СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКРУЖНОГО ПРОФИЛЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ ЖИДКОЙ ФАЗЫ В РАСПЫЛЯЕМОЙ ДИСПЕРСНОЙ СРЕДЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПЛОСКОСТНОЙ ЛАЗЕРНО-ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
METHOD FOR DETERMINING CIRCUMFERENTIAL PROFILE OF RELATIVE CONCENTRATION OF LIQUID PHASE IN SPRAYED DISPERSED MEDIUM USING PLANAR LASER-INDUCED FLUORESCENCE

Изобретение относится к области исследования физических характеристик дисперсных сред с помощью оптических методов. Изобретение может быть использовано для диагностики топливных форсунок, так как поток на выходе из форсунки представляет собой дисперсную среду. Кроме того, изобретение может быть использовано для исследований лекарственных распылителей в фармацевтике, распылителей для жидких растворов в сельском хозяйстве, систем для нанесения покрытий (аэрографы), систем для пожаротушения и систем для охлаждения, использующих форсунки.Изобретение может быть использовано в научно-исследовательских и инженерно-технических работах по экспериментальному определению физических характеристик газокапельных течений.
Для определения физических характеристик дисперсных сред используют такие методы, как упругое (Mie) рассеяние, плоскостная лазерно-индуцированная флуоресценция (ПЛИФ) (Planarlaser-inducedfluorescence, PLIF), фазовый доплеровский анализ частиц (PDPA), метод сдвига во времени (Time-shift), методы, основанные на затухании или ослаблении лазерного света, а также многие другие.
Наиболее широко применяемыми методами для исследований физических характеристик аэрозолей являются упругое (Mie) рассеяние и плоскостная лазерно-индуцированная флуоресценция (PLIF), поскольку они позволяют проводить детальные пространственно-распределённые измерения и используют довольно многоцелевое оборудование, такое как лазеры и цифровые камеры. В PLIF,кроме того, полученные данные напрямую связаны с объёмной концентрацией жидкости в плоскости измерения.
Лишь небольшое число из методов упругого (Mie) рассеяния и PLIF посвящено измерениям в поперечной плоскости с количественной оценкой структуры факела распыла.
Известен способ исследования структуры факела распыла топливными форсунками при сжигании керосина в камерах сгорания газовых турбин высокого давления [R.J. Locke, Y. R. Hicks, R.C. Anderson, M.M. Zaller, Combustion Scienceand Technology, 138, 297 (1998)], основанный на одновременном применении оптических методов PLIF и Mie для описания структуры и эволюции факела распыла топлива с увеличением расстояния от выхода из сопла.
Известен способ определения характеристик трёхмерных структур, создаваемых топливной форсункой авиационного двигателя под высоким давлением с использованием лазерно-индуцированной флуоресценции (LIF) и упругого рассеяния (Mie) [M.K. Lai, W.G. Freeman, P.R. Yankowich, J.D. Bryant, P. Walterscheid, Proceedings of the ASME TurboExpo 2004, 665(2004)].
В указанной работе не предоставлено подробностей об экспериментальной технике и обработке данных.
Известен способ структурированной плоскостной визуализации с лазерной подсветкой (Structured Laser Illumination Planar Imaging (SLIPI)) [E. Berrocal, E. Kristensson, P. Hottenbach, M. Aldén , G. Gruenefeld, Quantitative imaging of a non-combusting diesel spray using structured laser illumination planar imaging”, Appl. Phys. B (2012) 109:683–694], основанный на пространственно модулированных световых ножах лазера для Mie или LIF визуализации.
Недостатки известных способов, основанных на одновременном применении методов LIF и Mie, связаны с многократным рассеянием света, в результате которого получаемые данные оказываются ошибочными. Основное ограничение лазерных методов количественного измерения структуры факела распыла связано с регистрацией многократного рассеяния света, возникающего из-за высокой оптической плотности рассеивающей среды. Второе ограничение - это ослабление падающего лазерного излучения при его прохождении через аэрозоль, а также ослабление регистрируемого сигнала. Большинство из перечисленных способов сложны в реализации, что ограничивает их применимость в прикладных задачах.
