CC BY
21
УДК 621.384.3 + 533.9
ТЕПЛОВИЗИОННЫЕ ПРИБОРЫ В ГАЗОДИНАМИЧЕСКОМ
ЭКСПЕРИМЕНТЕ
А.Ф. БЕЛОЗЕРОВ ФНПЦ ФГУП“НПО ГИПО”
В статье рассмотрены возможности применения тепловизионных приборов для получения информации о распределении температурного поля в газовом потоке. Совместное применение тепловизионных приборов и систем в оптикофизических экспериментах (теневых, интерференционных голографических) позволит расширить возможности оптико-физических измерений в современных газодинамических приборах.
Проблема интенсификации теплопередачи - одна из главнейших при проектировании современных газодинамических энергоустановок. Изучение процессов теплообмена в трубах и камерах сгорания, радиационного теплообмена, тепло-, массопереноса в средах, исследования по динамике двухфазных сред проводятся с широким привлечением современных оптических методов -теневых, интерференционных, голографических [1]. Они позволяют определить большинство характеристик газодинамических или плазменных потоков: распределение плотностей, давлений, температур, скорости течения и др. Однако, из-за нелинейности уравнений газодинамики и интегрального характера оптических методов, расчет параметров газового потока на основе результатов оптических измерений является некорректной задачей и поэтому требует использования дополнительной информации, например, получаемой при нескольких направлениях просвечивания потока. Иногда это приводит к неоправданному усложнению и удорожанию эксперимента. Сложность решения задачи особенно возрастает в тех случаях, когда помимо макрофизических параметров потока необходимо определить его микрофизические характеристики, как, например, при исследованиях в резонаторе газодинамического лазера, при изучении турбулентных явлений. В этих условиях применение тепловизионной техники [2,3,4], позволяющей получать прямую информацию о распределении температурного поля в газовом потоке, дает возможность существенно упростить расшифровку результатов оптических измерений и расширить их возможность.
Цель данной статьи - определить ближайшие по времени направления и области применения тепловизоров в газодинамическом эксперименте.
Представляется, что наиболее перспективными можно считать следующие направления (области применения):
1. Прямое определение температуры сверхзвуковых скачков уплотнения. Оценим уровень температур, подлежащих измерению. Проведенные теплофизические расчеты [5] применительно к газодинамическому эксперименту по изучению картины обтекания цилиндра 0 40 мм с полусферической головной частью в аэродинамической трубе непрерывного действия ТС-5 ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского [6] показывают следующую температуру (^ = 293 К, Мж = 2,8) (рис. 1):
• в точке Т1 (поверхность модели, ось симметрии) - 574,8 К; 626,8 К; 653,4 К; 656,5 К; 656,6 К, соответственно, через 20, 30, 40, 50, 60 с;
© А.Ф. Белозеров
Проблемы энергетики, 2003, № 9-10
• в точке Т2 (скачок уплотнения, ось потока) - 752 К;
• в точке Т3 (поверхность модели, стыковка цилиндра с шаром) - 545,4 К; 600,5 К; 648,5 К; 659,6 К; 665,8 К, соответственно, через 20, 30, 40, 50, 60 с.
Рис. 1. Поле температур при обтекании цилиндра с полусферической головной частью потоком воздуха в аэродинамической трубе (^ = 293 К, Мда = 2,8)
2. Определение поля температур течений в резонаторах газодинамического и электроразрядного лазеров [6]. Ожидаемый диапазон измерений температуры течения в резонаторах этих лазеров - до 600 К.
3. Определение температуры плазменных потоков энергетических установок прямого преобразования тепловой энергии в электрическую (МГД - генераторы). Ожидаемый температурный диапазон - до нескольких тысяч К.
4. Визуализация тепловых полей больших размеров (до нескольких метров), поскольку применение тепловизионной техники не всегда требует просвечивания течения потоком излучения. Тепловизионная аппаратура относится к аппаратуре пассивного типа и не вносит возмущений в исследуемую зону. Ожидаемый температурный диапазон - до 500 - 600 К.
