Оптико-электронный комплекс одновременного измерения параметров движущихся пузырьков газа или капель жидкости тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат технических наук Михалев, Александр Сергеевич

• Михалев, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Михалев, Александр Сергеевич

Содержание.

Введение.

1 Лазерные методы диагностики двухфазных потоков.

1.1 Возможности и преимущества дистанционной диагностики потоков

1.2 Локальные методы диагностики двухфазных потоков.

1.2.1 Лазерная доплеровская анемометрия.

1.2.2 Фазово-доплеровская анемометрия.

1.3 Полевые методы диагностики двухфазных потоков.

1.3.1 Анемометрия изображения частиц.

1.3.2 Спекл-интерферометрия.

1.3.3 Лазерный интерференционный метод.

1.4 Выводы по разделу 1.

2 Теоретические основы лазерного интерференционного метода.

2.1 Моделирование интерференционных картин для газового пузырька в жидкости.

2.2 Многократные отражения и преломления узкого гауссова пучка.

2.3 Особенности получения изображений пузырьков газа в лазерном интерференционном методе.

2.4 Выводы по разделу 2.

3 Оптико-электронный комплекс ЛИМ.

3.1 Расчет оптической системы для формирования лазерной плоскости.

3.2 Система регистрации интерференционных изображений пузырьков газа и капель жидкости.

3.3 Фильтрация изображений пузырька с интерференционными полосами

3.4 Обработка изображений в лазерном интерференционном методе.

3.5 Сравнение методик обработки.

3.6 Выводы по разделу 3.

4 Применение оптико-электронного комплекса ЛИМ.

4.1 Определение диаметров пузырьков воздуха в стекле.

4.2 Влияние состояния поляризации на интерференционную картину в

4.3 Измерение скорости и диаметра капель воды, движущихся в воздухе

4.4 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде.

4.4.1 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде, образованых с помощью пьезогенератора.

4.4.2 Определение параметров пузырьков воздуха, движущихся в воде, образованых с помощью электролиза.

4.5 Выводы по разделу 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптико-электронный комплекс одновременного измерения параметров движущихся пузырьков газа или капель жидкости»

В настоящее время все большую значимость приобретают бесконтактные методы диагностики потоков жидкости и газа [1]. Эти методы позволяют исследовать потоки без их возмущения, тем самым не внося дополнительные искажения в исследования. Существует много методов диагностики потоков, работающих на различных физических явлениях [1 -8]. Они применяются во многих областях, таких как аэродинамика, гидродинамика, медицина и др.

В настоящее время наибольшая часть экспериментальных исследований проводится на двухфазных потоках в газо-жидкостных средах. Целью данных исследований является разработка комплекса для определения формы, размера и поведения пузырьков газа в жидкой среде, либо капель жидкости в газовой среде.

Наиболее точными методами являются лазерные методы диагностики потоков. Они позволяют максимально уменьшить влияние на исследуемую среду во время проведения экспериментов. Среди методов лазерной диагностики потоков самыми распространенными являются лазерная доплеровская анемометрия, фазовая доплеровская анемометрия, анемометрия изображения частиц и спекл-интерферометрия. Также разрабатываются новые лазерные методы диагностики потоков. Часть новых методов основана на обработке получаемых интерференционных картин.

Представленная диссертация посвящена разработке оптико-электронного комплекса одновременного измерения параметров движущихся оптически прозрачных объектов сферической формы лазерным интерференционным методом. Данный метод позволяет определить размер сферических объектов по получаемым интерференционным картинам.

Применение методов компьютерно-лазерной диагностики потоков позволяет получить качественно новые результаты при исследовании параметров потоков жидкостей и газов. В силу своего быстродействия лазерные методы могут использоваться для диагностики нестационарных быстропротекающих процессов в оптически прозрачных средах. Использование лазерного излучения позволяет избежать внесения искажений в исследуемую среду и обеспечивает бесконтактность и дистанционность измерений.