За прототип выбран основанный на ПЛИФ способ определения массовой концентрации дисперсной фазы в плоскости лазерного ножа и неравномерности распыла двухкомпонентной топливной форсунки (like-doublet injector spray) [K. Jung, H. Koh, Y. Yoon, Meas .Sci. Technol. 14, 1387 (2003)]. Авторы использовали двойной (встречный) лазерный нож, чтобы уменьшить эффект ослабления лазерного излучения при его прохождении через аэрозоль. В этой работе экспериментально было обнаружено, что ослабление падающего лазерного излучения и флуоресцентного сигнала незначительны, поскольку зона концентрированного спрея является узкой. Кроме того, была определена оптимальная мощность падающего лазерного излучения, обеспечивающего линейную зависимость регистрируемого сигнала от яркости флуоресценции и позволяющего получить высокое отношение сигнал/шум. В результате работы было измерено распределение массовой концентрации распыляемого вещества двухкомпонентной форсункой.
Указанный способ даёт хорошие результаты только для ограниченного спектра форсунок, для которых ослаблением падающего лазерного излучения или флуоресцентного сигнала возможно пренебречь благодаря малому размеру области концентрированного аэрозоля.
Задачей настоящего изобретения является создание простого в реализации и обладающего высокой точностью оптического способа определения окружного профиля относительной концентрации жидкой фазы в факеле распыла с использованием плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции.
Такой способ может стать основой для определения характеристик факела распыла жидкости, например, таких как угол раскрытия факела распыла, угол отклонения его оси, величина окружной неравномерности концентрации и расхода жидкости в факеле распыла.
Создание простого в реализации и точного оптического способа диагностики дисперсных газожидкостных потоков актуально для практического использования в промышленности, например, для диагностики топливных форсунок на предприятиях, которые занимаются разработкой и изготовлением авиационных двигателей.
Предложен способ определения окружного профиля относительной концентрации жидкой фазы в распыляемой жидкости с использованием плоскостной лазерно-индуцированной флуоресценции (ПЛИФ) (Planar laser-induced fluorescence, PLIF).
Способ определения окружного профиля относительной концентрации при распыле жидкостей с использованием ПЛИФ включает регистрацию изображений и обработку данных (изображений), причём регистрацию изображений осуществляют путём последовательного выполнения следующих действий:
- распыление форсункой жидкости с добавленным в неё люминофором;
- освещение лазерным ножом непрерывного лазера выбранного сечения потока;
- регистрация установленной под углом кизмерительному объёму ПЗС-камерой изображений с заданной длительностью выдержки;
- передача полученных изображений по локальной линии связи для обработки на ПК.
Согласно изобретению, при регистрации изображений непрерывным лазером с оптикой формируют световой нож с длиной волны, соответствующей длине волны возбуждения люминесценции используемого люминофора, выровненный в горизонтальной плоскости, ортогонально оси сопла форсунки, форсунку, присоединенную к линии подачи через прямой поворотный фитинг, вращают вокруг её оси симметрии с заданным шагом, ПЗС-камерой, установленной над распылительным соплом форсунки под углом к измерительному объёму, регистрируют 16-битное изображение с длительностью выдержки, необходимой для получения яркого, но не пересвеченного изображения, либо набор подобных изображений, в каждой позиции форсунки, получая набор изображений, снятых при разных углах поворота сопла θ,
Согласно изобретению, обработку данных осуществляют путём выполнения следующих  шагов:
1. геометрическая реконструкция изображений с использованием калибровочного изображения мишени;
2. идентификация центра факела распыла в плоскости сечения лазерным ножом (плоскости измерений) путём приближения окружности в плоскости измерения;
3. преобразование изображения в полярные координаты с центром системы координат в найденном центре факела распыла в плоскости измерений и численное интегрирование интенсивности изображения по секторам с заданным;
4. коррекция и нормировка углового профиля распределения концентрации жидкости в факеле распыла в плоскости измерений.
Согласно изобретению, нормировку углового профиля распределения концентрации жидкости в факеле распыла в плоскости измерений для отдельных углов поворота выполняют путём использования кругового профиля, усредненного по разным углам поворота форсунки вокруг её оси, следующим образом:
Q
φ
q
φ
θ
N
k
i
θ
где- нормированная относительная концентрация в секторе , - не нормированная относительная концентрация в секторе , - угол поворота сопла, - общее количество углов поворота, индекс  определяет рассматриваемый угол поворота сопла, индекс   «пробегает» все значения по углу поворота форсунки.
