Содержание к диссертации
Введение
1 Оптические методы исследования потоков: направления и применение 9
1.1 Направления в оптических методах исследования потоков 9
1.2 Теневые методы 12
1.3 Интерферометрия 18
1.4 Лазерная рефрактография 24
1.5 Метод анемометрии по изображениям частиц 27
1.6Теневой фоновый метод 33
1.7 Выводы по главе 43
2. Оптико-электронный комплекс диагностики процесса испарения жидкости
2.1 Структурная схема комплекса 44
2.2 Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц 47
2.3 Экспериментальная установка для реализации теневого фонового метода55
2.4 Приемная система 58
2.5 Блок обработки экспериментальных изображений 71
2.6 Выводы по главе 82
3. Тестирование и определение границ применимости комплекса 83
3.1 Параметры исследуемых процессов и границы применимости комплекса83
3.2 Определение разрешающей способности комплекса 90
3.3 Выводы по главе 100
4 Применение разработанного комплекса для исследования микропотоков жидкости 102
4.1 Испарение капли жидкости с горизонтальной подложки 102
4.2 Визуализация капли на нагретой подложке 122
4.3 Визуализация процессов перемешивания жидкостей в малых объемах.128
4.4 Наблюдение паров летучих веществ 130
4.5 Визуализация микропотока жидкости 134
4.6 Выводы по главе 139
Заключение 140
Список использованных источников
- Интерферометрия
- Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц
- Определение разрешающей способности комплекса
- Наблюдение паров летучих веществ
Интерферометрия
Интерес к исследованию потоков связан с их широким распространением в природе и технике. Потоки жидкости, газа и плазмы наблюдаются в натурных условиях (атмосфера, океан), являются частью промышленных технологий во многих отраслях (энергетика, ракетостроение, химическая промышленность, медицина и т.д.). Разработанная теоретическая база, описывающая гидродинамические процессы [1-3], обеспечивает широкий круг задач для экспериментальных исследований.
Для изучения сложных процессов, сопровождающих потоки, существуют различные методы, основанные на измерении температуры, давления, скорости и других параметров движущихся сред. Наиболее распространенными в области исследования потоков газовых и конденсированных сред являются оптические измерения. Это связано, в первую очередь, с такими достоинствами оптических методов, как отсутствие механических возмущений исследуемой среды, дистанционность и многофункциональность [4, 5].
Классические теневые методы относятся к старейшим методам исследования потоков, возникшим при переходе от непосредственного наблюдения к более точным качественным и количественным исследованиям. Они основаны на рефракции световых лучей на крупномасштабных оптических неоднородностях потока. По результатам теневых измерений может быть восстановлено распределение показателя преломления в оптической неоднородности, которое в свою очередь зависит от таких параметров исследуемой среды, как плотность, температура, давление, а также концентрация химических компонентов, если среда представляет собой смесь различных веществ [6].
Развитие теоретических основ оптики привело к появлению методов, основанных на явлении интерференции света, в которых применяются различные интерференционные схемы, например, Маха-Цендера, Майкельсона, Физо и др. Информацию об исследуемом потоке получают, исследуя интерференционные картины от опорного и объектного (прошедшего через оптическую неоднородность) пучков [7].
Значительные изменения в развитии оптических методов исследования потоков произошли во второй половине XX столетия после появления первых лазеров. Лазерные источники излучения с высокой монохроматичностью, временной и пространственной когерентностью привели к возникновению новых методов, таких как лазерная доплеровская анемометрия, методы гильберт-оптики, многоканальные и сканирующие рефрактометрические методы, спекл-метод, методы лазерной рефрактографии и голографической интерферометрии [4, 5, 8-11].
Высокая пространственная когерентность, эффекты рассеяния лазерного излучения на движущихся частицах в сочетании с эффектом Доплера позволили создать бесконтактный метод измерения локальной скорости потока, а также дисперсной фазы в его объеме – метод лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) [4, 5, 8, 11]. Измерения в ЛДА проводят с помощью регистрации и последующего анализа рассеянного частицей в потоке лазерного излучения.
