СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ЭКСПРЕСС ДИАГНОСТИКИ ПЕРИОДИЧЕСКОГО НЕСТАЦИОНАРНОГО ВИХРЕВОГО ТЕЧЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR COMPLEX EXPRESS DIAGNOSTICS OF PERIODIC NONSTATIONARY VORTEX FLOW AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать особенности газожидкостных потоков. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях, связанных с диагностикой газожидкостных течений. Возможно применение в других областях науки и промышленности, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений и контроля газожидкостных течений в вихревых аппаратах или других аналогичных устройствах.
Известен способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации (патент РФ №2498319, G01P 5/26, 2012 г.), основанный на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии ЛДА и цифровой трассерной визуализации (PIV), включающий импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, 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, оптические призмы, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер. С помощью данного устройства можно проводить диагностику нестационарного вихревого потока за ротором ветро- или гидроагрегата. Отличительной особенностью данной диагностики является то, что лазерное излучение формируют импульсным лазером с энергией импульса ≥120 мДж и частотой срабатывания ≥16 Гц, а измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры проводят в двух и боле фиксированных точках нестационарного вихревого потока, с учетом размера исследуемой вихревой структуры (в ядре и на радиусе) за ротором ветро- или гидроагрегата, при этом исследуемое вихревое нестационарное течение освещают лазерным ножом, проходящим вертикально в направлении основного набегающего потока через дно канала и ось ротора, фиксируя изображение засеянных частиц двумя, установленными под углом 30÷120° друг к другу и углом 15÷60° к оси канала, CCD камерами с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, принимающими отраженный частицами свет, прошедший через оптические призмы заданной геометрии, заполненные водой. В то время как запись изображений осуществляют через временной интервал T/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры, проводят статистическое осреднение для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т, … n(m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных скорости.
Однако при всей своей информативности данный способ обладает рядом недостатков, а именно с его помощью нельзя диагностировать двухфазные нестационарные вихревые течения, например в паровых турбинах или криогенных устройствах, использующих сжиженные газы. Точнее, данный способ применим только по отдельности либо для жидкости, либо для газа.
2
2
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту-способу следует отнести способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока (патент РФ №2523737, G01P 5/26, 2013 г.), основанный на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включающий определение полного периода пульсаций вихревой структуры гидропотока и временного интервала между сериями изображений, фиксирование CCD камерами, запись через заданный временной интервал изображений засеянных частиц в потоке и статистическое осреднение мгновенных полей скоростей, в котором перед началом диагностики гидропотока вычисляют угол А, оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля, пробоотбора взвеси калибровочных частиц, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучением с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30÷60 секунд распределения взвеси засеивающих частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в одной плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярного оси кюветы, под углом А относительно друг друга так, что обеспечивается измерением интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, устанавливают CCD камеры под углом А, друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х или более фиксированных точках нестационарного гидропотока, изображения засеянных частиц в потоке в выбранном сечении «лазерного ножа» фиксируют двумя CCD камерами, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры Т, статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т, … n(m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости, при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц проводят анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц путем помещения образца рабочей жидкости из области измерений в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучателем с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 с распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А, относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, вносят корректировки в параметры пороговой чувствительности CCD камер, причем анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц с внесением корректировок в параметры пороговой чувствительности CCD камер повторяют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.
Способ, принятый за прототип, так же, как и предыдущий аналог, применим только для исследования вихревых течений в газе. К тому же, он весьма трудоемок и продолжителен по времени, что не всегда согласуется со временем «жизни» - образования вихревого течения в реальных условиях, например, в вихревом аппарате паровой турбины или другого аналогичного вихревого аппарата.
2
2
2
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому объекту-устройству следует отнести устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений (патент РФ N 121082 U1, заявл. 10.05.2012 г., опубл. 10.10.2012 г.), включающее лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений и персональный компьютер, в котором дополнительно включен корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного допплеровского анемометра, шесть и более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярный оси кюветы, под углом А относительно друг друга, при этом крайний фотоприемник установлен под углом А относительно оси лазерного излучателя, причем угол А выбирают из условия обеспечения измерений интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°.
Однако, данное устройство, принятое за прототип к объекту-устройству, как и ранее приведенные способы с устройствами для их реализации, также малопригодно для достижения нижеуказанного технического результата. К тому же оно слишком сложно в реализации и малоэффективно в процессе эксплуатации, а если сказать более точно - оно не пригодно для комплексного экспресс-анализа периодически нестационарного вихревого течения двухфазной смеси с большим содержанием в ней газовой компоненты.