Согласно изобретению, угол расположения видеокамеры подбирают в зависимости от конфигурации установки таким образом, чтобы получить максимально качественное ПЛИФ-изображение, охватывающее всю освещённую лазерным ножом область факела распыла.
Согласно изобретению, вращение форсунки может быть эквивалентно заменено вращением видеокамеры и лазера вокруг оси симметрии форсунки с заданным равным шагом.
Способ определения окружного профиля относительной концентрации жидкой фазы в факеле распыла с использованием метода ПЛИФ осуществляют на установке, схема которой показана на фиг. 1, где: 1 – регулятор давления, 2 – манометр, 3 – форсунка на поворотной платформе, 4 – видеокамера, 5 – лазер, 6 – бак с барабаном из двенадцати секторов, 7 – колбы для сбора воды (для каждого сектора барабана).
Измерительная система включает лазер 5, видеокамеру 4, форсунку 3 на поворотной платформе и ПК (персональный компьютер) со специально разработанным программным обеспечением для обработки ПЛИФ-изображений (на фигуре не показано). Форсунка присоединена к линии подачи через прямой поворотный фитинг, который позволяет вращать её вокруг оси симметрии. Видеокамера 4 с объективом и светофильтром, используемым для подавления света на длине волны излучения лазера (длине волны возбуждения флуоресценции), а также фонового излучения за пределами спектра люминесценции люминофора, помещена над соплом форсунки под углом к измерительному объёму. Угол расположения видеокамеры подбирают в зависимости от конфигурации установки таким образом, чтобы получить максимально качественное ПЛИФ-изображение, охватывающее всю освещённую лазерным ножом область факела распыла. В случае, когда размер факела распыла сопоставим с расстоянием от плоскости измерения (плоскости светового ножа) до объектива видеокамеры, разные углы сбора света для разных частей факела распыла, а также разная длина пути прохождения света через объём факела распыла влияют на качество ПЛИФ-изображения.
В рабочую жидкость добавляют люминофор, например, краситель родамин 6G. Для освещения факела распыла используют непрерывный лазер 5 с оптикой, формирующей расходящийся, либо коллимированный (плоскопараллельный) световой нож, выровненный в горизонтальной плоскости, ортогонально оси форсунки. Формирование расходящегося светового ножа (divergent lightsheet) технически проще, чем формирование обычно применяемого коллимированного светового ножа. Обычно коллимированный световой нож используют, чтобы избежать изменения энергии вдоль светового ножа, но для формирования коллимированного светового ножа требуются оптические элементы размера, сопоставимого с размером измерительного объёма, что технически сложно в реализации, особенно в случае факела распыла большого размера. При описываемом способе допускается использование расходящегося светового ножа.
Способ включает следующие этапы:
1 этап. Подготовка к измерению.
1. Установка измерительного оборудования (лазера и видеокамеры).
2. Калибровка измерительного оборудования пространственная по калибровочной мишени.
3. Калибровка измерительной системы на распределение интенсивности возбуждающего излучения с заполнением измерительного объёма мелкодисперсным аэрозолем однородной концентрации.
4. Включение форсунки.
θ
2 этап. Сбор данных (измерения для каждого азимутального угла ).
Сбор данных включает регистрацию видеокамерой набора изображений положений сопла, передачу этих изображений для обработки на ПК.
Для выполнения коррекции перспективных искажений (геометрическая реконструкция) перед измерениями снимают изображение калибровочной мишени, помещенной в плоскость светового ножа. Во время измерений форсунку вращают вокруг её оси симметрии с заданным равным шагом и для каждой позиции получают одно 16-битное изображение с длительностью выдержки, необходимой для получения яркого, но не пересвеченного изображения, либо набор подобных изображений.
Таким образом, на этом этапе выполняют следующие действия:
1. Регистрация набора изображений при заданном азимутальном угле.
.