Часть из перечисленных методов относятся к так называемым рефракционным методам диагностики потоков и основаны на рефракции лазерного излучения в оптически неоднородных средах. В отличие от теневых методов, в которых информация об исследуемой неоднородности содержится в распределении освещенности в плоскости наблюдения, в лазерных рефракционных методах анализируется смещение выделенных структурных элементов в плоскости наблюдения, что способствует повышению точности измерений [9].
В связи с появлением надежных импульсных лазеров с хорошими когерентными свойствами широкое распространение в экспериментальной газодинамике получили методы голографической интерферометрии. Они основаны на интерферометрическом сравнении двух и более волн, из которых, по крайней мере, одна восстановлена голографическим способом. По сравнению с классическими методами регистрации интерференционной картины, голография позволяет избавиться от шумов, обусловленных качеством изготовления оптических деталей и условиями окружающей исследуемый объект среды, а также получать при помощи одной голограммы несколько интерферограмм, соответствующих разным направлениям наблюдения. Следует отметить, что в голографической интерферометрии затруднена регистрация экспериментальных данных в реальном времени. Данный метод широко применяется в аэродинамических исследованиях потоков, возникающих при обтекании различных моделей [10].
В то же время, активное совершенствование устройств регистрации оптической информации (появление матричных фотоприемников с количеством разрешаемых элементов, исчисляемых в мегапикселях, и скоростью съемки более 100 кадров в секунду) и появление компьютерных систем для работы с большим объемом данных (с быстродействием свыше 1 ГГц и объемом памяти более 100 Гбайт) обусловили создание различных модификаций оптических методов, основанных на цифровой обработке экспериментальных данных [4, 11-15]. Так появился упрошенный вариант теневого метода – теневой фоновый метод (ТФМ). Информацию об исследуемом потоке в ТФМ получают из анализа различий между изображениями структурированного фонового экрана в отсутствии возмущений в оптическом канале и при наличии в нем градиентов оптической плотности [11]. В отличие от громоздких теневых приборов с дорогой оптикой и сложной юстировкой для реализации ТФМ необходимы только структурированный фоновый экран и цифровая видеокамера, подключенная к компьютеру с программным обеспечением для обработки экспериментальных изображений. С помощью данного метода можно провести измерения рельефа поверхности, восстановить распределения скорости, температуры и плотности в потоке. Как и другие рефракционные методы ТФМ имеет ограничения, связанные с физическими закономерностями, влияющими на изменение показателя преломления исследуемой среды.
Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц
Особенность метода АИЧ заключается в наличии специального освещения исследуемой области структурированным лазерным излучением – лазерной плоскостью (лазерный «нож»). Такой пучок получают с помощью цилиндрической линзы, фокусирующей излучение только в одной плоскости. В общем случае количество элементов в оптической системе зависит от характеристик источника излучения и обусловлено необходимостью получить лазерную плоскость с большой плотностью мощности, однородным энергетическим профилем и малой толщиной в исследуемой области. Присутствие дополнительных оптических элементов также может быть связано с общим расположением измерительной системы и геометрией исследуемого потока. Например, невозможность поместить лазер на одной оптической оси с исследуемым потоком требует использования дополнительной оптики.
Важным элементом для формирования лазерной плоскости является источник излучения. В данной экспериментальной установке применяется импульсный твердотельный лазер. Такие лазеры широко используются для реализации АИЧ-метода, так как они сочетают в себе следующие качества: - работа в импульсном режиме с перестроением частоты повторения импульсов в заданном диапазоне позволяет адаптировать установку АИЧ-метода к исследованию потоков с различными скоростями; - стабильность энергетических характеристик при работе на различных частотах дает возможность получить качественное освещение измерительного объема для значительного диапазона скоростных режимов в потоке; - энергия импульса более 400 мкДж обеспечивает достаточную плотность мощности структурированного лазерного пучка в области измерений.
