СТЕНД ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ГОРЯЧИХ СТРУЙНЫХ ТЕЧЕНИЙ ВЫСОКОГО ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Полезная модель относится к оптическим устройствам визуализации струйных течений и может быть использована для исследования горячих потоков воздуха, например, при экспериментальном исследовании реверса тяги летательного аппарата (ЛА) с моделированием работы силовой установки (СУ) в аэродинамической трубе (АДТ).
Существует ряд способов визуализации струй. Большинство из них требует подмешивания компонент, которые могут быть видны при определенных условиях, например содержащие непрозрачные капли или частицы - туман, дым, порошок и пр. Существенным недостатком данного метода визуализации при исследовании струй двигателей является большой расход и высокие скорости. Большой расход потребует засевать струю большим количеством визуализирующего агента (например, дыма или порошка), который будет осаждаться на элементах АДТ и сопутствующих механизмов, что приведет к их порче.
Для визуализации течений можно использовать газообразные цветные примеси, то есть примеси, которые имеют эффективное поглощение на некоторых длинах волн. Цвет обусловлен, в основном, наличием колебательных полос в спектре соответствующих молекул. Цветную примесь можно визуализировать с помощью цветной камеры, имеющей ряд спектрально-селективных фильтров, черно-белой камеры со спектрально-селективными фильтрами перед матричным фотоприемником или формирующей изображение оптикой. В зависимости от степени согласованности спектральной области пропускания фильтра со спектральной областью (молекулярной полосой) поглощения или излучения молекулы соответствующей примеси, достигается больший или меньший контраст изображения. Обычно узкополосные фильтры, настроенные на узкую спектральную полосу соответствующего химического компонента, обеспечивают максимальный контраст картины визуализации.
Известна заявка на патент «Methods of infrared visualization of air flow» (US 5127264, МПК G01M 9/067, дата публикации 07.07.1992 г.). В рассматриваемой заявке, для визуализации турбулентных струй в потоке, используется подмешивание газообразного цветного агента - оксида азота, обладающего эффективным поглощением в инфракрасной области оптического спектра. Для визуализации струи с оксидом азота используется средневолновой инфракрасный тепловизор.
Недостатком рассматриваемого устройства является низкое пространственное разрешение, отсутствие спектрально-селективного фильтра для повышения контраста визуализации и необходимость подмешивания ядовитых, химически активных компонент.
Известно изобретение «Flow field infrared imaging system in boiler» (CN213067949, МПК G01J 5/00, дата публикации 27.04.2021 г. ). В рассматриваемой заявке описано устройство для визуализации горячей струи горелки нагревателя. В качестве визуализирующего агента, предположительно, выступают некоторые центры поглощения в потоке горячей струи. В качестве регистрирующей системы выступает тепловизионная камера. Упор в работе сделан на удаленную передачу данных.
Недостатком системы является низкое пространственное разрешение и отсутствие спектрально-селективного фильтра.
Известна статья «А Digital Imaging Based Multifunctional Flame Monitoring System» (Gang Lu, Yong Yan, Mike Colechin, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. Vol. 53, No.4, August 2004). В работе рассматривается устройство для визуализации горячей струи по излучению продуктов неполного сгорания. Таким образом, результат визуализации сильно зависит от режима горения, а продукты сгорания могут загрязнять окружающую аппаратуру. Для регистрации используется мультиспектральная камера с кремниевым фотоприемником высокого пространственного разрешения. Достоинством системы является одновременное измерение цветовой температуры струи.
Недостатком устройства является необходимость наличия в потоке частиц и отсутствие узкополосных спектрально-селективных фильтров, способствующих повышению контраста картины визуализации.
За прототип принята статья Е.Д. Кудрявцева, Д.В. Ливерко, А.Н. Морозов, М.В. Рыбаков, «Метод визуализации горячих струйных течений» (www.elibrary.ru. Книга: Модели и методы аэродинамики Материалы Двадцать первой Международной школы-семинара, Москва 2021, стр. 84-86).
