Экспериментальное Исследование концентрации частиц естественного происхождения в до3вуковых аэродинамических трубах Текст научной статьи по специальности «Физика»

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ Ц А Г И Т о м X 19 7 9

№ 2

УДК 533.6.071.4

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ ЕСТЕСТВЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ДОЗВУКОВЫХ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ТРУБАХ

И. А. Белов. Э. В. Лрюкова, #. Ш. Флаксман, В. /7. Янков

Излагается методика экспериментального исследования концентрации и спектра размеров аэрозольных частиц естественного происхождения в потоках дозвуковых аэродинамических труб. Использованы два различных метода математической обработки экспериментальных данных, результаты применения которых удовлетворительно совпадают между собой. Исследования, проведенные в аэродинамических трубах как с закрытой, так и с открытой рабочими частями, позволили выяснить характер изменения по времени концентрации частиц аэрозоля.

В связи с внедрением в практику аэродинамического эксперимента метода лазерного допплеровского измерения скорости (ЛДИС) газового потока по скорости мелких частиц, движущихся с потоком, возникает необходимость исследования концентрации и спектра размеров этих частиц.

В настоящее время выполнен ряд работ [1 3], демонстрирующих возмож-

ности измерения скорости методом ЛДИСа по светорассеянию частицами естественного аэрозоля как в дозвуковых, так и сверхзвуковых аэродинамических трубах. Параметры естественного аэрозоля обусловливаются сложным комплексом метеорологических и геофизических явлений и могут существенным образом изменяться во времени |4]. Наряду с атмосферным аэрозолем в потоках присутствуют твердые частицы пыли и поэтому возникает необходимость изучения параметров частиц естественного происхождения в потоках аэродинамических труб.

В данной работе исследовались концентрация и спектр размеров частиц в двух дозвуковых аэродинамических трубах, одна из которых имела закрытую рабочую часть, другая -открытую рабочую часть. Для определения параметров частиц использовался лазерный оптический многопороговый счетчик, описанный в [5]. Расчет плотности распределения частиц по размерам и концентрации аэрозоля проводился двумя методами, основные положения которых описаны в [6, 1).

I. Методика определения параметров аэрозоля. Принцип действия используемого в работе лазерного оптического счетчика частиц основан на зависимости интенсивности рассеянного света от размера частиц, пересекающих лазерный луч, сфокусированный в заданную точку исследуемого потока [5]. На фокальную точку сфокусирована оптическая система фотоприемника, направляющая рассеянный частицами свет на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ).

Измерительный объем, формируемый оптической системой, достаточно мал с тем, чтобы в нем одновременно находилось не более одной исследуемой частицы. Электрические сигналы на выходе ФЭУ усиливаются и регистрируются электронносчетным частотомером. При изменении напряжения на ФЭУ меняется коэффициент усиления в электрической цепи и, следовательно, порог срабатывания счетчика частиц по отношению к световому потоку, рассеянному частицами. Производя измерения при разных порогах срабатывания, можно" определить спектр размеров частиц.

Число частиц, регистрируемых прибором при Заданном коэффициенте усиления ФЭУ к9, составляет:

СО

N (£?) = с2 ^ /,„/*--------! п (а) (іа , (*)

ММ 1'

где С), с2 — постоянные, определяемые параметрами экспериментальной установки [5], а — диаметр частицы аэрозоля, к,.^ — коэффициент усиления ФЭУ, при котором происходит срабатывание частотомера в условиях калибровки [5], тся „ -

р = -г— — относительный размер частицы, к - длина волны светового излучения,

Л ‘

/г—апертура фотоприемника, п (а)— плотность распределения частиц по разме-

с, к..

рам, а0(к ) — определяется из уравнения: / (р) = —^, Ц?, в) — функция светорассеяния, полученная по таблицам [8], рассчитанным на основании теории Ми для сферических частиц с показателем преломления 1,3, /(?)= |" і (р, 0) ЛР,

'р

0 — угол рассеяния света. Угол рассеяния света при проведении экспериментов в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью был равен 10°, а в трубе с закрытой рабочей частью—5°. В качестве источника света использовался гелий — неоновый лазер, работающий на длине волны излучения 0,6328 мкм. В силу малости апертуры фотоприемника приведенная выше формула для расчета /(р) упрощается:

/(Р) = /(Р, в) Р.

