CC BY
100
С. И. Ксенофонтов, А. М. Порфирьев, Г. С. Батурова
ПРИМЕНЕНИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
СТРУКТУРЫ ПЛАМЕНИ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ
АЛЮМИНИЙ - МАГНИЕВОГО СПЛАВА И ФТОРОРГАНИКИ
Ключевые слова: фотометрические методы, яркость пламени, изофоты пламени, распределение температуры.
Фотометрические методы применены для обработки изображения пиротехнического пламени на основе алюминий-магниевого сплава и фтороргани-ки. Получены распределения яркости по высоте и вдоль диаметральной плоскости пламени, построены изофоты пламени. Рассчитана температура фотометрическим методом в ядре пламени по модели абсолютно черного тела.
Keywords: рhotometric methods, brightness of a flame, isophotes offlame, temperature distribution.
Photometric methods were applied for pyrotechnic flame image processing on the base of aluminium-magnesium alloy and fluoroplastic. Degrees of brightness on each height level and lengthwise central plane of flame were obtained. Isophotes of flame were built. Temperature in flame cone on the model of black body was calculated by photometric method.
Пламя пиротехнического состава, содержащее порошок сплава алюминия с магнием (ПАМ-4) и фторорганику (Ф3), используется как излучатель в инфракрасной области спектра. При концентрации металла 60-70 % достигнуты высокие значения силы света, создаваемые пламенем. Яркость отдельных участков пламени превышает 103 Вт/см2-ср как в инфракрасной, так и видимой области спектра. Распределение силы света по высоте пламени приведено на рис. 1.
Как видно из графика в пламени имеются яркостные неоднородности. В данной работе изучены яркостные неоднородности пламени фотометрическими методами. Образцы цилиндрической формы диаметром 20 мм, запрессованные в картонную оболочку под удельным давлением 100 МПа, сжигались при комнатных условиях. Пламена бронированных образцов имели осевую симметрию и представляли собой расширяющуюся высокотемпературную струю.
Так как пламя пиротехнического состава имеет широкий диапазон изменения яркости, то регистрация на фоточувствительном материале изображения пламени во всем диапазоне изменения яркости полностью не удается [1]. Большая доля излучения пламени исходит из ядра пламени, а доля излучения периферийных участков пламени в излучении всего пламени невысокая. Фотографирование пламен производилось с помощью видеокамеры типа PIC-741 с ПЗС - матрицей. Перед объективом (F = 50 мм) устанавливался плотный нейтральный светофильтр марки НС - 12, чтобы выделить в пламени наиболее яркие участки.
Аналоговый телевизионный сигнал, формируемый видеокамерой, оцифровывался с помощью периферийного устройства «AV Grabber» и записывался в памяти персонального компьютера в виде отдельного файла. Проигрывая фильм можно было выделить отдельные кадры для изучения излучения пламени с помощью специально созданных программ [2,3]. В кадре также размещались изображения нитей галогенных лампочек (три лампы), имеющих различную температуру, и соответственно различную яркость.
Фотографии пламен приведены на рис. 2. На фотографиях наблюдаются яркостные неоднородности как по высоте, так и в диаметральной плоскости пламени. Самая яркая часть пламени расположена у основания струи. Распределение яркости ядра пламени от высоты, полученное в ходе обработки изображения, представлено на рис. 3. У основания пламени яркость, резко возрастая, достигает максимума и затем монотонно убывает. Распределение яркости вдоль диаметральной плоскости пламени (рис. 3) имеет колоколообразный вид у основания струи, а с увеличением высоты проявляется «седло». Цифры в правом верхнем углу соответствуют высоте сканирования яркости на изображении. С увеличением концентрации металла в составе трансформация «колокола» в «седло» начинается на более ранней стадии развития струи.
Рис. 2 - Фотографии ядра пламени и изофоты пламени. Концентрация металла в составе, в %: 1 - 50, 2 - 65, 3 - 70
1, tii п/ср—
п -
О 4 8 12 1 6 20 24 2 8 32 И.СМ
Рис. 1 - Распределение энергии инфракрасного излучения по высоте пламени: 1 - АХ = 1,9 -г- 3 мкм, 2 - АХ = 3 г 5,5 мкм. Состав 70% ПАМ-4 и 30% Ф3
Поперечные размеры ядра пламени (65% металла) сохраняются неизменными вплоть до высоты 15 см, однако ее яркость уменьшается линейно с высотой почти в два раза с градиентом = - 1,33 о.е./см.