Заявляемая группа изобретений направлена на решение единой задачи, заключающейся в устранении вышеперечисленных недостатков и проблем путем реализации нового способа комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения и устройства для его реализации, при любом процентном отношении содержания в двухфазной исследуемой смеси количества жидкости к газу.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата, при осуществлении заявляемой группы изобретений, заключающегося в получении более простого и эффективного способа и устройства для проведения комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения с улучшенными технико-эксплуатационными параметрами, в том числе повышенной точностью измерения параметров исследуемой двухфазной смеси.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается известным способом комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения, основанный на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включающий пропускание через измеряемый объем лазерного излучения, проведение измерений с получением полного периода пульсаций, определение на основе полученной информации временного интервала между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения когерентным лазерным светом, фиксирование изображения двумя CCD камерами, принимающими отраженный свет, и запись информации в заданном интервале времени, согласно изобретению при диагностике периодического нестационарного вихревого течения, индуцированного вращающимся прецессирующим ядром (ПВЯ), одновременно формируют сигнал скорости и акустические сигналы (опорные сигналы), с помощью которых отслеживают фазу пульсаций, при этом в качестве источника акустических сигналов применяют либо пьезокерамические гидрофоны сферической формы диаметром 3÷5 мм, либо прецизионные конденсаторные микрофоны фирмы , снабженные специальным наконечником с внешним диаметром 1-2 мм, а затем уже используют полученные сигналы для определения временных границ каждого периода прецессии.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что в качестве временных границ каждого периода прецессии используют моменты прохождения прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) вблизи насадки конденсаторного микрофона или пьезокерамического гидрофона, при этом моменты времени прохождения соответствуют точкам минимумов на реализации опорного сигнала, поскольку прецессирующее вихревое ядро (ПВЯ) индуцирует зону разрежения на своей оси.
Указанный технический результат по объекту-способу достигается также тем, что моменты времени каждой измеренной точки скорости пересчитывают в фазовый угол от момента начала каждого периода прецессии, а в качестве полного текущего периода прецессии используют фазовый угол, равный 360°, при этом для определения среднего значения скорости полный фазовый угол разбивают на множество равных сегментов, преимущественно, на 72 пересекающихся сегмента не более 10° и перекрытием, равным 50%.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству для реализации способа комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения, основанного на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), достигается тем, что известное устройство, включающее целый комплекс оборудования и приборов, содержит: лазерный допплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки допплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, исследовательский модуль пробоотбора взвеси частиц и исследовательский контейнер для протока рабочей жидкости, выполненный из оптически прозрачного материала, согласно изобретению исследовательский контейнер, выполненный из оптически прозрачного материала, расположен вертикально на пути следования потока периодического нестационарного вихревого течения, а во внутреннем пространстве его установлен завихритель с расширителем, для создания прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ), а также источник акустических сигналов, в качестве которых используют пьезокерамические гидрофоны сферической формы диаметром 3÷5 мм, либо прецизионные конденсаторные микрофоны фирмы , снабженные специальным наконечником с внешним диаметром 1-2 мм.
Указанный единый технический результат при осуществлении группы изобретений по объекту-устройству для реализации способа комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения, основанного на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), достигается также тем, что источники акустических сигналов, которые расположены во внутреннем пространстве исследовательского контейнера, сгруппированы в виде отдельных сопряженных пар, диаметрально или соосно установленных друг относительно друга, при этом источники акустических сигналов расположены после завихрителя диаметрально друг относительно друга в плоскостях, перпендикулярных его оси. Количество пар источников акустических сигналов одна и более.
Заявляемая группа изобретений соответствует требованию единства изобретений, поскольку группа разнообразных изобретений образует единый изобретательский замысел.
Из уровня техники заявитель не обнаружил сведения, содержащие совокупность признаков, сходных или эквивалентных заявляемым. Это позволяет сделать вывод о соответствии предложенных изобретений критериям «новизна» и «изобретательский уровень» по действующему законодательству.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 схематично изображено заявляемое устройство.
На фиг. 2 представлена процедура фазового осреднения ЛДА сигнала - одновременная реализация опорного сигнала и скорости (показана только часть реализаций длительностью 100 мс).
На фиг. 3 представлена процедура фазового осреднения ЛДА сигнала - все точки (сигналы) с временем, преобразованным в фазовый угол от начала периода прецессии.
На фиг. 4 представлена результирующая диаграмма, выполненная в виде сетки измерительных точек.
На фиг. 5 представлена обработанная трехмерная диаграмма измерительных точек (фазовый угол фазово-осредненного сигнала используется как дополнительная пространственная координата).
На фиг. 6 показана визуализация преобразованной трехмерной диаграммы измерительных точек, выведенная на монитор компьютера. 1 - показывает элемент рабочего канала; 2, 3, 4 - визуализированные вихревые структуры.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемой группы изобретений с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.
