Научная статья на тему 'Решеточные методы визуализации и исследования тепловой структуры диффузионного пламени'

Решеточные методы визуализации и исследования тепловой структуры диффузионного пламени Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
223
79
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ПЛАМЯ / ТЕЛЕВИЗИОННАЯ КАМЕРА / ОПТИЧЕСКАЯ РЕШЕТКА / ИЗОБРАЖЕНИЕ / ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ / ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА / FLAME / TELEVISION CAMERA / OPTICAL LATTICE / IMAGE / TEMPERATURE FIELD / DIGITAL PROCESSING

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Карачинов В. А., Ильин С. В., Петров А. В., Манухин В. А., Ионов А. С.

Приведены результаты экспериментальных исследований тепловой структуры плоского диффузионного пламени телевизионными решеточными методами. Получено распределение температуры в ядре, зоне восстановления и факеле.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Карачинов В. А., Ильин С. В., Петров А. В., Манухин В. А., Ионов А. С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Решеточные методы визуализации и исследования тепловой структуры диффузионного пламени»

УДК 536.46: 535.3

РЕШЕТОЧНЫЕ МЕТОДЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ СТРУКТУРЫ

ДИФФУЗИОННОГО ПЛАМЕНИ

В.А.Карачинов, С.В.Ильин, А.В.Петров, В.А.Манухин, А.С.Ионов

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Polnovo@yandex ru

Приведены результаты экспериментальных исследований тепловой структуры плоского диффузионного пламени телевизионными решеточными методами. Получено распределение температуры в ядре, зоне восстановления и факеле. Ключевые слова: пламя, телевизионная камера, оптическая решетка, изображение, температурное поле, цифровая обработка

The results of experimental studies of thermal structure of the flat diffusion flame by television lattice methods are presented. The temperature field in the kernel, the area of recovery and flaring is found out.

Keywords: flame, television camera, optical lattice, image, temperature field, digital processing

Введение

Диффузионное горение в широком смысле слова можно определить как процесс, в котором горючее и окислитель первоначально находились в непереме-шанном состоянии. Это определение охватывает широкий круг процессов — таких, как горение нефти в лотке на открытом воздухе, горение алюминиевой пластинки в сверхзвуковом воздушном потоке, горение свечи, лесной пожар и горение капли топлива в кислороде в ракетном двигателе. Сюда относятся процессы, включающие нестационарные течения, течения с высокой скоростью и сильно турбулентные течения. Диффузионное горение в узком смысле можно определить как квазистационарное, почти изобарическое пламя без предварительного перемешивания, когда реакция протекает в основном в узкой зоне, которую можно приближенно считать поверхностью. Говоря о структуре пламени следует отметить, что она состоит из трех резко выраженные зон: ядра, восстановительной зоны и факела. Приведенные выше определения диффузионного горения охватывает большое количество задач, которые достаточно подробно рассмотрены в ряде монографий и научных статей [1-4].

Известно, что оптические методы по сравнению с другими занимают ведущее положение в исследованиях различных процессов горения [5-8]. Важной стороной таких исследований является изучение структуры пламени, образующегося в различных технических устройствах (камеры сгорания, горелки, сопла и др.) Несмотря на накопленный опыт анализа подобных объектов существует постоянный интерес, нацеленный на создание более совершенных диагностических систем, в том числе с применением телевизионной техники [9-12].

В данной работе приводятся результаты исследований структуры диффузионного пламени, выполненные с использованием метода оптических решеток.

Методика исследований

В качестве объекта исследований использовалось диффузионное пламя парафиновой свечи. Про-

цессы визуализации оптических неоднородностей в зоне горения осуществлялись теневым фоновым методом [13]. Для этих целей использовался лабораторный стенд, содержащий фоновый экран — решетку (клетчатая или точечная структура, шаг сетки составлял ~1 мм), телевизионную камеру и ПЭВМ. Для подсветки фонового экрана использовалась лампа накаливания. Метод расфокусированных решеток, реализованный в узкопольной лазерно-телевизионной системе (ЛТС) «Луч-К» [11,12], применялся при исследовании температурного поля пламени. Использовалась точечная оптическая решетка, шаг следования точек по взаимно-перпендикулярным направлениям был одинаков и составлял 315 мкм. Необходимые вычисления выполнялись с помощью программы «ThermoVision» [14]. Эталонным термоприемником служила термопара ТХА.