Лишь на высоте 20 см размеры ядра пламени увеличиваются в поперечнике в два раза.
Изофоты позволяют выделять в пламени области, ограниченные с определенными значениями яркости и вычислить значения светового потока в относительных единицах:
Ц+
где Цй) - функция распределения яркости вдоль диаметральной плоскости пламени, Ц и Ц+1 - граничные значения яркости изофот. Изофоты пламени приведены на рис. 2, рядом с изображением пламени. Распределения светового потока от высоты Ф(Л) границами Ц0 и Ц приведены на рис. 4. Самые яркие участки расположены у основания струи, менее яркие участки, хотя и привязаны к основанию струи, вносят солидный вклад в излучение пламени на больших высотах. У основания струи световой поток при яркости Ц = 26 о.е. равен 150 о.е., тогда как на больших высотах световой поток резко возрастает более чем на порядок. Чем ниже значение яркости изофоты, тем выше по высоте расположена область максимального излучения.
Интегрирование функции Ф(Л) по высоте позволяет оценить силу света ядра пламени:
I = | Ф^Л = 11 | КБ.
Л й Л э
Здесь сила света ядра пламени пред-
Рис. 3 - Распределение яркости пламени по высоте и вдоль диаметральной плоскости пламени. Состав 65% ПАМ-4 и 35% Ф3
Рис. 4 - Распределение светового потока по высоте пламени (а - для изофот, в о.е.): 1 -20, 2 - 28, 3 - 36, 4 - 44, 5 - 52, 6 - 60, 7 - 68, 8 - 76, 9 - 84
ставлена как сумма сил света участков пламени, ограниченных определенными изофотами. Доля излучения участков пламени, ограниченных между двумя уровнями яркости, в излу-
чении всего пламени приведена в табл. 1. В последнем столбце таблицы приведена сила света всего пламени в относительных единицах.
Таблица 1 - Доля излучения участков пламени, ограниченных изофотами, в излучении всего пламени
^'''^Ц,о.е. С,%"4"\ 100 84 76 68 60 52 44 36 28 20 Инт.
50 0,145 0,117 0,67 0,76 0,11 0,2 0,2 0,17 0,21 0,29 1,586
65 0 0,016 0,3 0,1 0,15 0,25 0,3 0,34 0,36 0,21 1,766
70 0 0,01 0,19 0,12 0,18 0,19 0,22 0,3 0,61 0,27 1,926
Такое распределение силы света по участкам в пламени показывает, что с увеличением концентрации металла в составе сила света пламени в целом увеличивается, хотя более яркие области в струе исчезают. Это прежде всего связано с тем, что линейная скорость горения при концентрации металла 50% равна 2,5 мм/с, тогда как при С = 70% она возрастает до 6,2 мм/с. В последнем случае пламя оказывается более раздутым и металл сгорает в большем объеме, растянутым по высоте.
Ядро пламени является объектом похожим на абсолютно черное тело, тогда излуча-тельную способность его можно принять за единицу в « 1. Используя закон Стефана -Больцмана для конечного диапазона длин волн можно подсчитать температуру участков пламени. За опорную точку можно брать свечение нити галогенной лампы, включенной в кадр изображения. Меняя значение яркости в изображении пламени программными средствами можно добиться, чтобы максимальная яркость нити лампы и определенной изофоты пламени совпадали. Этой изофоте можно приписать температуру нити лампы Т = Тл. Тогда следующая изофота соответствует температуре, согласно соотношению:
т = т
Рис. 5 - Распределение температуры пламени по высоте. Состав 65% ПАМ-4 и 35% Ф3
Распределение температуры по высоте пламени приведено на рис. 5. Как видно из графика максимальная температура достигается на высоте 2 см от основания струи и составляет 2200 К (65% металла). Далее температура постепенно убывает, в начале с градиентом
= - 113 К/см, начиная с высоты 5 см и выше с градиентом dT/dh = - 17,67 К/см. Полученные результаты удовлетворительно согласуются с пирометрическими измерениями. Убыль температуры с высотой говорит о том, что максимум излучения, согласно закону Вина, смешается в более дальнюю инфракрасную область спектра.
