Введение к работе
з
Актуальность работы. В последние годы происходит интенсивное развитие лазерных методов исследования потоков, основанных на явлениях рефракции и интерференции. Разработаны и выпускаются лазерные измерительные системы: лазерные доплеровские анемометры, лазерные анемометры по изображениям частиц, рефракционные приборы. Оптические измерения получили широкое распространение в научных исследованиях и промышленности благодаря многочисленным достоинствам, важнейшим из которых являются отсутствие механических возмущений исследуемой среды, дистанционность и многофункциональность. В связи с этим, лазерные методы диагностики потоков находят активное применение в исследовании полей акустических давлений, температуры, плотности, солености, скорости течения потоков. Эти методы позволяют исследовать поле показателя преломления, которое потом пересчитывается в искомое поле другой физической величины.
Благодаря появлению совершенно новых компактных и мощных полупроводниковых лазеров оптического диапазона и дифракционных оптических элементов, позволяющих получить структурированное лазерное излучение произвольной формы, стало возможным проводить исследования неоднородных сред на более высоком качественном уровне.
Развитие новых методов цифровой регистрации экспериментальных картин позволяет создавать новые способы измерения различных величин, исследуемого вещества. Совместное использование цифровой регистрации оптических изображений и их компьютерной обработки дает возможность сократить затраты труда и времени, а также повысить точность измерений.
Активное развитие компьютерных технологий в области вычислительной техники, а также программного обеспечения, позволило значительно упростить решение обратных задач, требующих значительных трудоемких ресурсов.
Исследование диффузионного (переходного) слоя между различными жидкостями необходимо для решения многих задач химии, медицины, пищевой промышленности. Изучение стратифицированных по плотности потоков - один
из важных разделов современной гидрофизики. Исследование гидрофизических течений в основном базируется на лабораторном моделировании и связано с созданием плотностной стратификации, измерением и контролем ее характеристик. Применение метода лазерной рефрактографии, основанного на зондировании исследуемого объема структурированным лазерным излучением, для диагностики сред требует детального анализа рефракции лазерных пучков в неоднородных средах.
Представленная диссертация посвящена разработке лазерной рефрактографической системы измерения параметров диффузионного слоя жидкости, возникающего на границе раздела двух жидкостей с различными физическими характеристиками. Данная система позволяет определить профиль показателя преломления диффузионного слоя по получаемым рефракционным картинам, на основе которого при дальнейшей обработке восстанавливается профиль концентрации веществ, солености, или исследовать толщину диффузионного слоя жидкости, волновые процессы в плоско-неоднородных средах и визуализировать ЗБ-рефрактограммы.
Аналитическое решение как прямой задачи расчета траектории распространения геометрооптических лучей в оптически плоско-неоднородной среде, так и обратной задачи - восстановления закона распределения показателя преломления среды, требуют разработки алгоритмов соответствующих программ. Для решения прямой задачи необходимо проводить моделирование диффузионного слоя жидкости и исследование распространения в нем оптических лучей. Использование для подобных вычислений широко распространенных универсальных программ расчета оптических систем связано со многими затруднениями, заключающимися в неопределенности методов расчета, и, как следствие, области применимости и погрешности. Решение обратной задачи требует разработки метода сравнения экспериментальных данных с модельными рефракционными картинами.
Таким образом, актуальность приобретает решение задачи распространения оптического излучения в плоско-неоднородной среде, образующейся на границах
раздела двух жидкостей, разработка лазерной рефрактографической системы для диагностики диффузионного слоя жидкости и методов определения градиента показателя преломления диффузионного слоя жидкости по экспериментальным рефракционным картинам, а также создание специализированного программного обеспечения в разрабатываемой лазерной рефрактографической системе.
Цель работы. Основной целью данной работы является создание лазерной рефрактографической системы для определения параметров двухслойных неоднородных сред и выявление особенностей распространения волновых явлений в таких средах. Для этого необходимо было решить следующие задачи:
Разработать алгоритм и программу моделирования траекторий распространения геометрооптических лучей в плоской оптически неоднородной среде с известным законом распределения показателя преломления. На основе разработанной программы получить двумерные и трехмерные рефракционные картины (2D- и ЗБ-рефрактограммы) внутри и за пределами диффузионного слоя жидкости.
Создать лазерную рефрактографическую систему для определения параметров неоднородных сред: профиля показателя преломления и толщины диффузионного слоя жидкости.
Разработать методику сравнения расчетных и экспериментальных рефракционных картин и создать на ее основе алгоритм и программу определения профиля показателя преломления диффузионного слоя жидкости.
Научная новизна работы.
Впервые реализован метод расчета траектории лучей при наличии сильной рефракции, приводящей к появлению каустик и области многолучевости при распространении плоского лазерного пучка внутри диффузионного слоя жидкости.
На базе разработанной лазерной рефрактографической системы впервые проведено исследование диффузионного слоя в жидкости.
Впервые рассчитаны 2D- и ЗБ-рефрактограммы плоского лазерного пучка внутри диффузионного слоя.
Разработан алгоритм обработки экспериментальных рефракционных картин диффузионного слоя жидкости, позволяющий определить толщину данного слоя.
Основные положения, выносимые на защиту.
Разработан алгоритм расчета траекторий лучей в диффузионном слое жидкости при наличии каустики, определены оптимальные параметры угла наклона плоского лазерного пучка.
Созданы алгоритмы моделирования 2D- и ЗБ-рефрактограмм, которые позволяют получать расчетные картины для различных параметров исследуемой среды и параметров экспериментальной установки.
Реализован алгоритм обработки экспериментальных рефракционных картин, с помощью которого восстановлен градиент показателя преломления в диффузионном слое жидкости.
Разработана лазерная рефрактографическая система для исследования параметров диффузионного слоя жидкости.
Практическая ценность работы. Созданы алгоритмы и программы моделирования 2D- и ЗО-рефрактограмм для различных параметров установки и исследуемой среды. Созданная лазерная рефрактографическая система позволяет определять профиль показателя преломления диффузионного слоя жидкости, рассчитывать профиль солености, проводить диагностику нестационарных сред и выявлять особенности распространения внутренних волн. Разработанная система может быть использована для исследования и других оптически неоднородных сред, возникающих на границах раздела двух веществ с различными физическими характеристиками. Методика обработки полученных изображений может быть использована для оптических методов исследования, использующих цифровые средства регистрации и обработки экспериментальных данных.
Реализация и внедрение результатов работы. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам Минобрнауки (проект ГК №14.740.11.0540, проект ГК №02.740.11.0449 и проект РФФИ № 10-08-000936-а).
Достоверность полученных результатов.
Математическая модель распределения показателя преломления диффузионного слоя жидкости основана на экспериментальных результатах измерений распределения солености контактными датчиками.
Моделирование траектории лучей в диффузионном слое жидкости базируется на известных расчетных формулах теории геометрической оптики, т.к. теория переноса оптического излучения здесь не применима из-за наличия каустик.
Измерения показателя преломления проводились с помощью лабораторного рефрактометра ИРФ-454 Б2М, соленость нижнего слоя воды определялась с помощью прецизионных весов и по формуле связи показателя преломления с соленостью жидкости. Относительная погрешность измерения составила 5%.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях:
10-я, 11-я Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков», МЭИ(ТУ), Москва, 2009, 2011.
14-я, 16-я, 17-я Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ(ТУ), 2008-2011 гг.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, в том числе без соавторов - 1 работа. Из них 2 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 138 машинописных страниц, включая 66 рисунков, 4 таблицы, 57 наименований списка литературы и 2 приложения.