Интегральное уравнение (1), к решению которого сводится расчет плотности распределения частиц по размерам п (а), является уравнением Вольтерра

1 рода, левая часть которого N (1г^) определяется экспериментально, а следовательно, приближенно. Задача решения таких уравнений относится к классу некорректно поставленных задач [7). Для определения функции я (а) использовалось два метода. Один из этих методов сводился к прямой алгебраизации исходного интегрального уравнении по формуле прямоугольников и сведению его тем самым к системе линейных алгебраических уравнений, которая решалась методом исключения. (Основные положения этого метода решения интегральных уравнений изложены в [6]). Кроме того, при использовании прямой алгебраизации осуществлялось предварительное сглаживание экспериментальных данных с помощью специальной интерполяционной процедуры. Другой используемый метод восстановления п (а) основан на регуляризирующем алгоритме А. Н. Тихонова [7]. При этом в качестве априорной информации об искомом решении использовалась информация о его степени гладкости.

В ряде случаев для целей ЛДИСа, а также для облегчения применения методов математической обработки, упомяьутых выше, оказывается более целесообразным рассматривать вместо функции п (а) плотность распределения частиц по интенсивности светорассеяния п* (Цр, в)), определяемую по формуле:

п* (І (р, 6)) = п(а) I ^ 6) .

Однако взаимный переход между функциями п*(і(р, 6)) и я (а) возможен только в случае взаимно-однозначного соответствия между величинами а и Цр, 0), а это, как видно из таблиц [8], не всегда имеет место в рассматриваемом диапазоне р и В. Поэтому при расчете плотности распределения частиц по размерам функция светорассеяния і (р, 0) в областях неоднозначности р = 5-*-13 для 0 = 10° и р = 7-4- 12,5 для 0 = 5° заменялась на линейную. Как показали результаты исследований, такая аппроксимация вполне правомочна из-за относительно небольших значений N (£,), регистрируемых прибором в этих областях.

2. Результаты исследований параметров частиц естественного происхождения. Исследования параметров аэрозоля проводились на двух аэродинамических трубах. В трубе с открытой рабочей частью исследования проводились в диапазоне скоростей 10 — 90 м/с, в трубе с закрытой рабочей частью в диапазоне скоростей 10 —: 45 м/с.

Для каждого режима работы трубы определялись концентрация и спектр размеров частиц, а также плотность распределения частиц по интенсивности рассеянного света.

. Для трубы с открытой рабочей частью исследовались зависимости характеристик аэрозоля от времени и от погодных условий (рис. 1—3). Контроль за изменением числа регистрируемых прибором частиц по времени осуществлялся

НО 50

0 10 20

Рис. 1

мин

при фиксированном напряжении на ФЭУ («а=1350 В), соответствующем максимальной чувствительности прибора.

Приведенные на рис. 1 зависимости показывают на изменение концентрации аэрозоля по времени При пуске трубы или при переходе на режим с более высокой скоростью в течение первых минут наблюдается, как правило, рост числа частиц за счет срыва частиц пыли потоком воздуха со стенок трубы. Затем количество частиц в потоке убывает со временем. Время установления стационарного режима составляло 20—25 мин. Убывание числа частиц по времени можно объяснить рядом причин: инерционным осаждением частиц на направляющих лопатках трубы вследствие изменения направления потока, осаж»

Рис. 3

дением частиц на стенках из-за электризации [9) и т. д. Плотности распределения частиц по размерам, приводимые ниже, получены по экспериментальным данным, снятым в стационарном режиме.

Как показали проведенные в течение недели исследования, уровень концентрации естественного аэрозоля в аэродинамической трубе связан с погодными условиями. На рис. 2 приведены зависимости концентрации аэрозоля от времени для двух дней наблюдения, отличающихся содержанием влаги в воздухе атмосферы. При увеличении относительной влажности воздуха А на несколько процентов уровень концентрации аэрозоля в потоке уменьшается от двух до восьми раз. Приведенные на рис. 3 зависимости концентрации аэрозоля от времени в потоке постоянной скорости, полученные в течение дня, также указывают на зависимость уровня концентрации естественного аэрозоля в потоке от состояния атмосферы. В условиях повышенной влажности (вечерние часы работы) уровень концентрации аэрозоля в потоке значительно понижался.

Результаты расчета плотности распределения частиц аэрозоля по интенсивности светорассеяния приведены на рис. 4 (аэродинамическая труба с открытой рабочей частью) и на рис. 5 (аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью). Сравнение двух используемых методов математической обработки экспериментальных данных, проиллюстрированное на рис. 5, показывает удовлетворительное совпадение результатов расчета, полученных с помощью этих методов. (Здесь сплошные кривые соответствуют прямой алгебраизации с предварительным сглаживанием экспериментальных данных, а пунктирные—методу регуляризации).

