CC BY
18
УДК 535.8
ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ЛОКАЛЬНОЙ И ПОЛЕВОЙ ДИАГНОСТИКИ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ ПОТОКОВ
Андрей Петрович Белоусов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физики, тел. (383)346-06-77, e-mail: [email protected]
Пётр Яковлевич Белоусов
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, кандидат технических наук, доцент кафедры оптических информационных технологий, тел. (383)346-23-12, e-mail: [email protected]
Леонид Александрович Борыняк
Новосибирский государственный технический университет, 630073, Россия, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, доктор физико-математических наук, профессор кафедры общей физики, тел. (383)346-06-77, e-mail: [email protected]
Часть современных технологий тепловой и атомной энергетики, химического производства, трубопроводного транспорта и т.п. основана на использовании многофазных потоков. Интенсивное развитие этих технологий приводит к проблеме совершенствования методов диагностики физических параметров газожидкостных смесей. В статье представлен ряд оригинальных локальных и полевых оптических систем определения скорости, пространственного распределения, геометрических параметров элементов дисперсной фазы в пузырьковых, газокапельных, пленочных течениях.
Ключевые слова: оптические измерительные технологии, доплеровские анемометры, обработка изображений, газожидкостные течения.
OPTICAL SYSTEMS OF LOCAL AND SPATIAL GAS-LIQUID FLOWS DIAGNOSTICS
Andrey P. Belousov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, K. Marks pr., 20, Ph. D., tel. (383)346-06-77, e-mail: [email protected]
Petr Ya. Belousov
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, K. Marks pr., 20, Ph. D., tel. (383)346-23-12, e-mail: [email protected]
Leonid A. Borynyak
Novosibirsk State Technical University, 630073, Russia, K. Marks pr., 20, D. Sc., tel. (383)346-06-77, e-mail: [email protected]
Part of the current technologies of thermal and nuclear power engineering, chemical industry, pipeline transport, etc. based on the multiphase flows using. Intensive development of these technologies leads to the problem of improving the methods of diagnosing the gas-liquid mixtures physical parameters. The paper presents a number of original local and spatial optical systems to the speed, spatial distribution, the geometric parameters of the dispersed phase elements in the bubble, gas-drop, and film determination.
Key words: optical measurement technologies, Doppler anemometers, image processing, gasliquid flows.
Некоторые современные технологии тепловой и атомной энергетики, химической (в частности нефтехимической) промышленности, трубопроводный транспорт основываются на использовании гидромеханических систем, содержащих вещества в различных фазовых состояниях, прежде всего газовых и жидкостных. Процессы, происходящие в таких системах на протяжении нескольких десятков лет, активно изучаются в исследовательских лабораториях, что отражено в большом числе опубликованных работ. Повышение эффективности работы промышленных установок в существенной степени определяется пониманием динамики происходящих в них процессов. Приведенные в литературных источниках данные не всегда позволяют построить цельную картину явлений, выделить факторы, оказывающие определяющее влияние на гидродинамические процессы. Ввиду сложности задач, расчетные модели, применяемые в настоящее время, требуют привлечения больших объемов экспериментальной информации, полученных с применением не возмущающих течение измерительных технологий, наиболее предпочтительными из которых, являются оптические. Ввиду наличия большого количества границ раздела при изучении потоков иногда необходимо использование контактных зондовых методов. В статье представлены современные перспективные оптические системы диагностики газожидкостных потоков пригодные для решения широкого ряда задач современной экспериментальной гидромеханики [1].
В случае высокой концентрации дисперсной фазы огромное количество границ раздела делает оптические технологии малоэффективными. Один из способов передачи информации из интересующей области в область фиксации - использование оптических волокон. Взаимодействие зонда с границами раздела фаз приводит к их деформации, что ухудшает точность измерений. Авторами предложен метод определения размеров дисперсной фазы до момента контакта с зондом, улучшающий характеристики системы.
На рис. 1. Представлена схема оптоволоконного зонда. Излучение He-Ne лазера (632,8 нм) вводится в одномодовое оптическое волокно. После взаимодействия с границей раздела, часть излучения возвращается обратно в волокно, отклоняется призмой Волластона, попадает на фотоприемное устройство и в дальнейшем анализируется. Уровень фототока определяется показателем преломления среды, в которой находится торец волокна. Процесс взаимодействия зонда с элементом дисперсной фазы состоит из двух этапов: первый - от момента обнаружения пузырька системой до момента контакта с датчиком, второй - зонд находится в пузырьке. Анализ преобразований гауссова пучка при взаимодействии со сферическими границами раздела показывает, что первый этап может быть использован для получения информации о размере пузырька до момента контакта с зондом. На рис. 2 приведена зависимость чувствительности (расстояния, на котором система начинает фиксировать границу раздела) от радиуса пузырька для уровня сигнала, составляющего величину У от макси-
мального значения. Чувствительность - однозначная функция радиуса пузырька, что используется для определения его размеров.
Рис. 1. Оптоволоконный зонд
Рис. 2. Зависимость чувствительности от радиуса пузырька
Сравнение результатов, полученных при помощи данного метода с время-пролетной методикой (диаметр пузырька -1,7 мм) показало эффективность предлагаемого подхода при изучении пузырьковых потоков [2].
