CC BY
11
Анализ области визуализации пристеночного слоя жидкости при регистрации методами высокоскоростной термографии
А. М. Шагиянова,а Е. Ю. Коротеева,6 И. А. Знаменская,® М. Э. Дашян, Л. А. Благонравов, Н. Н. Сысоев Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра молекулярных процессов и экстремальных состояний вещества. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
Поступила в редакцию 29.11.2019, после доработки 24.01.2020, принята к публикации 27.01.2020.
В работе проанализированы возможности термографии при регистрации теплового излучения с частотой съемки более 100 Гц из нестационарного неизотермического пограничного слоя жидкости через окно, прозрачное для инфракрасного излучения. Проведены эксперименты, позволяющие провести интегральную оценку регистрируемой толщины слоя воды для различных условий; показано, что толщина проникновения инфракрасного излучения в рабочем диапазоне тепловизора (3.7-4.8 мкм) не превышает 0.2 мм.
Ключевые слова: инфракрасная термография, излучение, затопленные течения, жидкость. УДК: 535-1, 532.5. РЛСБ: 47.80.Jk, 44.20.+Ь, 44.40.+а.
ВВЕДЕНИЕ
Инфракрасная (ИК) термография — мощный оптический инструмент, позволяющий регистрировать динамические тепловые поля для решения различных задач. Она широко применяется для инженерных приложений, таких как регуляция теплоизоляции и обнаружение скрытых дефектов [1]. С помощью термографии проводится экспериментальное исследование параметров теплообмена и трения на плоских и рельефных поверхностях с различной геометрией [2, 3]. Показана возможность определения ламинарно-турбулентного перехода при обтекании летательных аппаратов потоками воздуха за счет изменения карт температур на крыльях и лопастях [4].
Другим направлением применения термографии является анализ приповерхностных течений жидкости [5]. В литературе преимущественно встречаются работы, посвященные медленным течениям с малыми числами Рейнольдса на границе раздела жидкость— газ [6, 7] и в жидких пленках [8]. Усредненные тепловые поля потоков получают через металлические подложки [9, 10] на основе теплопередачи исследуемого потока твердой стенки.
Экспериментальные исследования турбулентных затопленных течений жидкости в пристеночной области крайне ограничены. Это обусловлено сложностью визуализации и анализа многомасштабных турбулентных течений, требующих высокого пространственного и временного разрешения при регистрации. В теплообмене неизотермического потока с твердой поверхностью решающую роль играет непосредственно пристеночная область течения, визуализация которой позволяет контролировать механизмы теплопередачи и исследовать пограничный слой жидкости.
Метод высокоскоростной термографии быстропро-текающих потоков, предложенный в работах [11, 12], применяется для измерения мгновенных тепловых полей неизотермического пограничного слоя жидкости. Регистрируемое инфракрасное излучение проходит через ИК прозрачное окно и поглощается
а Б-шаИ: shagiyanova@physics.msu.ru
6 Б-шаП: koroteeva@physics.msu.ru в E-mail: znamen@phys.msu.ru
в тонком пристеночном слое воды субмиллиметровой толщины. Временной масштаб турбулентности много меньше времен распространения теплопроводности, что позволяет визуализировать гидродинамику течения по термограммам. Ранее были получены данные для импактной затопленной струи и неизотермического смешения струй (рис. 1, а) [13]. Для количественного анализа пограничных течений разработаны несколько направлений постобработки изображений: построение спектров и полей среднеквадратичных тепловых пульсаций [14] для исследования области ламинарно-турбулентного перехода в пограничном слое жидкости. При применении кросс-корреляционного алгоритма к последовательностям ИК-изображений вычислены смещения «тепловых точек», а по ним — поля скорости турбулентных течений вблизи поверхности (метод ТТТ [15]). Пример построения усредненного поля скорости смешения двух струй разной температуры методом ТТТ представлен на рис. 1, 6.