Выбранное сечение потока освещают лазерным ножом, при этом краситель переизлучает поглощённый свет как плоскость определенной толщины. Люминесцентный краситель в жидкости, подсвечиваемой лазерным ножом, люминесцирует равномерно во все стороны. С использованием установленного на объективе оптического фильтра, подавляющего излучение лазера, камера регистрирует излучение красителя. По интенсивности люминесценции, регистрируемой видеокамерой, измеряют объёмную концентрацию красителя Так как краситель равномерно распределён в рабочей жидкости, информация об объёмной концентрации красителя позволяет сделать вывод об объёмной концентрации жидкости в плоскости лазерного ножа.
2. Изменение азимутального угла.
Выполняют поворот форсунки вокруг её оси симметрии, либо оборудования (видеокамеры и лазера) вокруг оси форсунки на заданный шаг.
3. Далее повторяют с п. 1, выполняя регистрацию набора изображений при новом азимутальном угле.
θ
Набор изображений, снятых при разных азимутальных углах поворота сопла , используют в процедурах обработки и для оценки неопределенности измерения.
3 этап. Обработка данных (изображений).
Процедура обработки включает следующие действия:
1. геометрическая реконструкция изображения,
2. идентификация центра факела распыла в плоскости измерений,
3. преобразование системы координат и интегрирование сигнала,
4. коррекция и нормировка углового профиля распределения концентрации жидкости в факеле распыла в плоскости измерений.
В экспериментальных исследованиях использовали измерительную систему, включающую:
- ПЗС-камеру с объективом и фильтром из цветного стекла, используемым для подавления света на длине волны излучения, которая была помещена над распылительным устройством под углом к измерительному объёму.
- непрерывный лазер с диодной накачкой (DPSS) c длиной волны излучения 532 нм, с оптикой, формирующей лазерный нож,
- центробежную форсунку на поворотной платформе.
Экспериментальные исследования проводились при атмосферном давлении окружающей среды. В качестве рабочей жидкости использовали дистиллированную водус добавлением люминофора родамин 6G (30 мкг на литр).
Сопло вращали вокруг оси симметрии форсунки с шагом 15 градусов и для каждой позиции (всего 24 позиции) получали одно или несколько 16-битных изображений с длительностью выдержки около 1 секунды.
θ
Набор изображений, снятых при разных углах поворота сопла , использовали в процедурах коррекции и для оценки неопределенности измерения.
Обработка изображений состояла из нескольких этапов:
1. геометрическая реконструкция изображений,
2. идентификация центра распыла,
3. преобразование системы координат и интегрирование сигнала,
4. коррекция и нормировка углового профиля распределения концентрации жидкости в факеле распыла в плоскости измерений.
Геометрическая реконструкция изображений была выполнена с использованием калибровочного изображения мишени и алгоритма репроекции (back-projection algorithm) с полиномиальной моделью второго порядка [S.M. Soloff, R.J. Adrain, Z-C. Liu, Meas. Sci. Technol., 8, 1441 (1997) 5].
Затем выполняли идентификацию центра распыла, используя приближение окружности в плоскости измерения. Для выполнения аппроксимации были определены два положения максимума яркости изображения (по одному максимуму в каждой половине изображения) по каждой из строк и столбцов изображения, а затем положения максимумов были аппроксимированы кругом. Сильные выбросы, которые могут появиться в списке максимумов яркости изображения из-за локального отклонения формы спрея от кольцевой (круговой), бликов на изображении или дефектных пикселей матрицы камеры, искажают простую аппроксимацию, выполняемую методом наименьших квадратов, поэтому для предотвращения искажений использовали более надёжную оценку параметров окружности методом RANSAC [M. Fischler, R. Bolles, Communications of the ACM, 24, 381 (1981)]. Чтобы определить внешнюю границу факела распыла на изображении, радиус круга увеличивали до тех пор, пока средняя интенсивность по его периметру не становилась меньше порогового значения, немного превышавшего яркость фона.
После идентификации центра факела распыла на изображении и ограничивающего по внешней области изображение факела радиуса было выполнено преобразование изображения в полярные координаты с центром системы координат в найденном центре факела распыла и численное интегрирование интенсивности изображения по секторам с заданным шагом по углу.
Процедура обработки данных была применена к набору экспериментальных изображений. Чтобы устранить вариации яркости на изображении, вызванные неоднородностью интенсивности возбуждающего излучения, предварительно была выполнена процедура коррекции на распределение энергии в лазерном ноже (т.н. коррекции лазерного ножа). Для выполнения коррекции объём был заполнен мелкодисперсной взвесью воды (туманом) с добавлением люминофора. После того, как устанавливалось равномерное распределение тумана в измерительном объёме, способом, аналогичным способу регистрации ПЛИФ-изображений спрея, регистрировались ПЛИФ-изображения тумана.
