено моделирование распространения света через модель тепловой струи и получены зависимости смещения изображения от начальных координат лучей. Показано согласие результатов численного моделирования с экспериментальными данными. Установлено, что наблюдаемый разброс точек обусловлен статистическим характером трассировки и аберрациями оптической системы.
Теоретическая и практическая значимость. Предложенный подход позволяет учитывать реальные параметры оптической системы регистрации и моделировать произвольные распределения показателя преломления. Метод может использоваться для интерпретации данных шлирен-экспериментов и решения обратных задач восстановления параметров газовых потоков.
Aim. To develop and test a numerical method for analyzing optical distortions arising from light propagation through a gas flow with a spatially inhomogeneous refractive index.
Methodology. Numerical simulation of light ray propagation in a gradient medium was performed using the ray tracing method in the ANSYS Zemax OpticStudio software environment. The refractive index distribution was defined by a parametric function. The ray coordinates after passing through the gas flow model were exported and processed in an external Python program to construct displacement fields similar to those used in schlieren methods.
Results. The simulation of light propagation through a thermal plume model was carried out, and the dependences of image displacement on the initial ray coordinates were obtained. The agreement between the numerical simulation results and experimental data is shown. It is established that the observed scatter of points is due to the statistical nature of ray tracing and aberrations of the optical system.
Research implications. The proposed approach allows taking into account the real parameters of the optical recording system and simulating arbitrary refractive index distributions. The method can be used for interpreting data from schlieren experiments and solving inverse problems of reconstructing gas flow parameters.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.