Принцип действия лазерного интерференционного метода (ЛИМ) основан на теории рассеяния Ми для объектов с малыми диаметрами, на интерференции отраженных и преломленных лучей, прошедших через исследуемый сферический объект для больших диаметров и на определении по полученной интерференционной картине размера объекта. В работах [9— 10] теория ЛИМ была рассмотрена для приближения плоской волны и малых диаметров пузырьков. Эта теория основывалась на теории рассеяния Ми. Однако при реальных измерениях применяются газовые или полупроводниковые лазеры. Распределение плотности мощности в сечении таких пучков описывается гауссовым или бесселевым распределением, что значительно отличается от приближения плоской волны. Также очень часто необходимо исследовать объекты, диаметр которых значительно превышает длину волны излучения. В этом случае возникает необходимость применять приближение геометрической оптики вместо теории рассеяния Ми. В данной работе рассматривается применение в качестве падающего на исследуемый объект излучения в виде лазерной плоскости, получаемой из лазерного пучка с помощью оптической системы из цилиндрических и сферических линз. В качестве теоретической модели для моделирования принята модель геометрической оптики с многократными отражениями и преломлениями (до 6-го порядка).

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.

В работе будут рассмотрены лазерные методы диагностики двухфазных потоков, проведен обзор современной научно-технической литературы, приведены оптические схемы и описания основных лазерных методов. Будут

N. показаны преимущества ЛИМ над другими основными лазерными методами диагностики потоков.

Будет рассмотрена теория лазерного интерференционного метода, объяснено получение интерференционных картин (ИК) ЛИМ. Показаны возможности его работы и особенности получения исследуемых интерференционных картин. Представлены способы определения параметров потока с помощью ЛИМ.

Будут рассмотрены методы обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса ЛИМ одновременного измерения скорости и размера движущихся пузырьков газа или капель жидкости.

Будет описано создание оптико-электронного комплекса ЛИМ и описана его работа. Будут описаны экспериментальные исследования ЛИМ на различных объектах и определены границы его применения. Экспериментальные исследования будут проведены на одиночных пузырьках газа и капель жидкости, а также на пузырьках газа, движущихся в воде.

Рассмотрены различные возможности применения лазерного интерференционного метода.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является создание оптико-электронного комплекса для одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа и капель жидкости.

Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:

- разработать теорию получения интерференционных картин и определения по ним диаметра частиц;

- разработать методику измерения скорости;

- разработать методику обработки получаемых интерференционных картин;

- создать оптико-электронный комплекс одновременного измерения размеров и скорости пузырьков газа и капель жидкости ЛИМ и определить его оптимальные параметры настройки; определить диапазон применимости разработанного оптико-электронного метода.

Научная новизна работы.

Впервые разработана методика моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка до 6-го порядка на пузырьках газа и каплях жидкости.

Впервые 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 настройки оптико-электронного комплекса для различных типов объектов для получения измерений с погрешностью менее 2%.

Основные положения, выносимые на защиту:

Разработанная теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка показывает возможность получения интерференционных картин от оптически прозрачных частиц или пузырьков и определения по ним диаметра исследуемых объектов.

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 и капель жидкости, движущихся в потоке.

Практическая ценность работы. Предложенный оптико-электронный комплекс по ЛИМ может быть использован для выявления неоднородностей в жидкости и газе, определения распределения по скоростям и размерам пузырьков газа в аэрозолях, выявления дефектов при изготовлении изделий стекольной промышленности. Методика обработки полученных изображений может быть использована для других методов исследования, так же использующих видеоаппаратуру для регистрации.

Достоверность полученных результатов.

Первоначальные экспериментальные исследования проводились на тестовых объектах с известными размерами.

После сравнения экспериментально полученных данных с известными, был разработан оптимальный 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:

• 9, 10 Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков», Москва, 2007, 2009.

• Третья международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-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, 11, 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.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 138 машинописных страниц, включая 81 рисунок, 2 таблицы, 38 наименований списка литературы и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы», Михалев, Александр Сергеевич

4.5 Выводы по разделу 4

В ходе тестирования разработанного оптико-электронного комплекса одновременного определения размера и скорости пузырьков газа и капель жидкости лазерным интерференционным методом была доказана его работоспособ ность.

При исследовании тестового объекта показано, что при углах регистрации интерференционной картины до 50° погрешности определения диаметра не превышает 2%

Экспериментально показано, что в данном эксперименте состояние поляризации лазерного излучения не влияет на работу комплекса.

Приведены результаты одновременного измерения размера и скорости движения капель жидкости в воздухе и пузырьков газа в жидкости.