Результаты исследований и их обсуждение

1. Визуализация

Теневые методы наряду с интерференционными успешно используются для диагностики плазмы [7-8,15]. Луч света, проходящий через плазменный столб, претерпевает фазовые изменения, которые связаны с плотностью электронов. Если существуют неравномерности плотности в направлении, перпендикулярном лучу, то луч отклоняется. Фактически теневой метод чувствителен ко второй производной плотности электронов в плазме [15]. В частично ионизированной плазме (например, пламени) наряду с чисто электронным вкладом в показатель преломления следует учитывать влияние связанных электронов и других частиц. Если поглощения среды мало, то величина показателя преломления определяется выражением [15]

2 С /■ \

n = 1-

e2 Ж

men(œ2 + v2)

N.

fki

22 œ, - œ

v k /

где е и т — заряд и масса электрона; N — концентрация свободных электронов; N1 — концентрация каждого сорта частиц, имеющихся в плазме (ионы, атомы, молекулы); е0 — диэлектрическая постоянная; ю — частота колебаний световой волны; ю, —

частота ^й полосы поглощения i-го сорта частиц; v — частота столкновений свободных электронов с тяжелыми частицами; — сила осциллятора для перехода k ^ i.

расщепленного фитиля пламя было плоским и обладало неоднородной структурой. Подбором времени накопления и усиления в условиях отключенного АРУ телевизионной камеры удалось получить достаточно

Рис.1. Визуализация пламени парафиновой свечи. Эксперимент: а — фокусировка на сетке; б — фокусировка между свечей и сеткой (эффект самофокусировки)

Спецификой телевизионных методов визуализации и измерений в пламени является сильное свечение газа, а также значительные изменения свечения по полю, например в области ядра, факела. Поэтому решеточные методы в рассматриваемом случае обладают тем известным преимуществом, что единственной измеряемой величиной, позволяющей найти распределение узлов отклонения света в неоднородности, является смещение тени [15]. На рис.1 приведены примеры визуализации пламени парафиновой свечи теневым фоновым методом. Главным преимуществом этого метода является возможность наблюдения крупномасштабных объектов [13]. Эксперименты показали, что чувствительность метода сильно зависела от фокусировки телевизионной камеры. Так, если камера была сфокусирована на решетке, то, как правило, не наблюдалась деформация сетки-экрана (рис.1а). В то же время при фокусировке на точке, расположенной между свечей и сеткой, повторяемость локальной деформации сетки-экрана вследствие отклонения лучей на оптических неоднородностях пламени была высокой (рис.1б). При этом наблюдалась локальная область с повышенной резкостью изображения сетки (рис.1в). Это явление мы классифицировали как эффект самофокусировки, его появление с учетом локализации обусловлено шлирной линзой, созданной парами парафина. При фокусировании камеры непосредственно на саму свечу изображение сетки на мониторе исчезало. Дополнительные эксперименты с экраном в виде точечной решетки показали аналогичные результаты.

2. Измерение температурного поля

В качестве источника диффузионного пламени использовалась парафиновая свеча, которая устанавливалась на предметный столик ЛТС. За счет частично

четкое изображение фитиля и узлов решетки (рис.2). Его анализ показал, что наблюдаются сильно деформированные области изображения решетки. Так, значительные смещения теневых изображений узлов решетки были зафиксированы вблизи фитиля (область ядра). Известно, что в этой области происходит интенсивный массоперенос паров углеводородов, испаряющихся с поверхности фитиля, и они значительно отличаются от окружающей среды по показателю преломления [2,3].

Несмотря на то, что в исследуемой области отсутствовал процесс горения, и температура согласно термопарным измерениям в среднем составляла 246оС, т. е. визуально она представляла собой темную область (рис.1а), методом расфокусированной решетки удалось надежно ее визуализировать.

Расчет температур осуществлялся по известному выражению [15]

Т (х) = Т

1 +

1

МП*,“1)

где Т(х) — температура исследуемой точки пространства с координатой х; Тм и пм — температура и показатель преломления газа (жидкости) в невозмущенных местах поля; М — длина неоднородности вдоль оптической оси прибора; е(х) — угол отклонения оптического луча.

Для автоматизации вычислений использовалась программа «ТЪегто^юп» [14] (рис.3). Анализ численных значений температуры показал несколько завышенные результаты по сравнению с термопарными измерениями. Возникшая методическая ошибка объясняется отсутствием точных справочных данных по показателю преломления паров парафина, а проведение целенаправленных экспериментов по его определению не входило в задачи данной работы.

Рис.2. Обработка теневого изображения. Фото. Программа «Thermo Vision»

Рис.3. Расчет температур. Фото. Программа «Thermo Vision»

Вывод

Решеточные методы в сочетании с цифровой обработкой телевизионного изображения позволяют осуществлять визуализацию структуры и измерение температурных полей пламен диффузионного типа.

1. Горение и течение в агрегатах энергоустановок / Под ред. В.Е.Алемасова. М.: Янус, 1997. 304 с.

2. Варнатц Ю. Горение. Физические и химические аспекты, эксперименты, образование загрязняющего вещества. М.: Наука, 2003. 304 с.

3. Фристром Р.М., Вестенберг А.А. Структура пламени. М.: Металлургия, 1969. 135 с.