Приведенные здесь данные по диапазону измеряемых температур можно использовать в качестве средних значений тепловых полей при выборе схемы, при разработке, настройке и калибровке тепловизионной аппаратуры для контроля течений.
В таблице приведены основные технические характеристики нескольких тепловизионных приборов, разработанных при непосредственном участии автора [8-10], а также тепловизора модели «ЛИК» (разработчик и изготовитель фирма «Матричные технологии»), которые используются для контроля температурных полей.
«Искра» - тепловизор-радиометр на основе малоэлементного
фотоприемника из материала тройного соединения кадмий-ртуть-теллур (КРТ).
«Мулат-В» - тепловизор на основе линейчатого ФПУ (20
фоточувствительных элементов в линейке) из материала КРТ, с телевизионным выходом для удобства наблюдения тепловизионного изображения.
«ТВК-3» - тепловизионный модульный прибор 3-го поколения на основе неохлаждаемого матричного ФПУ (используется микроболометрическая матрица формата 320х240 фоточувствительных элементов). Для широкого применения этого прибора создан набор светосильных ИК объективов с фокусными расстояниями от 22 мм до 300 мм и величиной относительного отверстия до 1:1.
«ЛИК» - тепловизор на охлаждаемой до «азотных» температур матрице на основе материала силицид платины (Р181) формата 256х256 фоточувствительных элементов.
Таблица
Характеристики тепловизионных приборов для контроля температурных полей
Технические характеристики Модель тепловизора
«Искра» «Мулат-В» «ТВК-3» «ЛИК»
1 Спектральный диапазон, мкм 8...13 8.13 8.14 3.5
2 Угол поля обзора,угл. град 20 х 20 2,4 х 4,6 от 2х3 до 30х40 (в зависимости от используемого объектива) 10 х 12
3 Диапазон измеряемых температур (динамический диапазон) до 1200 К до 500 К до нескольких тысяч К (в зависимости от калибровки) > 60 дБ
4 Рабочий (эксплуатационный) температурный диапазон, С - 10.40 - 40.50 - 10.50 - 15.50
5 Масса, кг 14 (оптиче- ская головка) 5,5 8,0 3,2
С помощью тепловизора-радиометра «Искра» автором проведена экспериментальная оценка распределения температурного поля в тепловом потоке, создаваемом смесительным воздухонагревателем модели СВ-40 мощностью 45 квт, любезно предоставленным Т.М. Магсумовым (КГТУ им. А.Н. Туполева). Такие нагреватели (используется пропан-бутановая смесь) применяются для обогрева помещений объемом более 1200 м3 . Длина тепловой струи ~ 1000 мм. На рис. 2 приведена тепловая картина теплового потока струи нагревателя в черно-белом изображении (большую наглядность представления и интерпретации результатов можно получить при наблюдении тепловизионного изображения в квазицвете, привязанном к соответствующей температурной шкале). На этом же рисунке приведены результаты радиометрического контроля температуры теплового потока в сечениях 0 (срез сопла нагревателя), I (расположено на расстоянии 0,5 диаметра сопла), II и III (расположены на расстоянии диаметра сопла). Снимок тепловой картины позволяет определить структуру течения и непосредственно значения температуры в произвольной точке теплового потока.
Проведенные эксперименты позволяют сделать вывод о сравнительной простоте и эффективности применения тепловидения для контроля тепловых процессов. Однако для широкого применения тепловизионных методов и тепловизионных средств в газодинамическом эксперименте необходимо решить
ряд принципиальных технических и методических вопросов. Наиболее важные из них:
1. Выбор оптимального рабочего спектрального диапазона тепловизора -3 .5 мкм или 8.14 мкм.
2. Стыковка тепловизионного канала с оптическими системами оптикофизических измерений газодинамического течения теневыми,
интерференционными и голографическими методами, обеспечение «привязки» разнородных оптических и тепловизионных изображений к изучаемой зоне потока.
3. Методика проведения эксперимента, в том числе порядок получения оптических и тепловизионных картин, определение диапазона измеряемых характеристик течения тепловизионными средствами.