Заключение

Проведен обзор современной научно-технической литературы по лазерной диагностике потоков, приведены оптические схемы и дано описание основных лазерных методов диагностики двухфазных потоков: лазерной доплеровской анемометрии, фазовой доплеровской анемометрии, анемометрии изображения частиц и спекл-интерферометрии. Показано, что эти методы не позволяют получить одновременно информацию о размере и скорости движения больших частиц в заданной плоскости.

Лазерный интерференционный метод (ЛИМ) позволяет одновременно определить как размер, так и скорость прозрачных сферических частиц двухфазного потока.

Разработана теория лазерного интерференционного метода диагностики двухфазных потоков. В теории используется аппроксимация, следующая из строгой теории рассеяния Ми и разложения Дебая, при которой рассеяние на большой частице лазерного пучка, описывается двумя механизмами: отражением и преломлением пучка по законам геометрической оптики и дифракцией Фраунгофера в дальней зоне.

Разработана методика компьютерного моделирования многократных отражений и преломлений гауссова пучка. Приведена методика моделирования интерференционных картин от оптически прозрачных частиц и пузырьков и определения их диаметра. Показаны особенности получения интерференционных картин в зависимости от когерентности падающего излучения и расстояния от фокальной плоскости объектива до исследуемого объекта.

Разработана теория многократных отражений и преломлений гауссова пучка на прозрачных сферических частицах. Проведен расчет прохождения гауссова пучка через прозрачные сферические объекты до 6 порядка отражения. Показаны зависимости интенсивности гауссова пучка от высоты падения на сферический объект от различных параметров при отражениях до 6 порядка.

Рассмотрена система формирования лазерной плоскости с помощью сферических и цилиндрических линз, позволяющая расширять лазерный пучок только в одной плоскости. Показаны различные способы создания лазерной плоскости.

Проведен анализ цифровой системы регистрации интерференционных картин в лазерном интерференционном методе измерения размеров и скорости сферических прозрачных частиц.

Рассмотрены методы обработки интерференционных картин, полученных с помощью оптико-электронного комплекса одновременного измерения скорости и размера движущихся пузырьков газа или капель жидкости. Найден оптимальный алгоритм каскадной цифровой обработки интерференционных картин со специализированными методиками фильтрации, что позволяет значительно повысить точность определения диаметра и скорости оптически прозрачных частиц. Определен диапазон оптимальных углов наблюдения фотокамеры относительно оптической оси 20° < 0 < 50°. До 20° съемка ИК невозможна из-за сильной засветки от лазера. При 0 > 50° погрешности измерения превышает 2%.

Разработан оптико-электронный комплекс ЛИМ для одновременного определения размеров и скоростей исследуемых пузырьков газа и капель жидкости, движущихся в потоке.

Определены границы применения комплекса путем проведения экспериментов с исследуемыми неподвижными объектами в виде одиночных пузырьков газа в стекле, а также одиночных падающих капель жидкости и движущихся в потоке пузырьков воздуха. Он позволяет определять размеры исследуемых частиц от 30 мкм до 2 мм. Максимальная измеренная скорость газовых пузырьков в воде при скорости съемки камеры 26 кадров в секунду составила 21 см/с.

Благодарности

Автор работы выражает глубокую благодарность научному руководителю профессор Ринкевичюсу Б.С. за постоянный интерес к проведению работы и внимательное руководство.

Автор также благодарен доценту Скорняковой Н.М. за консультации по теме работы, а также справедливую и своевременную критику недостатков работы. Автор благодарен ведущему научному сотруднику Толкачеву А.В. за помощь в проведении экспериментальных исследований и неоценимую помощь в обсуждении полученных результатов. Автор благодарен ст. преподавателю Поповой Е.М. и ведущему инженеру Есину М.В. за помощь в обработке полученных экспериментальных данных. Старшему научному сотруднику Расковской И.Л. за консультирование при проведении расчетов.

Автор выражает признательность сотрудникам кафедры физики им. В.А.Фабриканта, которые активно способствовали проведению исследований и получению практических результатов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Михалев, Александр Сергеевич, 2009 год

1. Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика потоков. М.: Изд-во МЭИ, 1990.

2. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: «Наука», 1982. - 303 с.

3. Лазерная доплеровская анемометрия и ее применения / Дубнищев Ю.Н., Соболев B.C., Файстауэр Н. и др. — Новосибирск: Ин-т автомат, и электрометр. СО АН СССР, 1980.