4. Гейдон А.Г., Вольфгарт Х.Г. Пламя, его структура, излучение и температура. М.: Металлургиздат, 1959. 333 с.

5. Кадышевич А.Е. Измерение температуры пламени: Физические основы и методы. М.: Металлургиздат, 1961. 218 с.

6. Похил П.Ф., Мальцев В.М., Зайцев С.М. Методы исследования процессов горения и детонации. М.: Наука, 1969. 156 с.

7. Абруков В.С., Мальцев В.М. Интерферометрия процессов горения. Обзор возможностей метода // Исследование процессов неустойчивого горения / Чуваш. гос. ун-т. Чебоксары, 1984. С.87-104.

8. Гиль В.В. Оптические методы исследования процессов горения. М.: Наука, 1984. 169 с.

9. Pitts William M. Thin filament pyrometry in flickering laminar diffusion flames // XXIV Symp. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. 1996. P.1171-1179.

10. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Торицин С.Б. Зондовые методы телевизионной пирометрии нагретых газовых потоков: Монография. В. Новгород: НовГУ, 2006. 108 с.

11. Карачинов В.А., Челпанов В.И., Ильин С.В., Карачинов Д.В. Применение решеточного метода для исследования нагретых газовых потоков // Системы и средства связи телевидения и радиовещания. 2011. №1,2. С.74-76.

12. Карачинов В.А., Карачинов Д.В., Ильин С.В. Методы телевизионной термометрии гетерогенных систем. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 с.

13. Meier G.E.A. Computerized background-oriented Schlieren // Experiements in Fluids. 2002. №33. Р.181-187.

14. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2005611975 РФ. Программа визуализации и расчета распределения температур конвекционных потоков (Termo Vision 0.5) / С.В.Ильин, В.А.Карачинов, С.Б. Торицин // Программы для ЭВМ, базы данных, топологии ИМС. О.Б. — 2005.

15. Васильев Л.А. Теневые методы. М.: Наука, 1968. 400 с.

Bibliography (Transliterated)

1. Gorenie i techenie v agregatakh ehnergoustanovok / Pod red. V.E.Alemasova. M.: Janus, 1997. 304 s.

2. Varnatc Ju. Gorenie. Fizicheskie i khimicheskie aspekty, ehksperimenty, obrazovanie zagrjaznjajushhego veshhestva. M.: Nauka, 2003. 304 s.

3. Fristrom R.M., Vestenberg A.A. Struktura plameni. M.: Met-allurgija, 1969. 135 s.

4. Gejjdon A.G., Vol'fgart Kh.G. Plamja, ego struktura, izlu-chenie i temperatura. M.: Metallurgizdat, 1959. 333 s.

5. Kadyshevich A.E. Izmerenie temperatury plameni: Fizicheskie osnovy i metody. M.: Metallurgizdat, 1961. 218 s.

6. Pokhil P.F., Mal'cev V.M., Zajjcev S.M. Metody issledovanija processov gorenija i detonacii. M.: Nauka, 1969. 156 s.

7. Abrukov V.S., Mal'cev V.M. Interferometrija processov gorenija. Obzor vozmozhnostejj metoda // Issledovanie processov neustojjchivogo gorenija / Chuvash. gos. un-t. Cheboksary, 1984. S.87-104.

8. Gil' V.V. Opticheskie metody issledovanija processov gorenija. M.: Nauka, 1984. 169 s.

9. Pitts William M. Thin filament pyrometry in flickering laminar diffusion flames // XXIV Symp. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. 1996. P.1171-1179.

10. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Toricin S.B. Zondovye metody televizionnojj pirometrii nagretykh gazovykh poto-kov: Monografija. V. Novgorod: NovGU, 2006. 108 s.

11. Karachinov V.A., Chelpanov V.I., Il'in S.V., Karachinov D.V. Primenenie reshetochnogo metoda dlja issledovanija nagretykh gazovykh potokov // Sistemy i sredstva svjazi televidenija i radioveshhanija. 2011. №1,2. S.74-76.

12. Karachinov V.A., Karachinov D.V., Il'in S.V. Metody televizionnojj termometrii geterogennykh sistem. Saarbrucken: LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. 298 s.

13. Meier G.E.A. Computerized background-oriented Schlieren // Experiements in Fluids. 2002. №33. P. 181-187.

14. Svidetel'stvo ob oficial'nojj registracii programm dlja EhVM № 2005611975 RF. Programma vizualizacii i rascheta raspredelenija temperatur konvekcionnykh potokov (Termo Vision 0.5) / S.V.Il'in, V.A.Karachinov, S.B. Toricin // Programmy dlja EhVM, bazy dannykh, topologii IMS. O.B. — 2005.

15. Vasil'ev L.A. Tenevye metody. M.: Nauka, 1968. 400 s.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.