Для реализации экспериментальной установки в качестве возможных вариантов источников излучения рассматривались: импульсный твердотельный Nd.YLF лазер, модель DTL-419QT и твердотельный Nd.YAG лазер с двойным импульсом, модель Litron Nano L 135-15. Сравнительные характеристики данных источников приведены в таблице 1.
Генерация лазерного излучения в устройствах осуществляется в ИК диапазоне, а выходное излучение в видимом диапазоне на длине волны зеленого света формируется нелинейным кристаллом, что характерно для всех Nd лазеров. Этот параметр может повлиять на выбор типа матрицы приемного элемента, обеспечивающего максимальную спектральную чувствительность на заданной длине волны. Профили пучков рассматриваемых лазеров соответствуют гауссову распределению (мода TEM00), при котором возможно получение лазерной плоскости с достаточно однородным распределением плотности мощности.
Диаметр пучка лазерного излучения модели Litron Nano L 135-15 почти в два раза больше диаметра пучка модели DTL-419QT, расходимость пучка для Litron Nano L 135-15 значительно больше того же параметра для DTL-419QT. Данное обстоятельство говорит о том, что при прочих равных условиях (для одной и той же оптической системы формирования плоского пучка), с помощью лазера DTL-419QT возможно получение более качественной лазерной плоскости с небольшими толщиной и расходимостью, мало изменяющимися в измерительной области.
Безусловно, модель Litron Nano L 135-15 значительно превосходит конкурирующую модель по мощности импульса лазерного излучения. Однако малая частота следования импульсов даже с учетом возможности регистрации пары изображений за 10 мкс не позволяет успешно применять этот мощный лазер для регистрации быстропротекающих процессов испарения жидкости.
Габариты рассматриваемых моделей также различаются. Лазер DTL-419QT является более компактным и может быть установлен на оптическом столе вместе с другими элементами комплекса. Малые габариты достигаются путем применения воздушного охлаждения, что отрицательно сказывается на стабильности выходных характеристик лазерного излучения. Более стабильными характеристиками обладает излучение модели Litron Nano L 135-15, снабженной эффективным водяным охлаждением, которое расположено в отдельном блоке, но она занимает значительно больше рабочего пространства.
Модель Litron Nano L 135-15 рассчитана на изучение крупномасштабных процессов, в то время как для исследования испарения из малого объема жидкости требуется источник излучения с меньшим диаметром пучка, меньшей расходимостью и значительно большей скоростью следования импульсов. Несмотря на такие преимущества, как высокая мощность и стабильность лазерного излучения, Litron Nano L 135-15 не позволяет получать достаточно тонкую лазерную плоскость на всей измерительной области и не обеспечивает достаточную для регистрации быстропротекающих процессов частоту следования импульсов. В связи с этими обстоятельствами в экспериментальной установке комплекса применялся лазер модели DTL-419QT.
Как отмечалось ранее, плоский лазерный пучок формируется с помощью оптической системы, содержащей цилиндрическую линзу. Существуют различные варианты создания лазерной плоскости, обеспечивающие стабильность ее пространственных и энергетических характеристик в измерительной области. При этом построение оптической системы основано на одном принципе, – чем выше качество лазерного излучения, т.е. малая расходимость и малый диаметр пучка по сравнению с характерными размерами исследуемых с помощью АИЧ процессов, тем меньше элементов необходимо для создания плоского лазерного пучка (иногда достаточно одной линзы). Однако возникают задачи, в которых требуется возможность регулировать ширину и толщину лазерной плоскости.
Определение разрешающей способности комплекса
Основной вклад в погрешность измерений, выполняемых с помощью комплекса, вносят две составляющие: 1) погрешность нормировки; 2) погрешность цифровой обработки экспериментальных картин. Обсуждение погрешности цифровой обработки приведено в главе 2, разделе 2.5. В погрешности нормировки обычно учитывают искажения экспериментальных картин, вносимые оптической системой комплекса. Помимо качества объектива и приемной матрицы цифровой видеокамеры (см. главу 2) влияние на результаты обработки экспериментальных данных оказывает взаимное расположение фонового экрана и видеокамеры [70]. Для выявления оптимальной конфигурации элементов системы и установления разрешающей способности комплекса были проведены дополнительные исследования [78].
