О современных методах оптической диагностики

В МГТУ им. Н.Э. Баумана провели апробацию современного метода оптической диагностики потоков скорости в линейных диффузорах компании Flow Engineering 


К современным методам диагностики параметров движения рабочего тела в проточной части можно отнести такой метод как анемометрия по изображениям части или более узнаваемое название PIV (Particle Image Velocimetry) измерение скорости по изображениям частиц.


Рис. 1 Принципиальная схема 2D PIV метода диагностики потоков


Измерительные системы как правило бывают двухкомпонентные 2D PIV, трехкомпонентные 3D PIV. В основе рассматриваемого метода диагностики лежит работа с изображениями, корректность результатов напрямую зависит от качества полученных фотографий. На снимках должны четко наблюдаться отдельные частицы или однородные структуры-скопления частиц. Также следует свести к минимуму засветку, затенение, размытие областей кадра и прочие негативные явления, ведущие к частичной утере информативности кадра. В ряду других инструментов для исследования структуры течений, он занимает особое место благодаря возможности регистрации мгновенных пространственных распределений скорости. Измерение мгновенного поля скорости основано на измерении перемещения частиц, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. Измерительной областью считается плоскость, "вырезаемая" световым ножом.

Рис. 2 Как появляется поле векторов скорости в программном обеспечении 


Частицы в измерительной области освещаются минимум дважды. Образы частиц регистрируются на цифровую кросскорреляционную камеру. Последующая обработка позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками света и построить двухкомпонентное поле скорости. Полученные двухкомпонентные значения векторов являются проекциями реальных векторов на плоскость, перпендикулярную оптической оси аппаратуры, регистрирующей образы частиц.


Применение полевых методов дает возможность получения информации о динамике структур, их масштабах, расчета дифференциальных характеристик, пространственных и пространственно - временных корреляций. К основным результатам измерений можно отнести мгновенные поля с базовым учетом двух компонент скорости 2D PIV и трех компонент в случае применения 3D PIV метода. При хорошей повторяемости эксперимента, позволяет получить на различных режимах весьма качественные статистические данные.


На вооружении лаборатории находится новейший образец зарубежной системы диагностики полей скорости мирового класса производства фирмы Dantec Dynamic, со следующими основными техническими характеристиками:

- кросскорреляционная камера FlowSense EO 2M с разрешением 1600 x 1200 пикселей и частотой съемке 35 пар кадров в секунду;

- оптика камеры Zeiss 50 мм f/1.4 ZF.2;

- сдвоенный импульсный лазер DualPower 145-15, 145 мДж, длина волны 532 нм.

Рис. 3 Общий вид 2D системы диагностики полей скорости


Рис. 4 Компоновка лабораторного стенда (элементы показаны упрощенно)


На рисунке 4 показан типичный случай диагностики параметров движения воздуха в проточной части полимерной прозрачной модели воздухораспределительного узла. Оборудование следует располагать таким образом, чтобы плоскость лазера ножа подсвечивала интересующие области потока.


Рис. 5 Пример подсвеченной области потока при помощи лазерного ножа



На рисунке 5, можно наблюдать движение воздушного потока при помощи введенных специальных микрочастиц глицеринового пара с характерным размером 1-5 мкм. Применение столь малых частиц в процессе визуализации потока обусловлено малым временем динамической релаксации частиц, простыми словами, микрочастицы наилучшим образом отслеживают линии тока движущегося воздуха.


Некоторые практические результаты диагностики:


Рис. 6 Нахождение основной области диссипации потока


Рис. 7 Диагностика вихревых зон разного знака вращения 


Рис. 8 Векторное поле затопленной воздушной струи за срезом выходного линейного участка 


Рис. 9 Векторное поле внутри проточной части воздухораспределительного узла


Рис. 10 Определение области наибольших турбулентных потерь в проточной части


Рис. 11 Изображение моментальных полей скорости за сечение детурбулизирующего сеточного приспособления


Рис. 12 Осредненный по времени ансамбль векторных карт для наглядности эффекта детурбулизации

К списку новостей