4. Raffel, М., Willert, С.Е., Wereley, S.T., Kompenhans, J. Particle Image Velocimetry / A Practical Guide / 2nd ed. 2007. Hardcover. 448 p.

5. Фомин H. А. Спекл-интерферометрия газовых потоков / АН БССР, Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова. Минск. Наука и техника. 1989. 166 с.

6. Durst, F., Zare, М. Laser Doppler measurements in two-phase flows. // Report SFB80/TM/63. Karlsruhe University, 1975.

7. Вараксин А.Ю. Турбулентные течения газа с твёрдыми частицами. -М.:ФИЗМАТЛИТ, 2003. 186 с.

8. Roth.N., Andres.K. and Frohn.A. "Size and Evaporation Rate Measurements of Optically Levitated Droplets", The Third Intl. Congress on Optical Particle Sizing, 1993. pp. 371-377.

9. Niwa Y. e. a. Bubble sizing by interferometric laser imaging //Proc. intern, conference by flow visualization. Lissabon, 2004. — N 38. - P. 1.

10. П.Горбулин Ю.М., Злотников Д.М., Знаменская И.А. и др. Теневой метод исследования плазмы в ИК диапазоне с использованием ап-инверсии. // Письма в ЖТФ, №3, 1984.

11. Белозеров А.Ф. Оптические методы визуализации газовых потоков. -Казань, 2007 г. 748 с.

12. Karasik, A.Ja., Rinkevichius, B.S., Zubov, V.A. Laser interferometiy principles. Ed. Rinkevichius, B.S. London: Boca Raton, Mir publishes and CRC press, 1995. - 448p.

13. Борн M., Вольф Э. Основы оптики / 2 издание, Наука, 1973 г. 720 с.

14. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.dantecdynamics.com

15. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.tsi.com

16. ЛДА, ФДА Электронный ресурс. -TSI Режим доступа: www.itp.nsc.ru

17. F. Durst and М. Zare, Laser Doppler measurements in two-phase flows, The Accuracy of Flow Measurements by Laser Doppler Methods, Skovulunde, Denmark: Dantec Measurement Technology, 1976, 480-489.

18. Скорнякова H.M., Толкачев A.B. Исследование интерференционного лазерного метода одновременного измерения размеров и скоростей пузырьков // Труды третьей Российской национальной конференции по теплообмену. М.: МЭИ, 2002. Т.1. С. 219-222.

19. Niwa Y., Kamiya Y., Kawaguchi Т., Maeda M. Bubble sizing by interferometric laser imaging // CD-proc. of 10-th international symposium "Applications of laser techniques to fluid mechanics", 2000. P.38.1.

20. Семидетнов H.B. Граничные эффекты рассеяния излучения на большой частице и их физическая интерпретация // Оптические методы исследования потоков: Тр. 8-й Междунар. науч.-техн. конф. -М.: МЭИ, 2005. С. 238-241.

21. Settles, G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: visualizing phenomena in a transparent media. Berlin: Springer, 2001.

22. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. -М.: МИР, 1986.

23. Михалев А.С., Удалов А.В., Скорнякова Н.М.; Экспериментальное исследование дифракции лазерного пучка на многих отверстиях. // III Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика 2003». 2003. Санкт-Петербург. С. 312-313.

24. Михалев А.С., Скорнякова Н.М. Моделирование пролета сферической частицы через гауссов пучок. // Одиннадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2005. М.: С. 176-177.

25. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А. и др. Информационная оптика: Учеб. пособие; Под ред. Евтихиева Н.Н. М.: Издательство МЭИ. 2000.612 с.28.«Методы компьютерной обработки изображений» под ред. В. А. Сойфера Изд-во ФИЗМАТЛИТ, 2001.

26. Михалев А.С., Скорнякова Н.М. Экспериментальное исследование рассеяния лазерного излучения на пузырьке воздуха в стекле. //

27. Двенадцатая международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». 2006. М.: С. 200.

28. Ринкевичюс Б.С. Поляризованный свет/ Под ред. В.А. Фабриканта. -М.: МЭИ, 1985.-76 с.

29. Михалев А.С. Одновременное определение размеров и скоростей одиночных капель воды лазерным интерференционным методом. Девятая международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков». М.: МЭИ, 2007. С. 502— 505.

30. Михалев A.C., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М. Лазерный интерференционный метод определения параметров пузырьков газа