Схема экспериментальной установки для нахождения наилучшего расположения видеокамеры в оптической системе на основе теневого фонового метода представлена на рисунке 62. Фоновый экран 2 закреплен на координатном столике 1, снабженном микрометрическим винтом. Видеокамера 5 расположена под углом к фоновому экрану и закреплена на подвижной опоре 4. Угол между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана выставляют с помощью угломера.
Модель оптически неоднородной среды между фоновым экраном и устройством регистрации реализуется здесь как смещение фонового экрана на некоторое расстояние, жестко регулируемое микрометрическим винтом и дополнительно контролируемое микрометрической измерительной головкой.
Методика проведения эксперимента заключается в следующем. С помощью видеокамеры выполняются снимок фонового экрана без смещения и последовательные снимки со смешением по горизонтали от 10 мкм до 1050 мкм. Серии снимков получают для углов 5, 10, 15, 20 и 90. – координатный столик; 2 – фоновый экран; 3 – ПК с программой для обработки изображений; 4 – подвижное крепление для видеокамеры; 5 – видеокамера Рисунок 62 – Экспериментальная установка для определения разрешающей способности комплекса
Полученные последовательности изображений обрабатываются в программе PIVView, в которой определяют среднее значение смещений элементов изображения фонового экрана. Затем результаты сравнивают со смещением, которое устанавливали по микрометрическому винту координатного столика.
Малая глубина резкости получаемых изображений приводит к ухудшению результатов обработки экспериментальных данных. Решение этой проблемы заключается в создании дополнительного мощного освещения фонового экрана, что позволяет работать с минимальными значениями диафрагменных чисел, т.е. получать большую глубину резкости на фиксируемых камерой изображениях. Изображение структуры фоновых экранов камерой, расположенной под малыми углами, сильно искажено, что затрудняет обработку экспериментальных данных. Возникает необходимость в подборе оптимального рисунка фонового экрана, изображение которого наилучшим образом поддается дальнейшей обработке.
Для решения указанных проблем необходимо выявить условия эксперимента, при которых теневой фоновый метод применим для регистрации смещений объектов на величины от 0 до 1000 мкм. Эти условия определяются углом между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана, а также рисунком фонового экрана. С помощью экспериментального исследования можно найти оптимальные значения данных параметров.
На первом этапе проводились серии опытов с 5 фоновыми экранами различной структуры, изображения которых представлены на рисунке 63.
В области малых смещений от 0 до 100 мкм наблюдается разброс значений относительной погрешности d в диапазоне от 10% до 100%. Дальнейшее увеличение смещения приводит к стабилизации погрешности на уровне 40%. На рисунке 65 представлены результаты обработки экспериментальных данных для = 10.
В области смещений от 0 до 300 мкм разброс значений погрешности велик, но при больших смещениях относительная погрешность для результатов со всеми экранами уменьшается.
Зависимости относительной погрешности от величины реального смешения для результатов в экспериментах со значением угла = 15 град. представлены на рисунке 66. 8d, % 50 40 30 20 10
Обработка экспериментальных данных показала, что ни один из пяти фоновых экранов не дает удовлетворительных результатов для регистрации малых смешений (до 100 мкм), а малые значения угла между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана приводят к высокой относительной погрешности около 40%. При возрастании угла относительная погрешность уменьшается. Меньшие значения погрешности 10%-К20% были получены при смещениях от 700 до 1000 мкм с фоновыми экранами 2, 3 и 5 для углов , равных 15 и 20. Второй этап экспериментального исследования проводился с фоновыми экранами 2, 3 и 5. Для определения стабильности получаемых значений относительной погрешности с каждым из фоновых экранов проводилось по 5 серий измерений для значений углов , равных 5, 10, 15 и 20. Относительную погрешность результатов, полученных при обработке экспериментальных данных, рассчитывали по следующей формуле:
Наблюдение паров летучих веществ
Перемешивание жидкостей является распространенным процессом в химической промышленности, биологии, медицине и других промышленных и наукоемких отраслях.
