CC BY
44
УДК 629.7.05
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИГНАТУР ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ В ИК ДИАПАЗОНЕ
А.Г. Зимин, С.И. Стреляев, О.А. Фомичева
Рассмотрены особенности постановки нестационарных задач теплообмена, решение которых необходимо для получения подробных тепловых портретов объектов инфраструктуры на подстилающей земной поверхности с учетом особенностей ландшафта местности.
Ключевые слова: приемник излучения, подстилающая поверхность, инфракрасное излучение.
Программное обеспечение автоматических систем поиска и распознавания наземных объектов беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) должно реализовывать сложные алгоритмы селекции, так как подстилающий фон очень многообразен и может включать различные объекты естественного и антропогенного происхождения. Всесуточность и всепогод-ность работы названных систем требует применения многодиапазонных приемников излучения (ПИ), чувствительных, в том числе и в окнах прозрачности 3...5 и 8...14 мкм. При отработке алгоритмов селекции инструментарием исследователя является физическое и математическое полунатурное моделирование. Для его проведения необходимы спектральные карты разнообразных фоновых сюжетов. Получение карт путем аэросъемки или дистанционного зондирования Земли для конкретного сюжета требует очень больших временных затрат и материальных затрат из-за возможных сезонно-суточных изменений. Известные экспериментальные данные метеорологии, климатологии и агрофизики не обладают достаточной полнотой.
В средней области ИК диапазона уровень сигнала ПИ определяется текущими значениями термодинамической температуры и излучательно-отражательными свойствами поверхности, а также ослаблением излучения атмосферой. Перечисленные характеристики обусловливаются географической широтой, климатической зоной, временем года и суток, типом фона (рис. 1). В основу моделирования ИК излучения подстилающей поверхности (ПП) должно быть положено соотношение закона Планка, устанавливающее спектральное распределения интенсивности излучения в зависимости от температуры [1]. Исходными данными для моделирования параметров внешней среды являются район, момент времени и статистические данные. Момент времени моделирования случайных процессов изменения взаимосвязанных атмосферных параметров определяется датой и временем суток.
\
Рис. 1. Структурная схема моделирования природно-климатических факторов
В соответствии со значениями продолжительности сочетания температуры воздуха и скорости ветра [3], строятся таблицы вероятностей появления определенных скоростей ветра для различных интервалов температуры воздуха в конкретном географическом районе. Направление ветра выбирается равновероятно относительно сторон света.
Моделирование внешней среды позволяет определить характеристики ветра на представительном ландшафтном участке местности, что достаточно для дальнейшего моделирования теплового состояния подстилающей земной поверхности. Однако неоднородность земной поверхности, выраженная сложной картиной рельефа, оказывает значительное влияние на характеристики ветра в приземном слое атмосферы. Поэтому для расчетов теплового портрета объекта необходимо оценить рассчитанные по статистической модели значения скорости ветра в соответствии с конкретными ландшафтными характеристиками места нахождения объекта.
В монографии [2] приведены данные измерений скорости ветра для пяти наиболее типичных схем сочетания элементов ландшафта. Анализ показывает, что для наветренной и подветренной сторон даже при поперечном обтекании протяженных аэродинамических препятствий типа лесопосадок разница в приземной скорости ветра на дистанции 200 м незна-
чительна и практически постоянна. Напротив, расположение объекта на подветренной стороне леса либо окраины поселка, на дне неглубокой пологой лощины, приводит к относительному уменьшению скорости обтекания потока на 90 - 200 %, а в результате перемещения на 40 м по пологому склону холма при изменении высоты лишь на 1 м скорость увеличивается на 45 %. Столь значительные вариации скорости потока могут (как показывают результаты трехмерного математического моделирования) весьма существенно изменить тепловой контраст объекта / фон в случае, например, неподвижного объекта, остывающего после движения.
Возвращаясь к вопросу моделирования теплового состояния подстилающей земной поверхности, отметим, что анализ показывает целесообразность рассмотрения минимально необходимого набора фоновых поверхностей земли: трава зеленая, трава выгоревшая, лесопосадка, пологий песчаный берег, пашня, открытый грунт во дворе, пруд, мост бетонный, дорога асфальтированная, заснеженное поле. Процентное соотношение встречаемости различных поверхностей по месяцам с учетом распределения типов поверхностей для Центрального района России приведено в [2].
Процесс математического моделирования термодинамических температур является довольно непростым, поскольку физическая модель теплообмена между земной поверхностью и окружающим пространством должна не только отражать особенности сочетания всех способов переноса теплоты (теплопроводности, конвекции и излучения), но и учитывать зависимость теплофизических характеристик различных типов грунтов и материалов объектов ПП от температуры, плотности, влажности, пористости.
