СПОСОБ ТЕПЛОВИЗИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ТУРБУЛЕНТНОСТИ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОГО ПОТОКА
METHOD FOR THERMAL-IMAGING DETERMINATION OF TURBULENCE CHARACTERISTICS OF NON-ISOTHERMAL FLUX

Изобретение относится к технической физике, более конкретно к термографии, и может быть использовано при создании технологии тепловизионного определения количественных пульсационных характеристик турбулентности неизотермического потока жидкости путем измерения пространственно-временных параметров нестационарного температурного поля в зоне пограничного слоя.
Известен способ тепловизионной диагностики процессов теплоотдачи (Ru, №2255315 от 16.07.2004, G01K 13/02), включающий измерение температурных полей твердого тела и газового потока, причем измерение температурного поля газового потока, производимое синхронно с измерением температурного поля твердого тела, осуществляют путем размещения в газовом потоке преобразователя температуры в виде сетки таким образом, что обрез сетки находится в пределах толщины пограничного слоя при ламинарном течении газового потока или в пределах толщины вязкого подслоя при турбулентном течении газового потока.
К недостаткам данного способа относится то, что в известном устройстве присутствует сетка - преобразователь температуры, что позволяет выполнять измерения температурного поля только в газовом потоке, так как жидкость является непрозрачной для инфракрасного излучения (ИК), недостоверность и длительное время измерения параметров.
Наиболее близким по технической сущности является способ тепловизионного определения характеристик турбулентности газового потока (Ru, №2400717 от 09.06.2008, G01K 13/02) путем промера температурного поля, характеризующийся тем, что промер температуры осуществляют с помощью тепловизора, получая тепловизионную термовидеограмму горячего газового потока на фоне технологической поверхности, после чего находят последовательное изменение температуры в n-м количестве кадров, взятых из тепловизионного фильма в каждом контрольном пикселе, по которому определяют дисперсию изменения температуры по упомянутым кадрам для каждого контрольного пикселя, задают пороговое значение дисперсии, сравнивают значение дисперсии температуры в каждом контрольном пикселе с пороговым уровнем и по результатам сравнения выделяют контрольные пиксели, принадлежащие области существования факела, по значению дисперсии в которых судят о турбулентности и структуре газового потока.
К недостаткам данного способа относится то, что способ позволяет выполнять измерения температурного поля только в газовом потоке, так как жидкость является непрозрачной для инфракрасного излучения, недостоверность и длительное время измерения параметров.
Технической задачей является разработка способа тепловизионного определения количественных пульсационных характеристик турбулентности неизотермического потока жидкости, позволяющего снимать информацию из узкой (десятки микрон) локальной зоны контакта жидкости с твердой поверхностью стенки, прозрачной для ИК-излучения.
Техническим результатом решения поставленной задачи является идентификация участков турбулентного спектра в зоне пограничного слоя потока жидкости.
Технический результат достигается тем, что в способе тепловизионного определения характеристик турбулентности неизотермического потока жидкости путем промера температурного поля с помощью тепловизора, получая тепловизионную термовидеограмму и находя последовательное изменение температуры в n-м количестве кадров, взятых из цифрового тепловизионного фильма в каждом контрольном пикселе, выбирают сосуд с прозрачной для инфракрасного излучения стенкой, заполняют его жидкостью и осуществляют промер теплового потока в зоне пограничного с внутренней поверхностью стенки сосуда слоя, причем предварительно проводят точную фокусировку макрообъектива на внутренней поверхности стенки сосуда, затем по тепловизионной термовидеограмме определяют зависимость амплитуды пульсаций теплового потока от времени и с помощью прямого преобразования Фурье строят спектральные кривые пульсаций теплового потока в контрольных точках, по которым выделяют и сравнивают частоты изменения теплового потока, после определяют степенной закон и по результатам сравнения идентифицируют участки турбулентного спектра, при этом съемку цифрового тепловизионного фильма проводят с частотой кадров, как минимум вдвое превышающей измеряемую частоту пульсаций теплового потока.
Толщина пограничного участка жидкости составляет около 100 мкм.
На Фиг. 1 изображена блок-схема, поясняющая суть способа тепловизионного определения характеристик турбулентности неизотермического потока жидкости.
На Фиг. 2 изображено устройство для осуществления предложенного способа.
На Фиг. 3 приведен пример термовидеограммы.
На Фиг. 4 приведен пример постановки контрольной точки и график изменения температуры.
Устройство состоит из тепловизионной камеры (1), сосуда с жидкостью (2), инфракрасно-прозрачной стенки (3).
Предложенный способ заключается в следующем.
Объектив тепловизора (1) с малым фокусным расстоянием фокусируют на стенку (3) сосуда (2), прозрачную для ИК-излучения. Плоскостью наведения является внутренняя поверхность стенки (3), точность фокусировки 0,1 мм.
Производят тепловизором (1) съемку цифровой тепловизионной термовидеограммы турбулентного неизотермического течения жидкости - излучения из зоны контакта жидкости со стенкой (3). На Фиг. 3 приведен пример термовидеограммы. Частоту съемки выбирают такой, чтобы ее значение превышало по крайней мере в 2 раза максимальное значение частоты пульсаций, которое требуется измерить. Это связано с тем, что на каждую пульсацию теплового потока должно приходиться не менее двух кадров термовидеограммы для однознозначной идентификации пульсаций. Для стандартных турбулентных спектров воды такое значение - 30-40 Гц.
Выбирают контрольные точки (пиксели) для снятия спектров, после чего находят последовательное изменение температуры в n-м количестве кадров, взятых из цифрового тепловизионного фильма в каждом контрольном пикселе с длительностью съемки не менее нескольких минут. На Фиг. 4 приведен пример постановки контрольной точки и график изменения температуры.
С помощью стандартной программы, реализующей быстрое преобразование Фурье (FFT) (например, в программной среде Python), строят спектральные кривые пульсаций теплового потока, в контрольных точках - зависимости приведенной плотности энергии от частоты пульсаций. Для определения степенного закона и идентификации спектров пульсации жидкости исследуемая функциональная зависимость представляют в двойных логарифмических координатах, где степенные законы соответствуют прямым линиям. На Фиг. 4 представлены спектральные кривые пульсации теплового потока в двойных логарифмических координатах.
По полученным энергетическим спектрам выделяют и сравнивают частоты изменения теплового потока, определяют степенной закон наклона образующей спектральной кривой.
-5/3
По результатам сравнения идентифицируют участки турбулентного спектра - те участки, на которых угол наклона верхней образующей при наложении касательных совпадает с углом наклона прямой -5/3 (Закон Колмогорова Е(k)~k - изображен пунктирной линией на Фиг. 4, где
Е - энергия,
k - волновое число).
На Фиг. 4 представлено визуальное сравнение для идентификации участков турбулентного спектра.
По результатам данного сравнения выделяют контрольные точки, принадлежащие области существования турбулентного течения в пограничном слое жидкости. Определяют количественно диапазон частот, в котором течение жидкости в каждой контрольной точке является турбулентным.
Таким образом, использование данного способа тепловизионного определения количественных пульсационных характеристик турбулентности неизотермического потока жидкости путем измерения пространственно-временных параметров нестационарного температурного поля позволяет идентифицировать участки турбулентного спектра в зоне пограничного слоя потока жидкости, что решает задачу верификации и валидациии расчетных кодов.