Разработанный оптико-электронный комплекс был применен для визуализации перемешивания оптически прозрачных жидкостей [84].
Перемешивание капель осуществлялось при температуре 18С в открытом пространстве на плоской гладкой подложке из стекла, расположенной горизонтально. Установка комплекса при этом была собрана по схеме, приведенной на рисунке 36, а в главе 2. Съемка проводилась в отраженном свете. В качестве фонового экрана применялся пластмассовый диск с шероховатой структурой поверхности.
На рисунке 92 приведен пример экспериментального изображения перемешивания капель жидкостей с различными скоростями испарения: воды и этанола,– полученного с помощью модификации комплекса по методу ТФМ, а также результаты обработки.
Показанные на рисунке 92, б результаты содержат векторное поле, характеризующее смещение элементов фонового экрана, а также поле коэффициента корреляции, отображающееся с помощью цветовой шкалы.
В данном эксперименте, основанном на обработке изображений ТФМ, смещение элементов фона зависит от нескольких параметров исследуемого процесса, а именно, от градиента показателя преломления и от изменения формы поверхности перемешивающейся капли. Таким образом, по данным кросскорреляционной обработки можно судить только о локализации исследуемого процесса.
Возникающие при перемешивании жидкостей потоки в капле были визуализированы с помощью модификации комплекса по методу анемометрии по изображениям частиц.
На рисунке 93 приведены примеры экспериментального изображения и результатов его обработки для перемешивания капель жидкостей с различными скоростями испарения: воды и этанола,– полученного с помощью модификации комплекса по методу АИЧ.
Так как движение микропотоков жидкостей при перемешивании достаточно интенсивное, то съемка картин АИЧ осуществлялась со скоростью 200 кадров/с. В качестве светоотражающих частиц применялись стеклянные микросферы диаметром 5,4 мкм.
Векторное поле на рисунке 93, б характеризует направления и скорости движения светоотражающих частиц, добавленных и в воду, и в этанол.
Применение в промышленности загрязняющих веществ, как известно, наносит вред окружающей среде и при несоблюдении определенных норм экологической безопасности на производстве может угрожать здоровью человека. Особую опасность представляют пары токсичных соединений.
Однако, в большинстве случаев, данные пары являются совершенно прозрачными и без специального оборудования их диагностика затруднена.
С помощью разработанного комплекса была выполнена визуализация паров ацетона [85, 86]. В данном эксперименте применялась модификация комплекса по методу ТФМ. Схема экспериментальной установки комплекса соответствовала схеме, приведенной на рисунке 38, б в главе 2.
В качестве фонового экрана применялся тот же пластмассовый диск, что и при исследовании процессов перемешивания жидкостей по методу ТФМ. Подсветка экрана осуществляется в режиме съемки в отраженном свете.
Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Видеокамера фокусируется на фоновом экране, и выполняется его снимок. Затем между камерой и фоном помещается исследуемая жидкость, через пары которой осуществляется запись искаженных изображений фонового экрана.
Были проведены серии экспериментов с ацетоном, испаряющимся как с горизонтальной подложки, так и из некоторой емкости.
В первой экспериментальной серии наблюдалось испарение ацетона с подложки, на поверхность которой наносили исследуемую жидкость. Эксперимент проводился при следующих параметрах:
Полученные картины векторных полей отображают динамику процесса испарения капли с горизонтальной плоской поверхности. Изображение на рисунке 94, а получено при обработке 50 кадра, соответствующего началу испарения. Можно наблюдать скопление векторов над поверхностью жидкости, что соответствует образованию паров ацетона в данной области пространства.
С течением времени пары исследуемой жидкости распространяются на некоторую высоту над поверхностью испарения. Пример картины визуализации этого процесса приведен на рисунке 94, б. В дальнейшем ацетон полностью испаряется с плоской стеклянной подложки, а его пары заполняют область пространства над этой поверхностью на некоторой высоте. Картины векторных полей, полученные для данного случая, приведены на рисунке 95.