При моделировании диапазона 3...5 мкм необходимо учитывать, что здесь излучение ПП в определяющей степени является не собственным, а отраженным. Величина отражения солнечной радиации земной поверхностью, зависящая от ее вида, характеризуется величиной альбедо поверхности - отношением количества отраженной радиации к общему количеству падающей. Альбедо большинства почв лежит в пределах 10.30 % (с ростом влажности уменьшается), однако у влажного чернозема снижается до 5 %, а у сухого светлого песка достигает 40 %. Для растительного покрова - леса, луга, поля - значение составляет 10.25 %. Поверхность свежевыпавшего снега отражает 80.90 % лучистой энергии, давно лежащего - 50 % и ниже. Альбедо водной поверхности для прямой радиации меняется от нескольких процентов при высоком Солнце до 70 %, при низком. Для рассеянной радиации альбедо водных поверхностей равно 5.10 %.
Охватить всю гамму перечисленных видов и типов ПП практически неосуществимо. Реальным решением представляется группирование типов ПП по близости спектральных яркостей излучения, измеренных экспериментально в конкретных атмосферно-климатических условиях. Количество
таких групп определяется требуемой степенью детальности моделирования фонового сюжета, а практически ограничивается количеством и точностью располагаемых экспериментальных измерений.
Анализ известных результатов практических замеров показал, что для достаточно подробного моделирования наиболее «пестрой» картины 1111, соответствующей ясному летнему дню, довольно ограничиться 7 - 8 группами видов ПП, в каждую из которых входят от 1 до 7 типов поверхностей, охватывающих как естественные природные образования, так и объекты инфраструктуры. В зимних условиях средних широт число таких групп (особенно при наличии снежного покрова) снижается в разы.
Список литературы
1. Методика моделирования подстилающей земной поверхности как теплового фона / С.И. Стреляев, В.В. Русин, С.В. Слепцов, Е.Г. Шин, Д.Е. Щепилин // Известия ТулГУ: сб. статей. Тула, 2004. С. 81 - 94.
2. Анапольская Л.Е. Режим скоростей ветра на территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1961.
3. Исаченко В. П., Теплопередача: учебник для вузов, изд. 3-е пере-раб. и доп./ Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. М.: Энергия, 1975. 488 с.
Зимин Артем Германович, аспирант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Стреляев Сергей Иванович, д-р техн. наук, профессор, sergeystrel@rambler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Фомичева Ольга Анатольевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEATURES OF MODELING THE SIGNATURES OF THE UNDERGROUND EARTH SURFACE IN THE IR RANGE
A.G. Zimin, S.I. Strelyaev, O.A. Fomicheva
The article describes the features of the formulation of non-stationary heat transfer problems, the solution of which is necessary to obtain detailed thermal portraits of infrastructure facilities on the underlying land surface, taking into account the features of the terrain landscape.
Key words: radiation receiver, underlying surface, infrared radiation.
Zimin Artem Germanovich, postgraduate, Artkoibty@,gmail. com, Russia, Tula, Tula State University,
Strelyaev Sergey Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, sergey-strelaramhler. ru, Russia, Tula, Tula State University,
Fomicheva Olga Anatolyevna, candidate of technical sciences, docent, olir77a mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 536.46
ИССЛЕДОВАНИЕ ГОРЕНИЯ ЧАСТИЦ ТИТАНА С ЦЕЛЬЮ ГЕНЕРАЦИИ НАНОЧАСТИЦ ТЮ2
Н.С. Белоусова, О.Г. Глотов, А.В. Гуськов
Разработана методика создания крупных горящих монолитных частиц титана диаметром 250 - 550 мкм. Исследовано их горение в свободном падении в воздухе. Посредством видеосъёмки определены характерные времена начала фрагментации, окончания фрагментации, окончания горения, закономерности движения частиц, в частности, их скорость и координата в момент начала фрагментации. Оценен размер частиц, при котором изменяется режим фрагментации («звезда» ^ «еловая ветвь»).
Ключевые слова: частица титана; горение в воздухе; время горения; закон движения; фрагментация; конденсированные продукты горения; оксидные частицы; сферулы; остатки горения; распределение по размерам.
1. Введение. По распространенности в конструкционных материалах титан стоит на четвертом месте после А1, Бе и М^. С одной стороны, Л - лёгкий, высокопрочный и коррозионно-стойкий конструкционный материал, применяемый в экстремальных условиях (в изделиях ракетно-космической и авиационной техники [1], в химических реакторах, и т. п.). С другой стороны, Л - пирофорное металлическое горючее. В этом качестве Л используется в составе пиротехнических композиций [2] и в композициях технологического горения [3]. Исследуются возможности использования Л в ракетном топливе [4] и во взрывчатых смесях промышленного или технологического назначения [5].
Вследствие разнообразного применения Л, исследования его воспламенения и горения проводятся как на крупных образцах, так и на микрочастицах.
Основополагающие исследования горения образцов Л в форме пластин, цилиндров, и проволок (не частиц) были выполнены в 1960 - 1970-е годы. Работы были нацелены на определение практически востребованных характеристик воспламенения и горения образцов титана. Применение порошка (то есть частиц) Л в качестве металлического горючего в пиротехнике и системах технологического горения не требовало детального понимания механизма горения частиц. Однако, в 2005 г. было предложено [6] использовать горение частиц Л в воздухе для создания облака фотоката-литически-активных частиц Л02 (Л02 - основной продукт горения титана)
90