Стандартную коррекцию ПЛИФ-изображений выполняли с использованием следующего соотношения:
,
I
(x,y)
x, y
I
(x, y)
I
(x, y)
c
0
ls
ls
где  – интенсивность изображения после коррекции в точке (пикселе) с координатами ,  – начальная интенсивность изображения, – интенсивность ПЛИФ-изображения тумана в том же пикселе,  – интенсивность ПЛИФ-изображения тумана, усредненная по измерительному объёму.
θ
Пример исходного ПЛИФ-изображения спрея для угла поворота форсунки  = 0° и результат геометрической реконструкции и коррекции лазерного ножа, соответственно, - на фиг. 2 и 3. Видно, что форма факела распыла в сечении в целом близка к круговой с большим количеством локальных вариаций интенсивности.
После коррекции лазерного ножа изображение представляет собой распределение относительной концентрации жидкости.
Для количественной оценки точности идентификации центра факела распыла на экспериментальном изображении использовали предположение, что условия потока внутри линии подачи не изменяются при вращении сопла, то есть характерные особенности факела распыла вращаются при вращении форсунки, а «паразитные» вариации яркости остаются на месте.
θ
θ
θ
θ
θ
θ
На фиг. 4 показаны угловые профили распределения концентрации жидкости в факеле распыла в плоскости измерений, содержащие паразитные вариации яркости для разных углов поворота сопла, где  = 0°,  = 45°,  = 90  ,  = 150°,  = 195°,  = 285°. На фиг.4 обозначены уровни относительной концентрации: 1,2; 0,8; 0,4; 0. Сильные крупномасштабные искажения оставались неподвижными при вращении форсунки (см. фиг. 4). Паразитные искажения, которые остались после коррекции лазерного ножа связаны с различием оптического пути излучения через объём спрея для разных частей измерительного объёма и ослаблением лазерного ножа в измерительном объёме.
Предположение позволяет использовать круговой профиль, усредненный по разным углам поворота форсунки, в качестве эталона для нормирования профилей при каждом из углов поворота форсунки, чтобы исключить паразитные вариации яркости, следующим образом:
,
Q
φ
q
φ
θ
N
k
i
θ
где- нормированная относительная концентрация в секторе , - не нормированная относительная концентрация в секторе , - угол поворота сопла, - общее количество углов поворота,  определяет рассматриваемый угол поворота сопла,   - «пробегает» все значения по углу поворота форсунки.
θ
Для проверки этого подхода были рассчитаны профили, усредненные по 24, 12, 6 и 3 углам поворота .
I
ϕ
N
N
..
θ
θ
На фиг. 5 показаны угловые профили нормированной яркости () в секторе (), усредненные по разному количеству углов поворота= 3, 6, 12, 24. Профили, усредненные по 24 и 12 углам поворота, достаточно хорошо соответствуют друг другу, что указывает на достаточный объём выборки
На фиг. 6 и 7 показаны ПЛИФ-изображения (фиг. 6) с идентифицированными центрами, радиусами и профилями относительной угловой концентрации для углов поворота сопла 0° и 90° (фиг. 7). Профили хорошо соответствуют друг другу и демонстрируют общие структуры факела распыла. Следовательно, можно сделать вывод, что процедура коррекции позволяет устранять большинство источников ошибок и получать угловые профили, которые чётко отражают угловую неравномерность распыла.
Для количественной оценки погрешности измерения среднеквадратичное значение относительной концентрации оценивали по профилям для 24 отдельных углов поворота сопла. На фиг. 8 показана среднеквадратическая ошибка (RMS, %) углового распределения относительной концентрации для секторов с шагом Δφ = 5° и Δφ = 30°. Среднеквадратическое отклонение величины относительной концентрации составляло менее 10 % для профиля с шагом Δφ = 5°.
В описанном эксперименте погрешность может быть частично связана с изменением условий течения в подводящем тракте и ошибки в установке угла поворота форсунки, поэтому это значение следует рассматривать как верхнюю границу погрешности измерения.