СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОЙ ОПТИКО-ЛАЗЕРНОЙ ДИАГНОСТИКИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ВИХРЕВЫХ ТЕЧЕНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR NON-CONTACT OPTIC-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY MODES OF EDDY FLOWS, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидро-, аэро- и газодинамике. Возможно применение в экологии, технологии химических и каталитических реакций, океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологий, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений и контроля.
Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys М., Damascke N., Tropea С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.] и цифровая трассерная визуализация - PIV (particle image velocimetry), для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц [M.Raffel, СЕ. Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 269 p.].
Недостатком ЛДА является то, что этот способ позволяет проводить только последовательные измерения скорости в пространстве, переходя от точки к точке исследуемого течения. При наличии в потоке крупномасштабных пульсаций с периодом колебаний, превосходящим длину реализации, данные измерений в разных точках обычно не совпадают по фазе, за счет этого появляются дополнительные паразитные флуктуации, искажающие профиль или поле скорости. Кроме того, ЛДА диагностика требует обеспечения стабильности условий эксперимента и сохранения режимных параметров течений неизменными длительное время, что иногда технически трудно осуществить.
Использование PIV (Particle Image Velocimetry) в отличие от ЛДА позволяет получать мгновенное распределение скорости в исследуемом сечении и наблюдать мгновенную картину течения в пределах двумерной плоскости светового ножа.
Однако этот способ является наиболее эффективным только для случая, когда одной из компонент скорости (перпендикулярной световому сечению) можно пренебречь. При увеличении относительного значения компоненты скорости, перпендикулярной световому сечению, увеличивается до 10% и более случайная ошибка измерения скорости. Кроме того, в нестационарных, осциллирующих вихревых потоках помимо случайной ошибки возникает ошибка смещения частиц-меток, за счет не совпадения их траекторий с мгновенными линиями тока, что приводит к существенному искажению структуры течения, ошибки минимизируются статистическим осреднением, но при этом теряются нестационарные особенности течения.
Таким образом, раздельное применение широко распространенных оптических измерительных способов: ЛДА (измерение скорости лазерным доплеровским анемометром) и PIV (анализ структуры течения по трекам частиц), часто приводит к получению искаженной информации, особенно, для переходного и развитого нестационарного режимов вихревого течения.
Однако совместное их использование при диагностике осциллирующих вихревых течений позволяет существенно улучшить как временное, так и пространственное разрешение измерений.
Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке [Патент GB 2480440, 30.06.2010, G06T 7/20], основанные на совместном использовании преимуществ ЛДА и PIV. Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микроразмеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.
Изобретение не предназначено для исследования нестационарных закрученных потоков.
Известны способ и устройство измерения трех компонент скорости течения [Патент US 6542226, 2003-04-01, G01P 5/00; G01P 5/26; G01S 7/497; G01S 17/58; G01S 17/95; G01P 5/00; G01S 7/48; G01S 17/00]. В изобретении совместно используют два оптических измерительных способа: ЛДА и P1V. Берется полевое изображение структуры потока в лазерном ноже (выделение сигнального пучка - пропускание его черед фильтр - йодную ячейку) и смешивание его с опорным пучком. Таким образом, в дополнение к стандартной однокамерной двухкомпонентной PIV системе (две компоненты скорости в плоскости лазерного ножа) получают изображение поля скорости по направлению, перпендикулярному лазерному ножу, где цвет кодирует скорость. Тем самым восстанавливают третью компоненту скорости.
Устройство включает лазер с шириной полосы частот порядка 100 MГц, один или два Nd:YAG лазера, светоделитель, молекулярный фильтр на йодной ячейке, одну или две CCD камеры и персональный компьютер.
Достоинство изобретения - возможность получения трех компонент скорости через один оптический иллюминатор. Изобретение позволяет измерять скорость как газовых, так и жидких течений, а также двухфазных потоков.
Изобретение не предназначено для исследования закрученных потоков, так как погрешность полевого метода с использованием лазерно-доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) на йодной ячейке для количественной оценки значения скорости значительная, так как требует постоянной подкалибровки измерительного оборудования. Поле скорости, измеренное PIV, при этом также искажается и, следовательно, особенности вихревого нестационарного потока и его эволюцию во времени зафиксировать невозможно.
Известны работы, например [Felli, М., Camussi, R. and Di Felice, F. Mechanisms of evolution of the propeller wake in the transition and far fields // J. Fluid Mech. 2011, V.682, p.5-53], в которых проводились визуализация и изучение пульсаций вихревых потоков за корабельным винтом с помощью ЛДИС, однако полные измерения поля скорости не проводились.