В работе предложен экспериментальный метод определения толщины слоя визуализации для средневолновой ИК-термографии и анализа влияния сопутствующих тепловых процессов при регистрации динамических процессов в пристеночном слое воды.
1. АНАЛИЗ РЕГИСТРИРУЕМОЙ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ВОДЫ
Важным вопросом для ИК-термографии остается толщина регистрируемого слоя жидкости в среднем ИК-диапазоне. Для теоретической оценки толщины слоя воды, поглощающего ИК-излучение, можно воспользоваться законом Бугера:
I(х) = 10 ■ в-а(х)х,
I(х) — интенсивность излучения, прошедшего через слой вещества толщиной х, Вт/м2; 10 — интенсивность излучения на входе в вещество, Вт/м2; а(Х) — коэффициент поглощения, 1/м.
К сожалению, из-за сильной зависимости коэффициента поглощения жидкой воды от длины волны [16] возможна лишь интегральная оценка, однако можно утверждать, что для рабочего диапазона используемого тепловизора 99% интенсивности излучения поглощается на глубине до 6 = 0.4 мм.
0.08
0.06
0.04
0.02
¿м/с
Рис. 1. а — пример мгновенной термограммы неизотермического смешения затопленных струй в тройниковом устройстве,
б — усредненное поле скорости методом ТТТ [15] (в цвете online)
Экспериментальные оценки толщины слоя проникновения средневолнового ИК-излучения практически не встречаются в литературе. В работе [8] на основе поправочных коэффициентов поглощения рассчитано, что для жидкой пленки температурой 90оС 50% детектируемого излучения регистрируется со слоя толщиной 5 = 24 мкм, что в пересчете на поглощение 95% соответствует слою 5 = 0.1 мм. При более низких температурах пленки регистрируемая толщина немного уменьшается.
Отсутствие данных связано со сложностью проведения таких оценок. На границе раздела жидкость— газ считается, что средневолновое ИК-излучение поглощается на поверхности. Глубина слоя воды, излучение с которого возможно зарегистрировать тепловизором, зависит от многих факторов: рабочего спектрального диапазона тепловизора, температуры воды, пропускающей способностей поверхности, через которую ведется наблюдение, и пр. В этой связи толщину излучающего слоя следует рассчитывать для условий конкретного эксперимента.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Экспериментальная установка
Для анализа глубины слоя воды, регистрируемого тепловизором, проведена серия экспериментов. В холодную воду быстро погружался нагретый диск Т^к = 20-60оС, прижатый к ИК-прозрачной стенке сосуда ребром (рис. 2). Разность температур в эксперименте составляла ¿Т = 5—30оС. Температура диска дополнительно измерялась пирометром перед каждым измерением. Радиус Я^к = 33 мм и толщина диска = 2 мм были выбраны для формирования протяженной зоны дуги в области контакта со стенкой. Погружение объекта со скоростями 1.5-10 см/с позволило минимизировать влияние распространения конвекции и теплопроводности в окружающей жидкости.
Рис. 2. Схема эксперимента для оценки толщины излучения водного слоя в среднем ИК-диапазоне (в цвете online)
Регистрация проводилась с использованием теп-ловизионной камеры FLIR SC7700, (3.7-4.8 мкм) с частотой съемки 100-115 Гц в полнокадровом режиме. Фокус тепловизора настраивался на внутреннюю стенку ИК-прозрачного окна толщиной 2 мм, изготовленного из фторида кальция с пропускающей способностью более 90% в рабочем диапазоне тепловизора. Таким образом, измерения динамики излучения центральной части движущегося затопляемого объекта, видимого тепловизором в пограничном слое воды, позволили количественно оценить регистрируемую толщину слоя воды.
