Введение к работе
Актуальность работы.
Представленная диссертация посвящена разработке оптико-электронного комплекса лазерного интерференционного метода (ЛИМ) одновременного измерения скорости и размера движущихся прозрачных пузырьков газа и капель жидкости. Данный метод позволяет определять размер пузырьков газа и капель жидкости по получаемым интерференционным картинам, а также их скорость при помощи кросскорреляционной обработки их изображений.
Применение методов компьютерно-лазерной диагностики двухфазных потоков позволяет получить качественно новые результаты. В силу своего быстродействия лазерные методы могут использоваться для диагностики как стационарных, так и нестационарных быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах. Использование лазерного излучения позволяет избежать внесения искажений в исследуемую среду и обеспечивает бесконтактность и дистанционность измерений.
Принцип работы лазерного интерференционного метода основан на регистрации интерференционных картин, образованных отраженными и преломленными лучами, прошедшими через исследуемые пузырьки газа или капли жидкости. По полученной интерференционной картине определяется размер этих пузырьков или капель. В работе рассматривается применение лазерной плоскости в качестве зондирующего излучения. Лазерная плоскость получается из узкого лазерного пучка с помощью оптической системы из цилиндрических и сферических линз.
Данный метод, в отличие от аналогичных, способных одновременно измерять размер и скорость частиц в потоке, является пространственным. Он позволяет получить не только необходимые значения искомых величин, но и визуализировать сам поток.
Цель работы.
Основной целью настоящей работы является создание оптико-электронного комплекса для одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа или капель жидкости.
Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать теорию получения интерференционных картин и определения
по ним диаметра пузырьков газа или капель жидкости;
-разработать методику измерения скорости пузырьков газа или капель жидкости;
-разработать методику обработки получаемых интерференционных картин;
создать оптико-электронный комплекс одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа или капель жидкости лазерным интерференционным методом и определить его оптимальные параметры настройки;
определить диапазон применимости разработанного оптико-электронного метода.
Научная новизна работы.
Разработана методика моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка до 6-го порядка на пузырьках газа и каплях жидкости.
Разработан алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса ЛИМ со специализированными методиками фильтрации.
Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых стационарных и подвижных объектов по полученным интерференционным картинам.
Определены параметры для проведения экспериментов оптико-электронного комплекса с различными пузырьками газа и капелями жидкости. Основные положения, выносимые на защиту:
Разработанная теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка показывает возможность получения интерференционных картин от оптически прозрачных пузырьков газа или капель жидкости и определения по ним их диаметра.
Алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин ЛИМ позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скоростей оптически прозрачных частиц.
Разработанный оптико-электронный комплекс лазерного интерференционного метода позволяет одновременно определять диаметр и скорость пузырьков газа или капель жидкости, движущихся в потоке.
Практическая ценность работы.
Предложенный оптико-электронный комплекс одновременного измерения скорости и размера движущихся прозрачных пузырьков газа или капель жидкости лазерным интерференционным методом может быть использован для выявления неоднородностеи в жидкости и газе, определения распределения по скоростям и размерам пузырьков газа в аэрозолях. ЛИМ может быть применен для выявления дефектов при изготовлении изделий стекольной промышленности. Методика обработки полученных изображений может быть использована и для других методов исследования, также использующих цифровую видеоаппаратуру для регистрации.
Полученные результаты использовались при выполнении научных работ по проектам Минобрнауки (темы № 1019061 и 1029091).
Достоверность полученных результатов.
Первоначальные экспериментальные исследования проводились на тестовых объектах с известными размерами.
После сравнения размеров пузырьков газа, полученных экспериментально и измеренными на компараторе, был разработан алгоритм проведения экспериментов для получения результатов с наименьшей погрешностью.
Перед каждым последующим проведением эксперимента производились измерения на тестовом объекте.
Апробация работы.
Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях в период с 2003 по 2009 г.г.:
9, 10 Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков», Москва, 2007, 2009.
Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2003».
15 Международная конференция «Высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии»; Новороссийск, 2007 г.
16 Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии»; Новороссийск, 2008 г.
10, II, 12, 13 - Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2004 - 2007 г.г.
3rd International conference on Laser Optics for Young Scientists; St. Petersburg, 2006.
Публикации.
Основные материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, в том числе без соавторов - 2 работы. Из них 1 статья в реферируемом журнале, 5 статей в сборниках трудов конференций и 6 тезисов докладов.