Наиболее близкими к заявленному являются способ и устройство, описанные в работах [Наумов И.В., Окулов В.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-мерный расчет пульсирующего закрученного потока в цилиндрическом контейнере.// Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т.10(2). С.151-156] и [Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений.// Журнал технической физики, 2007, том 77, вып.5, стр.47-57], основанные на одновременном применении ЛДА и PIV и используемые для диагностирования закрученного течения в цилиндре с осциллирующем пузырем.
Устройство включало цилиндрический контейнер с вращающейся крышкой, Nd:YAG лазер, цилиндрические линзы, CCD камеру, Dantec 1500 FlowMap процессор обработки изображений, персональный компьютер, аргоновый лазер, ЛДА оптический зонд, BSA57N2 процессор.
На основе анализа временной реализации осевой компоненты скорости, измеренной ЛДА, определялся временной интервал для проведения осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV. Поле скорости определялось путем статистического осреднения четырех PIV-образов течения, полученных с временной задержкой t=0, T, 2T и 3T, где Т - полный период колебаний вихревой структуры, генерируемой в цилиндрическом контейнере. Такое кратно-периодическое осреднение мгновенных полей скорости позволило уменьшить случайную ошибку измерений.
Исследования проводились на модельном течении, создаваемом с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере, отношение высоты которого к радиусу составляло H/R=2 и H/R=A. Технические характеристики лазера и камеры не позволяют получать детальное поле скорости при высокочастотных пульсациях потока.
Цель изобретения - высокоточная диагностика, включая исследование трехмерного поля скорости, нестационарных режимов вихревых течений, в том числе переход от стационарного к нестационарному режиму течения, за ротором ветро- или гидроагрегата в натурных условиях с высоким как временным (измерение скорости лазерным доплеровским анемометром), так и пространственным (анализ структуры течения по трекам частиц-PIV) разрешением.
Указанная цель достигается тем, что известный способ и устройство для его реализации, основанные на совместном использовании двух оптических систем (ЛДА и PIV), применяют по новому назначению - диагностика, включая полное измерение скорости потока, нестационарных режимов вихревых течений, в том числе переход от стационарного к нестационарному режиму течения, за ротором ветро- или гидроагрегата, при этом достигается новый технический результат - существенное уменьшение случайной ошибки измерения и практически полное устранение систематической ошибки, связанной с нестационарными изменениями структуры потока.
Согласно изобретению способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанный на совместном использовании ЛДА и PIV, включает пропускание через измеряемый объем лазерного излучения, которое формируют импульсным лазером с энергией импульса ≥120 мДж и частотой срабатывания ≥16 Гц,
проведение измерений с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т в 2-х и более фиксированных точках нестационарного вихревого потока, с учетом размера исследуемой вихревой структуры (в ядре и на радиусе) за ротором ветро- или гидроагрегата, в том числе при переходе от стационарного к нестационарному режиму течения, определение на основе полученной информации временного интервала между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения когерентным лазерным светом - лазерным ножом, проходящим вертикально в направлении основного набегающего потока через дно канала и ось ротора, фиксирование изображений засеянных частиц в потоке в выбранном сечении лазерного ножа двумя установленными под углом 30÷120° друг к другу и углом 15÷60° к оси канала за ротором CCD камерами с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, принимающими отраженный частицами свет, прошедший через оптические призмы заданной геометрии, заполненные водой, запись изображений через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры, начиная с произвольного момента времени, и статистическое осреднение мгновенных полей скорости для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т, … и (m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости для статистического осреднения.
Для осуществления описанного выше способа бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений используют устройство, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV.
Согласно изобретению в устройстве бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, включающем источник лазерного излучения (лазер), приемник изображений засеянных частиц (две CCD камеры с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений), лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер, источником лазерного излучения служит импульсный лазер, технические характеристики которого составляют: энергия импульса - не менее 120 мДж, частота срабатывания - не менее 16 Гц, приемником изображений засеянных частиц вихревого нестационарного потока служат две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором ветро- или гидроагрегата, причем между камерами и стенкой канала установлены оптические призмы, заполненные водой.
Расположение камер не фронтально, а под углом к световому сечению, позволяет использовать узел независимой регулировки приемного объектива и регистрирующей изображение ПЗС матрицы камеры для того, чтобы обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы, заполненные водой и установленные между камерой и стенкой канала, позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает параллельность плоскости матрицы камеры и границы раздела сред воздух-стекло-вода или воздух-стекло-воздух. Геометрию оптических призм рассчитывают в зависимости от углов установки камер.