2.2. Особенности регистрации динамических течений с помощью ИК-термографии
В общем случае неизотермические течения реализуются в условиях совместного протекания процессов теплопроводности, излучения и конвекции, которые проявляют себя на разных временных интервалах. Возможность высокоскоростной съемки
1.0 0.8 0.6
^ 0.4
0.2 0.0
г V- \ V-
л. • ч
А V Ат
% 4 Ъ А AM 'Л
Л
0
■ 7
•2
0
2
z, мм
4
6
8
2 3 z, мм
Рис. 3. а — поперечные профили, соответствующие термограмме справа, б — профиль и сама термограмма миры в воздухе
(в цвете online)
современными тепловизорами (до нескольких килогерц) позволяет поставить эксперимент для выделения наиболее быстрых процессов — регистрации компоненты теплового излучения жидкости из пограничного слоя — с минимальным влиянием теплопроводности и конвекции, характерные времена которых превышают интервал времени исследуемого быстропротекающего процесса.
Метод ИК-термографии быстропротекающих процессов применим для определенного класса течений. Поток должен быть неизотермическим, а само течение — динамическим, или турбулентным. В нестационарном потоке поля температур и скоростей являются следствием тепловых и механических взаимодействий [17]. Тепловое поле всегда зависит от гидродинамики течения. Турбулентный неизотермический поток имеет вихревую структуру, в котором вихри образуют «кластеры» одинаковой температуры. Здесь пульсации теплового поля обусловлены гидродинамикой течения, что приводит к корреляции пульсаций температуры и пульсаций скорости.
Для анализа влияния теплопроводности в эксперименте проведена оценка затухания температурной волны в момент погружения диска в воду на основе подхода, использующего идею метода периодического нагрева [18]. Температурная волна представляет собой решение уравнения теплопроводности с периодическими граничными условиями. Температурное возмущение в начальный период времени занимает строго ограниченную область, далее меняет свою форму и охватывает все пространство, т. е. не имеет фронта. Амплитуда колебаний температуры быстро затухает, поэтому температурная волна проявляет себя в области, не превосходящей длины волны.
Метод периодического нагрева применим для различных сред, в том числе и для жидких. В [19] представлены зависимости амплитуд пульсаций температуры затопленного зонда от скорости потока жидкости. Для скоростей менее 10 см/с амплитуда регистрируемых пульсаций падает менее чем на 10% относительно данных в покоящейся среде, что подтверждает возможность применения оценки в движущемся течении.
Обеспечивая в эксперименте равномерный нагрев диска до опускания и его быстрое погружение, мы можем оценить распространение тепловой волны для
одного колебания. В данном случае фазовая скорость температурной волны равна V = \f2aw, где а — температурная проводимость, w — круговая частота. При опускании со скоростью более 1.5 м/с это соответствует частоте w = 2а ~ 7.86 • 102 р^, или / = 2П ~ 125 Гц. Длина температурной волны на этой частоте соответствует расстоянию затухания волны:
Lw
= 2п\ — = 0.11 (мм).
w
Значение вклада температурной волны относительно регистрируемой области излучения диска составляет менее 5%, что меньше погрешности измерения в предложенном экспериментальном методе.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ
Цифровой анализ эволюции распределения мгновенной интенсивности излучения участка дуги ребра нагретого диска дает возможность оценить глубину зоны регистрации ИК-излучения в условиях эксперимента. Основная цель — выделить излучательную компоненту из тепловых процессов, связанных с присутствием нагретого движущегося тела в пристеночном слое воды.
Для полученных термограмм построены продольные и поперечные профили относительно направления погружения. Область максимальной интенсивности излучения соответствует области соприкосновения диска с ИК-прозрачным окном (рис. 3, а). Профили построены для начального временного интервала погружения диска (И < 0.3 с с момента появления объекта в кадре. На поперечном профиле значение толщины диска достигается в районе полувысоты профиля. Как видно на рис. 3, б, поперечные профили торца диска имеют колоколообразную форму. На термограмме штрихов миры при максимальной фокусировке мы наблюдаем тот же эффект (рис. 3, б), что может быть обусловлено аппаратной функцией тепловизора.