4. Техника проведения эксперимента, в том числе выбор области прозрачности защитных стекол, оптимального способа регистрации оптических и тепловизионных изображений.
5. Методика совместной обработки (расшифровки) теневых, интерференционных и тепловизионных изображений в зависимости от вида изучаемого течения.
мм мм мм
Сечение I Сечение II Сечение III
Рис.2. Результаты измерений температуры тепловизором-радиометром «Искра» при контроле теплового потока, создаваемого смесительным воздухонагревателем СВ-40
Следует отметить важность проведения экономического анализа использования сравнительно дорогостоящей тепловизионной техники в газодинамичеком эксперименте, и без того требующем удешевления. Однако автор считает, что создание и серийный выпуск несканирующих тепловизоров
3-го
поколения, в которых используются неохлаждаемые матричные © Проблемы энергетики, 2003, № 9-10
фотоприемные устройства различного типа, уже в ближайшее десятилетие приведет к резкому уменьшению их стоимости (она может стать сравнимой со стоимостью цифровых видеокамер).
Выводы
Совместное применение в газодинамичеком эксперименте оптических (теневых, интерференционных, голографических) методов и тепловизионных средств позволит расширить возможности оптико-физических измерений и может быть основой создания комплекса приборов нового поколения для контроля газовых и плазменных потоков в аэродинамических трубах, энергоустановках, при решении проблем теплотехники.
Summary
In this work the possibility of application of thermal imaging for obtaining the information about temperature fields distribution in gas flow. Joint use of thermal imaging devices and systems of optical-physical measurements (shadow, interference, holographic) will make it possible to extend the potential of optical devices in the research on the improvement of technical characteristics of modern gas-dynamic power installations.
Литература
1. Бекетова А.К., Белозеров А.Ф. и др. Голографическая интерферометрия фазовых объектов. - Наука, 1979. - 232 с.
2. Дж. Ллойд. Системы тепловидения. /Пер. с англ. Н.В. Васильченко // Под ред. А.И. Горячева. - М.: Мир, 1978. - 414 с.
3. Белозеров А.Ф., Омелаев А.И., Филиппов В.Л. Современные направления применения ИК радиометров и тепловизоров в научных исследованиях и технике // Оптический журнал. - 1998. - т. 65, № 6. - С. 16-27.
4. C. Matilla, J. De Frutos. Measurement of influence of convection forces in the neighborhood of the standart weights by means of IR thermography. Proceedings of SPIE, vol. 5073, Thermosense XXV, 2003. - PP. 243-252.
5. Абрамович Г.Н. Прикладная газодинамика. - М.: Наука, 1969.
6. Белозеров А.Ф., Комиссарук В. А., Яничкин В.И. Устройства для преобразования теневого прибора в интерферометр сдвига. / Труды ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, Изд. Академии. - 1971. - Вып. 1301.- С. 145-157.
7. Куклин В.Н., Польский Ю.Е. О методике диагностики процессов в разрядной камере быстропроточного СО2-лазера. // Квантовая электроника. - 1981. - том 8, № 10.
8. Belozerov A.F., Ivanov V.P. Works of Federal Scientific and Production Center (NPO GIPO) in the region of IR Technologies. Proceedings of SPIE, vol. 4369, Infrared Technology and Applications, XXVII, 2001. - PP. 58-80.
9. Свидетельство на ПМ 20696, МКИ H 04 N 5/33. Устройство формирования изображения / А.Ф. Белозеров, В.А Балоев, В.П Иванов С.В., Рагинов С.В. -
з. № 2001114335/20; Заяв. 25.05.2001; Опубл. 20.11.2001.
10. Патент РФ 2207482, МКИ F 41 G 1/36. Тепловизионная насадка / А.Ф.
Белозеров, А.Г. Бугаенко, Е.Ф. Дедюхин, А.С. Дучицкий, В.П. Иванов, Г.А. Ильин, А.Е. Морозов. - № 2002100520/02; Заяв. 08.01.2002; Опубл.
27.06.2003
Поступила 19.09.2003