Использование устройства оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений за ротором ветро- и гидроагрегатов в заявленной комплектации позволяет существенно уменьшить случайную ошибку измерения, до 1-2%, и практически полностью устранить, до 1%, ошибку смещения, связанную с нестационарными изменениями структуры потока. Использование в составе устройства лазера и камер с лучшими техническими характеристиками позволяет более точно измерять пульсации внутри структуры.
Использование CCD камер с частотным разрешением от 8 до 16 Гц позволяет проводить измерения мгновенного трехкомпонентного поля скорости в 8-16 точках периода пульсаций вихревой структуры, что существенно улучшает временное разрешение и точность измерений. В прототипе при использовании CCD камер с частотным разрешением 4 Гц измерения поля скорости проводились только в 4-х точках периода пульсаций частотой 1 Гц.
1
2
На фиг.1 и 2 схематически показано изображение устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений. На фиг.1 показан вид сбоку, в плоскости YZ декартовых координат. На фиг.2 показан вид сверху, в плоскости XZ декартовых координат, где 1 - исследуемое вихревое течение; 2 - импульсный лазер с цилиндрическими линзами; 3 - CCD камеры; 4 - процессор обработки изображений; 5 - персональный компьютер; 6 - аргоновый лазер; 7 - TDA оптический зонд; 8 - процессор обработки доплеровских сигналов; 9 - оптические призмы, заполненные водой; 10 - ротор; 11 - зеркало формирования лазерного ножа; X, Y, Z - координаты декартовой системы; α - угол между камерами; α - угол между камерой и осью канала за ротором.
В предлагаемом устройстве объединены два измерительных комплекса: PIV и ЛДА. Устройство диагностики нестационарного режима вихревого течения 1 за ротором 10 включает оптическую осветительную систему, состоящую из импульсного лазера с цилиндрическими линзами 2, зеркала формирования лазерного ножа 11, двух CCD камер 3 с оптическими призмами 9, заполненными водой, процессор обработки изображений 4, выполняющий синхронизацию осветительной системы и камер, лазерный анемометр с оптическим зондом 7, выполненный на аргоновом лазере 6 и процессоре обработки доплеровских сигналов 8, персональный компьютер 5 для накопления и обработки данных.
Устройство работает следующим образом.
1
2
Нестационарный вихревой поток возникает за вращающимся ротором ветро- или гидроагрегата. Поток засеивают светоотражающими частицами, либо используются естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке. При диагностике потока сначала для измерения локального распределения среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени используют лазерный анемометр с оптическим зондом 7, выполненный на аргоновом лазере 6 и процессоре 8 обработки доплеровских сигналов. При пересечении двух лазерных лучей формируется интерференционная картина светлых и темных полос - измерительная область ЛДА. Проходя через световые полосы интерференционной области, засеянные частицы отражают свет. Зонд 7 ЛДА преобразует флуктуации интенсивности светового потока в электрический сигнал, который преобразуется в информацию о пульсациях скорости в процессоре обработки доплеровских сигналов 8. Далее исследуемое вихревое течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом". Для освещения течения используют импульсный лазер 2 и зеркало 11. Изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами 3, установленными под углом α друг к другу и углом α к оси канала за ротором, что обеспечивает фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы 9 позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает большую точность измерений. Синхронизацию осветительной системы и камер выполняют процессором обработки изображений 4. Информацию накапливают и обрабатывают в персональном компьютере 5 с помощью специального программного обеспечения.
Обоснование промышленной применимости.
Была проведена экспериментальная диагностика вихревого течения, генерируемого за ротором.
Для диагностики течения использовалось измерительное оборудование фирмы Dantec, чтобы получить информацию обо всех трех компонентах скорости, включая и третью, перпендикулярную световому ножу. В качестве осветителя для формирования светового ножа применялся Nd: YAG импульсный лазер с характеристикам: 120 мДж энергии в импульсе, длина волны 532 нм, частота срабатывания 16 Гц. Регистрация изображения производилась на две камеры Dantec HiSense II с разрешением 1344×1024 пикселов, которые устанавливались под разными углами друг к другу и к оси канала за ротором. Для вычисления трехмерного поля скорости использовалось программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.
В результате были получены трехмерные распределения мгновенных полей скорости. Данные измерений отчетливо показали сложную вихревую систему в следе за ротором. Случайная ошибка измерений составляла от 1 до 2%, ошибка смещения составляла порядка 1%.
Проведенные исследования не только позволили диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости в продольном сечении течения за трехлопастным ротором при разных режимах течения, но и позволили подтвердить и обосновать некоторые предположения и гипотезы классических теорий ротора.