Толщина слоя воды 6, регистрируемого тепловизором в средневолновом ИК-диапазоне, рассчитывается на основе полученных тепловых полей в передней части диска. Перед диском регистрируется непосредственно излучательная компонента,
1
4
0
28.47
27.36 26.24
25.08 23.88 22.64 21.36 20.02 18.64 17.19 15.68
14.09 12.43 10.67 8.81
0
°С
°С 28.00 27.00 26.00 25.00 24.00 23.00
22.00 21.00 20.00 19.00 18.00 17.00 16.00 15.00 14.00 13.00 12.00 11.00
10.00 100
_м Мы. - — - 1
у ! ¡3 _1 ¥ \
/ 1 1 1 i С г V О
J Г 1 1 \ 1 i О
/ "1 \ ~1 1— с
Л / i 1 1 —1 L_i 1 О
jé 1 !_ 1 1_ i >
A г 1 1 О
ЩГ 1 1 JL р Zd
/ - 1 i 1Г аь
i 1 1_ Л о О
1 1 1 i Ö О
г _" 1 i i i i i • о
' Ш2 1 i 1 1 у о о
i 1 \ о Ä
1 1 _1 м у
1 1 i
_у
120 140 160 180 200 220 240 260 280 300
px
Рис. 4. а — Термограмма затопленного диска при опускании, б — продольный и поперечный профили диска
в соответствии с термограммой а (в цвете online)
0 4 8 12 16 20 24 28
ат, °с
Рис. 5. Зависимость толщины проникновения средневолнового ИК-излучения от температуры объекта
т. к. конвективная компонента развивается за значительно большие времена и не фиксируется на мгновенном изображении. Она распространяется за диском в виде следа. Отрезок продольного профиля от полувысоты до максимального значения профиля принимается за излучение от диска.
На основании полученных термограмм рассчитана толщина проникновения ИК-излучения, которая для температур ¿Т = 15—30оС равна 5 = 0.16 ± 0.02 мм. Зависимость глубины поглощения от температуры диска для более широкого температурного диапазона ¿Т = 5—30оС представлена на рис. 5. При увеличении температуры ¿Т между диском и окружающей жидкостью измеряемая толщина слоя воды имеет тенденцию к увеличению.
ВЫВОДЫ
В работе проанализированы возможности ИК-тер-мографии при регистрации динамических процессов в пристеночном слое воды. Проведены эксперименты по исследованию толщины слоя воды, прозрачного для инфракрасного излучения. Различный масштаб конвективного и радиационного переносов позволил выделить собственно излучательную компоненту при термографической регистрации быстропротекающих процессов. Выделен поток излучения, испускаемого с поверхности нагретого тела, погружаемого в контакте с окном в воду со скоростью до 10 см/с; показано, что для условий экспериментов толщина проникновения не превышает 5 = 0.2 мм. Получена экспериментальная зависимость толщины слоя проникновения ИК-излучения в спектральном диапазоне (3.7-4.8 мкм) для различной величины температурного контраста, dT = 5—30oС.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 19-79-00162.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. 2-е изд., доп. М.: Спектр, 2013.
2. Leontiev A.I., Kiselev N.A., Burtsev S.A. et al. // Exp. Therm. Fluid Sci. 2016. 79. P. 74.
3. Kiselev N.A., Leontiev A.I., Vinogradov Yu.A. et al. // International Journal of Thermal Sciences. 2019. N 136. P. 396.
4. Simon B., Filius A., Tropea C., Grundmann S. // Exp Fluids. 2016. 57:93
5. Carlomagno G.M., Cardone G. // Exp Fluids. 2010. 49. P. 1187.
6. Judd K.P., Smith G.B., Handler R.A., Sisodia A. // Phys. Fluids. 2008. N 20. 115102.
6
a
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА
35
7. Rohlf W., Haustein H. D., Garbrecht O., Kneer R. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. 55, N 25-26. P. 7728.