Исследование параметров аэрозоля в потоках показало, что плотность распределения частиц по интенсивности светорассеяния (размеру) резко убывает (рис. 4, 5). Как следует из приведенных зависимостей, основной вклад в концентрацию частиц вносят частицы с диаметром ^0,9 мкм. Измерения показали, что относительная доля крупнодисперсной фракции аэрозоля (а > 1 мкм) в трубе с открытой рабочей частью значительно больше, чем в трубе с закрытой рабочей частью.

Рис. 4

см

480

400

320

140

160

ВО

О

■ю.

4 1 V-20 м/с 1 Л

XI I \Х 10

Ж'У/ мег&вд прзмок алгвВраизации. метод регул*риг ^ заци.4

\\\\ V?

щ

1,8 2,0 2,2 2,4 2,6 2,8 Ц с (р)

—1____________I_________1_

0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 а,шм Рис. 5

/'—аэродинамическая труба с открытой рабочей частью;

2—аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью

Рис. 6

]]_.Ученые записки" М 2 ]41

Наиболее существенно отличались характеристики естественного аэрозоля по характеру зависимости концентрации регистрируемых прибором частиц С от

'шах \

СМ. рис.6, С= ^1* /тіп = «(ршіп. в). «тах = *(Ртах. 9) ]•

*тіп '

Как видно из приведенных на рис. 6 результатов, уровень концентрации частиц в аэродинамической трубе с открытой рабочей частью заметно зависит от скорости потока и имеет минимум при V = 50 м/с. Концентрация частиц для этой трубы в области размеров 0,7<!а<3 мкм в диапазоне скоростей потока 10 — 80 м/с составляла 15— 120 см~з (рис. 6, а). В то же время уровень концентрации частиц в аэродинамической трубе с закрытой робочей частью мало меняется с изменением скорости потока (рис. 6, б). Концентрация частиц для этой трубы в области размеров 0,65<!а<;1,4 мкм в диапазоне скоростей потока 10 — 45 м/с составляла 15 — 20 см-3. Для сравнения на рис. 6, а представлены уровни концентрации аэрозольных частиц с размерами 0,65^а<;1,4 мкм, полученные в потоке аэродинамической трубы с открытой рабочей частью в диапазоне скоростей 10 — 50 м/с.

Полученные результаты показывают, что при использовании частиц естественного происхождения в методе ЛДИС можно производить до 3000 измерений в секунду в потоке аэродинамической трубы с открытой рабочей частью и порядка 300 измерений в секунду в трубе с закрытой рабочей частью.

Авторы благодарят Блиновскую Гг. М. за помощь в проведении экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гродзовский Г. Л., Б р ы с о в О. П., Кузнецов Ю. Е., М о з о л ь к о в А. С., Петуния А. Н., Ш у м и л к и н В. Г. Исследование средних и пульсационных скоростей в следе и профильного сопротивления крыльев с помощью лазерного допплеровского измерителя скорости. „Ученые записки ЦАГИ“, т. 8, № 2, 1977.

2. Блиновская Е. М., Захарченко В. М., Мозоль-ков А. С., Шалаев В. И. Лазерное допплеровское измерение скорости воздушного потока на естественной запыленности воздуха. Труды ЦАГИ, вып 1755, М., 1976.

3. Ion son D. A. Turbulence measurements in a Macli 2,9 bondary layer using laser velocimetry. „А1АА J“, vol. 12, N 15, 1974.

4. Капустин В. H., Любовцева Ю. С. Относительная влажность и параметры естественного аэрозоля. .Физика атмосферы и океана”, т. 2, № 9, 1975.

5. Я н к о в В. П. Исследование параметров аэрозольных частиц в измерительном объеме ЛДИСа. Труды ЦАГИ, вып. 1755, 1976.

6. Петровский И. Г. Лекции по интегральным уравнениям. М., .Наука", 1965.

7. Тихонов А. Н., Арсенин В. Я. Методы решения некорректных задач. М., „Наука", 1974.

8. Ш и ф р и н К. С., Зельманович И. Л. Таблицы матриц рассеяния и составляющих „рассеянного поля". Л., Метеоиздат, 1968.

9. Фукс Н. С. Успехи механики аэрозолей. М., Изд-во АН СССР,

1961.

скорости потока v

Рукопись поступила 25IVIII 1977 г.