Сравнение температуры пламени, определенное разными
4
методами, приводит к разному толкованию о температуре пламени. Например, расчетная термодинамическая температура для состава содержащего 65% металла равна 1690 К. Расчеты проведены с коэффициентом участия воздуха равным нулю а = 0. Тогда как метод насыщенных центров щелочных металлов Ыа+, К+, Ы+ для этого же состава определяет температуру 2655 К, а фотометрический метод - 2200 К. В табл. 2 приведены температуры пламен для разной концентрации металла.
Таблица 2 - Температура пламени, К
С, % 50 60 65 70 80
Термодинамическая при а = 0 2100 1795 1690 1616 1356
Метод насыщенных центров 2570 2640 2655 2670 2520
Фотометрический метод 2185 - 2200 2084 -
Оказывается, что все исследователи правы по своему при описании данного пламени. Термодинамический метод позволяет определить ту температуру, которая развивается в ходе химического реагирования металла с окислителем. Эта температура достигается в центре пламени, куда другие окислители как кислород воздуха не достигают.
В периферийных областях пламени необходимо учитывать горение металла как за счет окислителя, заложенного в состав, и кислорода воздуха. При определенном соотношении компонентов на некотором расстоянии от центра пламени достигается максимальная температура, которая может быть зарегистрирована методом насыщенных центров щелочных металлов.
Фотометрический метод определения температуры основан на том, что температура определяется по суммарному излучению достигающего до фоточувствительного материала [4]. Действительно, при визировании на центр пламени излучение распространяется от поверхности ядра пламени через слой периферийной области. Температура ядра пламени оказывается ниже, а периферийный слой пламени имеет более высокую температуру, а определенная фотометрическим методом температура будет зависеть от этих температур и геометрических размеров периферийной зоны и распределения температуры в ней. При перемещении точки визирования к краю пламени суммарное излучение возрастает из-за увеличения длины луч-суммы в периферийной высокотемпературной области, возрастает и температура пламени. Эта особенность характерна для пламен с высоким содержанием металла. Таким образом, диаметральное распределение температуры описывает «седло», также как и распределение яркости. Например, в центре струи температура равна 2140 К, а в точках с максимальной яркостью она выше на 150 К.
Заключение
1. Предложен новый метод для диагностики излучения пламени, позволяющий выделять яркостные неоднородности в пламени.
2. Оценен вклад в излучение пламени отдельных участков пламени, ограниченных определенными изофотами. Показано, что большую долю вклада в излучение пламени имеют участки пламени менее яркими значениями, но имеющие большие площади.
3. Показаны температурные неоднородности как по высоте, так и вдоль радиуса пламени.
Литература
1. Кирилловский, В. К. Оптические измерения. Часть 4. Оценка качества оптического изображения и измерение его характеристик / В. К. Кирилловский. - Спб.: ГУ ИТМО, 2005. - 67 с.
2. Порфирьев, А. М. Программа расчета распределения яркости пламени по оптическому изображению / А. М. Порфирьев, С. И. Ксенофонтов. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 11708. - Отраслевой фонд алгоритмов и программ, 2008. - 6144 Мбт.
3. Порфирьев, А. М. Программа «Flame - candela» для расчета силы света пламени жидких углеводородов / А. М. Порфирьев, С. И. Ксенофонтов, О. В. Васильева. Свидетельство об отраслевой регистрации № 00089. - Институт информации образования, 2009. - 4096 Мбт.
4. Ксенофонтов С. И. Измерение температуры пламени конденсированных систем / С.И. Ксенофонтов // Вестник Чувашского госуд. пед. ун-та. - 2002. - № 6(30). - С. 96 - 104.
© С. И. Ксенофонтов - канд. физ.-мат. наук, доц. каф. общей и теоретической физики Чувашского госуд. пед. ун-та им. И.Я. Яковлева; А. М. Порфирьев - асп. той же кафедры, porfiriev_777@mail.ru; Г. С. Батурова - канд. техн. наук, доцент кафедры ХТГС КГТУ.