В статье описано устройство панорамной визуализации струйных течений с помощью тепловизионных регистраторов длинноволнового LWIR (Long Wavelength InfraRed) и средневолнового MWIR (Middle Wavelength InfraRed) излучения инфракрасного диапазона длин волн оптического излучения. Тепловизионный регистратор представляет собой камеру с матричным фотоприемником инфракрасного диапазона, инфракрасную оптику, формирующую изображение и монитор, при этом монитор связан с камерой линией передачи данных. Инфракрасная оптика предполагает, что ее преломляющие элементы выполнены из прозрачных в соответствующем инфракрасном диапазоне материалов - обычно германия и кремния, в отличие от оптики видимого диапазона, которая выполнена в основном из разного вида стекол. Одно только повышение температуры воздушной струи, разумеется, не позволит сделать ее видимой, вследствие высокой прозрачности. Добавка в поток небольших количеств воды или диоксида углерода кардинальным образом меняет ситуацию. Молекулы воды имеют спектрально-селективные полосы поглощения в высокочастотной части LWIR диапазона излучения, а диоксид углерода - в среднечастотном MWIR диапазоне. Данные компоненты относительно безопасны для АДТ и ее механизмов. Горячая струя, включающая в себя необходимые компоненты - воду и диоксид углерода формируется подогревателем на углеводородном топливе. При использовании кауперного подогревателя воздуха необходимо дополнительное введение воды или диоксида углерода, осуществляемое через узел ввода.
Тепловизионные регистраторы предназначены для визуализации поля яркостных температур в средне- или длинноволновом инфракрасном диапазоне оптического спектра. Визуализируются только те объекты, которые соответственно ярче или темнее остального фона. Другими словами, можно увидеть горячий, слабоизлучающий объект на фоне слабоизлучающего (поглощающего) пространства. Для повышения контраста температурной визуализации используются относительно низкотемпературные (поглощающие) экраны.
Основным недостатком является работа в средне- и длинноволновой части инфракрасного диапазона оптического спектра, что приводит к необходимости применения дорогой и сложной тепловизионной техники низкого пространственного разрешения. Также в этом диапазоне не используются узкополосные спектрально-селективные фильтры, которые позволяют повысить контраст картины визуализации. Также к недостаткам относится применение низкотемпературных экранов, что позволяет четко визуализировать только яркую струю на фоне темного экрана.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание стенда для визуализации горячих струйных течений с высоким пространственным разрешением.
Техническим результатом является получение данных визуализации горячих струйных течений с высоким пространственным разрешением.
Решение задачи и технический результат достигается за счет того, что стенд для визуализации горячих струйных течений высокого пространственного разрешения выполнен в виде П-образной рамы, состоящей из центрального и двух боковых элементов, жестко связанных между собой, содержит подогреватель, жестко закрепленный на центральном элементе П-образной рамы и включающий в себя узел ввода газа, узел ввода оптического поглотителя и сопло, оптический приемный блок, жестко закрепленный на первом боковом элементе П-образной рамы и включающий в себя оптический спектрально-селективный узкополосный фильтр, формирующую изображение оптику и камеру с кремниевым матричным фотоприемником, поглощающий экран, жестко закрепленный на втором боковом элементе П-образной рамы, при этом подогреватель закреплен таким образом, что горячая струя проходит между экраном и оптическим приемным блоком, который выполнен с возможностью передачи данных визуализации на монитор.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурой 1, на которой представлен стенд для визуализации горячих струйных течений.
Перечень элементов:
1. Центральный элемент П-образной рамы
2. Боковые элементы П-образной рамы
3. Подогреватель
4. Узел ввода газа (например, воздуха)
5. Узел ввода оптического поглотителя
6. Сопло
7. Горячая струя газа (например, воздуха)
8. Поглощающий экран
9. Оптический приемный блок, включающий в себя:
10. Оптический спектрально-селективный узкополосный фильтр
11. Формирующая изображение оптика
12. Камера с кремниевым матричным фотоприемником
Стенд выполнен в виде П-образной рамы и состоит из центрального элемента 1 и двух боковых элементов 2, которые жестко связаны между собой сборочными операциями (например, свинчиванием, клепкой или сваркой), при этом, в зависимости от условий эксперимента стенд может быть выполнен в виде единой П-образной рамы. На центральном элементе 1 П-образной рамы закреплен (например, свинчиванием, клепкой или сваркой) подогреватель 3 включающий в себя узел ввода газа 4 (например, воздуха), узел ввода оптического поглотителя 5 и сопло 6, которое формирует горячую струю газа 7. Сопло предназначено для разгона газа до заданной скорости и придания потоку заданного направления вдоль боковых элементов П-образной рамы (www.bigenc.ru, Большая российская энциклопедия). При этом подогреватель 3 закреплен таким образом, что горячая струя газа 7 проходит между поглощающим экраном 8 и оптическим приемным блоком 9. Подогреватель может быть выполнен в виде кауперного, электрического подогревателя или подогревателя на углеводородном топливе, при этом рабочее тело - газ (например, воздух), может служить окислителем топлива. При использовании подогревателя 3 на углеводородном топливе в процессе горения образуются углекислый газ и вода.