ц
Способ комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения основан на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), а также использования эффекта прецессии вихревого ядра (ПВЯ) внутри исследовательского объема. Предлагаемый способ включает пропускание через измерительный объем лазерного излучения, проведение измерений с получением полного периода пульсаций, определение на основе полученной информации временного интервала между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения когерентным лазерным светом, фиксирование изображения двумя CCD камерами, принимающими отраженный свет и запись информации в заданном интервале времени. Особенностью предлагаемого способа является то, что при диагностике периодического нестационарного вихревого течения, индуцированного вращающимся прецессирующим ядром (ПВЯ), применяют одновременную реализацию сигнала скорости и опорного сигнала, с помощью которых отслеживают фазу пульсаций. С этой целью внутри исследовательского контейнера, на пути следования газожидкостного потока, располагают центробежный завихритель и устанавливают дополнительные источники акустических сигналов. В исследуемом контейнере измеряют также и интегральные характеристики двухфазного потока - перепад давления на вихревой структуре и радиальный перепад давления в вихревом потоке. Все полученные сигналы со всех измерителей тут же оцифровывают при помощи АЦП и вводят в персональный компьютер. Далее с помощью специальных программ осуществляют обработку полученной информации, и результаты выводят на экран персонального компьютера либо в виде отдельных графиков, либо в виде трехмерных диаграмм и слайдов. Так, например, при построении трехмерной диаграммы, визуализация которой показана на фиг. 6, была использована программа для обработки записанных реализаций сигнала скорости и опорного сигнала (см. фиг. 2). Опорный акустический сигнал использовался для определения временных границ каждого периода прецессии (см. фиг. 3). В качестве таких границ использовались моменты прохождения ПВЯ вблизи наконечника источника акустических сигналов. Заметим, что эти моменты времени соответствуют точкам минимумов в реализации опорного сигнала, поскольку ПВЯ индуцирует разряжение на своей оси. Моменты времени каждой измеренной точки скорости затем пересчитывались в фазовый угол от начала данного периода прецессии. Полный текущий период прецессии предполагался равным фазовому углу 360°. Результирующая диаграмма, выполненная в виде двухмерной сетки, показывает все обработанные точки отдельной реализации (см. фиг. 4). Следующим шагом было разбиение полного фазового угла на 72 пересекающихся (перекрытие 50%) сегментов шириной 10°. Внутри каждого такого сегмента определялось среднее значение скорости. Результирующая фазово-осредненная кривая показана в виде пунктирной линии, которая представляет определенное изменение скорости в течение полного периода прецессии. В каждый пространственной точке измерялись три подобные реализации скорости (на основе трех реализаций вычислялось среднее распределение), включающее в себя в общей сложности N циклов периодов прецессии. Измерения были выполнены в пространственных точках двухмерной r-z плоскости (r, z, θ - цилиндрические полярные координаты) для все трех компонент скорости (см. фиг. 5). Таким образом, временная координата была преобразована в дополнительную пространственную координату, что позволило восстановление трехмерной структуры течения внутри объема цилиндрической области (см. фиг. 5). Из приведенных графиков и диаграммы следует, что качественный характер зависимости частоты прецессии и перепад давления от расхода жидкой фазы остается таким же, как и для чистой жидкости. Таким образом, в процессе исследований газожидкостного закрученного потока обнаружено скачкообразное изменение характеристик вихря при небольшой подаче газа и подавление автоколебаний при увеличении расхода газа. Показано, что при сильной закрутке газожидкостной смеси связь между характеристиками вихревого потока остается такой же, как и в чистой однофазной жидкости, что означает эффективное разделение жидкой и газовой фаз и то, что движение прецессирующего вихря определяется движением жидкой фазы. Это позволяет применение для описания такого рода течения моделей, развитых для однофазных жидкостей.
Эффект уменьшения уровня пульсаций при подаче газа, вплоть до полного подавления пульсаций, может быть использован для борьбы с автоколебаниями вихревого жгута, образующегося в отсасывающей трубе гидротурбины.
Для осуществления заявляемого способа комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения, основанного на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), предлагается устройство, включающее целый комплекс оборудования и приборов. Данное устройство включает лазерный допплеровский анемометр 1 (фиг. 1) с оптическим зондом, процессор обработки допплеровских сигналов 2, две CCD камеры 3, две оптические призмы 4, заполненные водой, процессор обработки изображений 5, исследовательский контейнер 6, выполненный из оптического прозрачного материала, внутри которого установлен завихритель 7, для формирования исследуемого вихревого потока, с расширителем 8, выполненным в виде цилиндрического сопла, замкнутый гидравлический контур 9, для получения и прокачки вихревого нестационарного газожидкостного потока через участок исследования, содержащий бак с водой 10, насосный агрегат 11, узел подготовки исследуемой жидкости 12 с системой газонасыщения, персональный компьютер 13, регуляторы давления и измерители температуры, измерители расходов жидкости и газа и другие приборы контроля и регистрации всех параметров, которые необходимы для проведения эксперимента (последние условно не показаны).