Если концентрация дисперсной фазы невысока, используют стандартные методы гидромеханических исследований. Лазерная доплеровская диагностика хорошо зарекомендовала себя в газовых и жидкостных однофазных течениях. С развитием фазовых методов доплеровской анемометрии, интерес к применению традиционных оптических схем в двухфазной гидродинамике снизился. Остался ряд нерешенных вопросов касающихся формирования доплеровского сигнала элементами дисперсной фазы. Авторами проведен ряд исследований, позволяющих эффективно использовать стандартные оптические схемы для диагностирования газожидкостных течений. На рис. 3 представлен лазерный допле-ровский анемометр (ЛДА) на обратном рассеянии с опорным пучком. Пузырек, движущийся в жидкости, испытывает деформации при взаимодействии с препятствиями или неоднородностями потока. Передняя и задняя границы пузырька перемещаются с различными скоростями, что отражается на структуре доп-леровского сигнала. Анализ процесса взаимодействия лазерного излучения с границами раздела показал возможность изучения динамики дисперсной фазы. В текстовом эксперименте была зафиксирована деформация пузырька на плоском горизонтальном препятствии [3]. Изучение преобразования гауссова пучка сферическими границами раздела сред показало, что в сигнале на выходе фотоприемного устройства должны присутствовать максимумы, положение которых определяется радиусами кривизны поверхностей. Исследования тестовых объектов (сфер и пузырьков) различных радиусов показало возможность получения информации о размере и скорости дисперсной фазы [4].
Не—N6- лазер (А = 632,8 нм)
Система обработки
Капля жидкости
Рис. 3. Лазерный доплеровский измеритель скорости с опорным пучком
Движущиеся в среде пузырьки и капли совершают колебания на собственных частотах. Изучено формирование сигнала в дифференциальной схеме ЛДА, изображенной на рис. 4 частицами дисперсной фазы.
Рис. 4. Дифференциальная схема ЛДА
Система содержит He-Ne лазер 1, фазовую пластинку 2, поворотные призмы 3, 4, линзы 5 и 6, два акустооптических модулятора бегущей волны 7 и 9, взаимно ортогонально ориентированные, за которыми помещены линзы 8 и 10, зеркало с диафрагмами 11, составной объектив 12. На пути рассеянного пучка, ограниченного апертурой 12 и отраженного зеркалом 11 последовательно установлены поворотное зеркало 13, микрообъектив 14 и фотоприемник 15. Показано, что содержащаяся в доплеровском сигнале информация о собственных колебаниях может быть использована для одновременного измерения скорости и размера дисперсной фазы. Проведены тестовые эксперименты подтвердившие эффективность разработанного метода применительно к пузырьковым и капельным потокам [5].
В настоящее время все большую популярность приобретают методы полевой диагностики течений. В качестве примера можно привести системы измерения полей скорости по изображениям частиц (Particle Image Velocimeter, Particle Tracking Velocimeter) и их модификации. Адаптация вышеприведенных устройств к измерениям в многофазных потоках требует рассмотрения процесса формирования изображения дисперсной фазы. Как показали результаты исследований, проведенных авторами, применение диффузных источников освещения делает границу раздела сред видимой (см. рис. 5). Полученная информация используется для восстановления пространственного распределения и гео-
метрических параметров элементов дисперсной фазы методами цифровой обработки изображений. Проведены тестовые эксперименты в пузырьковых, капельных и пленочных потоках, показавшие высокую эффективность предложенного подхода [6 - 10].
Рис. 5. Диффузное освещение границы раздела фаз
В статье представлен ряд локальных и полевых оптических методов диагностики газожидкостных потоков применяемых авторами для получения информации о дисперсном составе и пространственном распределении дисперсной фазы в пузырьковых, капельных и пленочных течениях. Рассмотрение процессов формирования оптического сигнала границами и элементами дисперсной фазы позволило улучшить характеристики существующих оптоволоконных, лазерных доплеровских и полевых систем. Анализ практической применимости на базе тестовых экспериментов, сравнение с результатами, полученными альтернативными методами доказали высокую эффективность предлагаемых методов в диагностике газожидкостных течений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Белоусов А. П. Оптическая диагностика многофазных потоков: учеб. пособие / А. П. Белоусов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - 227 с.
2. Белоусов А. П., Белоусов П. Я., Борыняк Л. А. Математическая модель взаимодействия оптического зонда с пузырьками газа // Доклады ТУСУРа. - 2012. - № 1 (25), часть 1. -С. 93-99.
3. Белоусов А. П., Белоусов П. Я., Борыняк Л. А. Доплеровская диагностика дисперсной фазы в газожидкостных потоках // Научный вестник НГТУ. - 2013. - №4 (53). - С. 63-69.
4. Белоусов А. П., Белоусов П. Я., Борыняк Л. А. Измерение диаметров пузырьков и капель методом доплеровской анемометрии // Автометрия. - 2013. - № 2 (49). - С. 106-114.
5. Белоусов А. П., Белоусов П. Я., Борыняк Л. А. Определение скорости и размера пузырьков в двухфазных потоках с помощью лазерного доплеровского анемометра // Автометрия. - 2015. - № 6 (51). - С. 47-51.
6. Белоусов А. П., Белоусов П. Я. Метод измерения дисперсного состава и локального газосодержания газожидкостных потоков // Автометрия. - 2008. - № 2 (44). - С. 50-55.
7. Белоусов А. П. Пространственное распределение газовой фазы в осесимметричной затопленной импактной струе // Прикладная механика и техническая физика. - 2009. - № 4 (50). - С. 33-38.
8. Белоусов А. П., Белоусов П. Я. Измерение толщины пленки жидкости, движущейся по сферической поверхности // Автометрия. - 2010. - № 6 (46). - С. 116-121.
9. Белоусов А. П., Белоусов П. Я. Оптическая диагностика газокапельных потоков // Автометрия. - 2011. - № 1 (47). - С. 110-114.
10. Белоусов А. П., Белоусов П. Я., Борыняк Л. А. Применение метода диффузного освещения в диагностике газожидкостных потоков // Доклады ТУСУРа. - 2012. - № 1 (25), часть 1. - С. 229-240.
© А. П. Белоусов, П. Я. Белоусов, Л. А. Борыняк, 2016