На первом боковом элементе П-образной рамы 2 жестко закреплен оптический приемный блок 9 (например, свинчиванием, клепкой или сваркой), включающий в себя: последовательно соединенные оптический спектрально-селективный узкополосный фильтр 10, выполненный в виде интерференционного полосно-пропускающего фильтра, настроенного на спектральную полосу поглощения оптического спектрального поглотителя; формирующую изображение оптику 11 и камеру с кремниевым матричным фотоприемником 12. Оптический приемный блок 9 работает на длине волны спектральной полосы поглощения оптического поглотителя, и выполнен с возможностью передачи данных визуализации на монитор через линию связи, при этом линия передачи данных связывает оптический приемный блок 9 с монитором (монитор и линия связи на фигуре не указаны). Линия передачи данных - средства, которые используются в информационных сетях для распространения сигналов в нужном направлении, это могут быть коаксиальный кабель, витая пара, провод, световод (И.П. Норенков, В.А. Трудоношин. Телекоммуникационные технологии и сети. МГТУ им. Баумана. Москва 1999 г. www.translate.academic.ru).
На втором боковом элементе П-образной рамы 2 жестко закреплен (например, свинчиванием, клепкой или сваркой) поглощающий экран 8, который представляет собой щит, поверхность которого поглощает излучение в выбранном для визуализации диапазоне длин волн оптического излучения (Доброхотов Б.А. Измерение в электронике. Справочник. Том 2. Москва 1965, стр. 210). В случае если материал из которого изготовлен экран не является поглощающим, то на него наносится соответствующее поглощающее покрытие (например краска) для выполнения вышеуказанных условий. Поглощающий экран 8 формирует необходимый контраст картины визуализации посредством поглощения на рабочей длине волны оптического приемного блока 9. Поглощающий экран 8 может быть заменен на отражающий или изучающий экран, в зависимости от условий эксперимента.
Работа стенда происходит следующим образом. В подогреватель 3 через узел ввода 4 поступает газ (например воздух), производится его нагрев и формирование горячей струи газа 7 через сопло 6. Узел ввода 4 служит для подмешивания в горячую струю газа 7 оптического спектрального поглотителя, в качестве которого, в зависимости от диапазона работы оптического приемного блока 9, включающего в себя оптический спектрально-селективный узкополосный фильтр 10, формирующую изображение оптику 11 и камеру с кремниевым матричным фотоприемником 12, может выступать углекислый газ или вода. Для визуализации горячей струи газа 7 производят подмешивание визуализирующего компонента -оптического поглотителя, который имеет спектральные полосы поглощения. Визуализирующий компонент вводится в подогреватель 3 через узел ввода оптического поглотителя 5. Таким образом происходит формирование горячей струи газа 7, которую визуализируют посредством разницы в оптических контрастах горячей струи газа 7 и поглощающего экрана 8 с помощью оптического приемного блока 9. Излучение горячей струи газа 7 на длине волны поглощения визуализирующего компонента контрастирует с изображением поглощающего экрана 8 и регистрируется камерой с кремниевым матричным фотоприемником 12. Камера с кремниевым матричным фотоприемником 12 представляет собой камеру высокого пространственного разрешения (не ниже 1920×1080 пикселей). Оптический приемный блок 9 передает данные визуализации на монитор через линию связи.
Подогреватель 3, оптический приемный блок 9 и поглощающий экран 8 жестко закреплены на П-образной раме таким образом, чтобы создать единую оптическую плоскость и получить одновременно изображение горячей струи газа 7 и поглощающего экрана 8 на матрице камеры с кремниевым матричным фотоприемником 12, что и позволяет визуализировать горячие струйные течения с высоким пространственным разрешением.
Созданный стенд позволяет визуализировать горячие струйные течения газа с высоким пространственным разрешением.