Заявленное устройство работает следующим образом. Предварительно откалиброванные и протестированные источники акустических сигналов устанавливают в исследовательский контейнер 6 (фиг. 1), который располагают строго вертикально, и соединяют с соответствующими приборами и компьютером. Затем включают насосный агрегат 11 и устанавливают с помощью специальной программы конкретный режим исследования. При этом во время проведения каждого эксперимента все параметры и измерительные сигналы тут же заносятся в память компьютера. После набора соответствующего количества они обрабатываются и сравниваются с ранее полученными данными при первичном тестировании, а уже затем только служат реперами при построении той или иной модели периодического нестационарного вихревого течения, наблюдаемого в том или другом вихревом аппарате. Следует отметить, что данное устройство позволяет смоделировать любые вихревые потоки с различным соотношением газа и жидкости, включая и с нулевым содержанием любой из компонентов смеси. Так, при работе с воздушным потоком, применялись прецизионные конденсаторные микрофоны В&К тип 4189 компании . Микрофоны снабжались специальным наконечником с внешним диаметром 1÷2 мм для отбора давления в локальной точке. Микрофоны были укомплектованы усилителем В&К-2230, сигнал с которого оцифровывался платой АЦП Fulcrum DT-3808 и обрабатывался на персональном компьютере с использованием оригинального программного обеспечения (Fernandes, 1998). В то время как при работе на чистой воде применялись пьезокерамические гидрофоны сферической формы диаметром 3÷5 мм и усиленные с помощью усилителей заряда электрические сигналы с гидрофонных датчиков поступали через плату АЦП «L-Card» уже на персональный компьютер. Рабочая смесь, подготовленная с помощью узла подготовки 12, пройдя исследовательский контейнер 6, вновь затем возвращается в бак накопитель 10, где она освобождается от газа и возвращается в замкнутый гидравлический контур 9. Поскольку накопительный бак 10 находится под атмосферным давлением, то давление в исследовательском контейнере 6 также практически не отличается от атмосферного. Отделение воды от засеянных частиц и воздуха в баке 10 осуществляется под действием силы тяжести без применения каких-либо специальных средств и методов. Использование замкнутого гидравлического контура 9, в сочетании с наличием соответствующих регуляторов, позволяет достаточно точно воспроизводить любой наперед заданный режим вихревого течения с минимальными затратами времени и средств.
Технический эффект от использования предложенной группы изобретений состоит в следующем.
Предложенный способ комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения был успешно апробирован авторами при различных параметрах режимов вихревых течений в большом диапазоне изменения скоростей и соотношения жидкости и газа на специальном стенде в Институте теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе. Его апробация показала, что по своему содержанию и техническому обеспечению он менее трудоемок и более информативен, чем ранее известные способы диагностики двухфазных вихревых течений. Он позволяет с помощью простых и доступных средств достаточно полно и точно смоделировать любые процессы, происходящие в вихревых аппаратах, использующих двухфазные среды. С его помощью можно выработать и получить соответствующие рекомендации для предсказания и подавления весьма сложных и плохо поддающихся расчетам многих явлений. Так, например, генерация автоколебательного процесса, который может возникнуть в отсасывающем канале гидротурбины. Для его реализации не требуются ни сложные математические изыскания, ни дорогостоящие материалы и приборы. Его эксплуатационные характеристики позволяют использовать его для моделирования любых сложных и запутанных явлений, связанных, например, с использованием весьма экзотических двухфазных смесей, в том числе криогенных сжиженных газов.
Простота и информативность данного способа, при изучении двухфазных сред, дает все основания полагать, что он будет непременно востребован как в научных подразделениях, так и в промышленности.
Таким образом, изложенные выше заявленной группы изобретений выполнена следующая совокупность условий:
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений при их осуществлении, предназначены для использования в промышленности, а именно комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения;
- для заявляемой группы изобретений в том виде, как они охарактеризованы в независимых пунктах формулы изобретений, подтверждена возможность осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;
- средства, воплощающие заявляемую группу изобретений, при их осуществлении, способны обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Преимущество заявляемой группы изобретений состоит в том, что использование способа и устройства для комплексной экспресс-диагностики периодического нестационарного вихревого течения существенно снижает все виды затрат, включая эксплуатационные, обеспечивая при этом высокое качество и высокую эффективность, в сочетании с высокой точностью воспроизведения результатов исследования.
Следовательно, заявляемая группа изобретений соответствует условиям «промышленная применимость» по действующему законодательству.