8. Dupont J., Mignota G., Paladino D., Prasser H. // Nuclear Engineering and Design. 2018. N 336. P. 80.
9. Nakamura H., Shiibara N., Yamada S. // International Journal of Heat and Fluid Flow. 2017. N 63. P. 46.
10. Carlomagno G.M., Ianiro A. // Exp. Thermal Fluid Sci. 2014. N 58. P. 15.
11. Большухин М. А., Знаменская И. А., Фомичев В. И. // Доклады Академии наук. M.: Наука. 2015. 465. № 1. C. 38.
12. Знаменская И. А., Коротеева Е.Ю., Новинская А.М., Сысоев Н.Н. // ПЖТФ. 2016. №13. С. 51. (Znamenskaya I. A., Koroteeva E. Yu, Novinskaya A. M., Sysoev N. N. // Technical Physics Letters, Pleiades Publishing, Ltd (Road Town, United Kingdom). 42, N 7. P. 686.)
13. Koroteeva E., Znamenskaya I., Ryazanov P., Novinskaya A. // PSFVIP-11. 2017. Kumamoto, Япония. 0871-087-3.
14. Знаменская И. А., Коротеева Е.Ю., Новинская А.М., Рязанов П.А. // РНКТ-7. 2018.
15. Znamenskaya I., Koroteeva E., Shagiyanova A. // Journal of Flow Visualization and Image Processing. 2019. 26, N 1. P. 49.
16. Zolotarev V.M., Mikhilov B.A., Alperovich L.L., Popov S.I. // Optics and Spectroscopy. 1969. 27. P. 430.
17. Кутеладзе C.C. Основы теории теплообмена. Изд. 5-е, перераб. и доп. М.: Атомиздат, 1979.
18. Филлипов Л. П. Измерение теплофизических свойств методом периодического нагрева. М.: Энергоатомиздат, 1984.
19. Кравчун С.Н., Липаев А. А. Метод периодического нагрева в экспериментальной теплофизике. Изд. Казанского университета, 2006.
Analysis of the Visualization Region in Near-Wall Fluid Layer by High-Speed Infrared Thermography
A.M. Shagiyanovaa, E.Yu. Koroteeva6, I.A. Znamenskayac, M.E. Dashyan, L.A. Blagonravov, N. N. Sysoev
Department of Molecular Processes and Extreme Matter States, Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University. Moscow 119991, Russia.
E-mail: ashagiyanova@physics.msu.ru, bkoroteeva@physics.msu.ru, cznamen@phys.msu.ru.
The capabilities of infrared thermal imaging at a rate of over 100 Hz to measure thermal fields of nonisothermal boundary liquid layer through an infrared-transparent window are analyzed. Experiments have been carried out to conduct an integrated estimate of the recorded water layer thickness for various conditions; it was shown that the penetration depth of infrared radiation in the operating range of the thermal imager (3.7-4.8 ^m) does not exceed 0.2 mm.
Keywords: infrared thermography, radiation, submerged flows, liquid. PACS: 47.80.Jk, 44.20.+b, 44.40.+a. Received 29 November 2019.
English version: Moscow University Physics Bulletin. 2020. 75, No. 2. Pp. 143-147.
Сведения об авторах
1. Шагиянова Анастасия Михайловна — аспирант; тел.: (495) 939-27-41, e-mail: shagiyanova@physics.msu.ru.
2. Коротеева Екатерина Юрьевна — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; тел.: (495) 939-27-41, e-mail: koroteeva@physics.msu.ru.
3. Знаменская Ирина Александровна — доктор физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 939-44-28, e-mail znamen@phys.msu.ru.
4. Дашян Марк Эрикович — студент; e-mail: mark.dashyan@gmail.com.
5. Благонравов Лев Александрович — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-43-88, e-mail: blagonravovla@mail.ru.
6. Сысоев Николай Николаевич — доктор физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 939-44-28, e-mail: nn.sysoev@physics.msu.ru.
