Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

«TRACER» VISUALIZATION OF EXPERIMENTS TO INVESTIGATION THE MOVEMENT SPRAYED WATER THROUGH HIGH-TEMPERATURE GASES

Zhdanova A.O. 1 Zabelin M.V. 1 Nyashina G.S. 1 Strizhak P.A. 1
1 National Research Tomsk Polytechnic University
The experimental researching behavior of droplets flow of spray liquid at movement through the high-temperature gases is conducted using the high-speed no-contact measuring system. The scheme of test-bed, technic of experimentation and results of findings processing are proposed. The no-contact method digital «tracer» visualization PIV (Particle Image Velocimetry) is used for the processing of experimental data. Video frames of vapor-drop water flow (with a “tracer” particles of titanium dioxide nanopowder), moving through the high-temperature gases, two-dimensional velocities fields and histograms, displaying the distribution of investigate values are presented, graphics of sprayed liquid droplets velocities component. The conclusion shows the implications of the possibilities of the method PIV, its advantages and disadvantages, and advantages of this method at investigation of liquid and gas flow are proposed.
visualization
sprayed water
drops
1. Volkov R.S., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Zhur. Tekhn. Fiz., 2014, Vol. 84, no 7, pp. 15–23.
2. Volkov R.S., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Teplofiz. i Aeromek., 2014, Vol. 21, no 2, pp. 269–272.
3. Volkov R.S., Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Inz.-Fizic. Zhur., 2014, Vol. 87, no 2. pp. 436–444.
4. Il’in A.P. Osobennosti fiziko-khimicheskikh svoystv nanoporoshkov i nanomaterialov [Features of physical and chemical properties of nanopowders and nanomaterials]. Tomsk, TPU Publ., 2012. 196 p.
5. Kuznetsov G.V., Strizhak P.A. Pis’ma v Zhur. Tekhn. Fiz., 2014. Vol. 40, no 12, pp. 11–18.
6. Damaschke N., Nobach H., Tropea C. Experim. in Fl., 2002, Vol. 32, no 2, pp. 143–152
7. Foucaut J.M., Stanislas M. Meas. Scien. and Techn., 2002, Vol. 13, pp. 1058–1071.
8. Raffel M., Willert C., Kompenhans J. [Particle image velocimetry]. Berlin, Springer Verlag, 1998. 253 p.
9. Westerweel J. Meas. Scien. and Techn., 1997, Vol. 8, pp. 1379–1392.
10. X.K. Xiao, Jour. of Fire Scien., 2011, Vol. 29, no 4, pp. 339–360.

В последние годы в связи с развитием капельных и полидисперсных технологий пожаротушения достаточно активно (например, [1, 2, 10]) исследуются процессы формирования, движения и распада потоков распыленной жидкости (особое внимание уделяется поведению капель в потоке, скоростям и траекториям их движения).

Метод цифровой «трассерной» визуализации PIV (Particle Image Velocimetry) [6–9] относится к классу бесконтактных оптических методов измерения скоростей капель в парокапельных потоках. Одним из основных элементов метода PIV является обработка полученных в эксперименте изображений. Развитие цифровой и компьютерной техники во многом сократило время обработки и регистрации изображений, что еще больше укрепило позиции PIV среди бесконтактных методов.

К достоинствам метода PIV можно отнести широкий диапазон измеряемых скоростей и отсутствие возмущающего влияния на поток. Среди недостатков следует выделить то, что «трассеры» не всегда следуют за исследуемым потоком жидкости или газа.

Стандартный алгоритм цифровой обработки PIV-изображений для определения смещений частиц включает следующие процедуры:

1) разбиение каждой пары изображений на элементарные равные расчетные области;

2) расчет кросскорреляционной функции для каждой области;

3) вычисление максимума корреляционной функции;

4) попиксельная интерполяция максимума корреляционной функции.

Цель настоящей работы – экспериментальное исследование движения распыленной воды через высокотемпературные газы с использованием бесконтактного оптического метода «трассерной» визуализации PIV.

Экспериментальный стенд и методы исследований

При проведении эксперимента использовался стенд (аналогичен используемым в [1, 2]), основными элементами которого являются (рис. 1): кросскорреляционная видеокамера (формат изображения – 2048×2048 пикселей, кадровая частота – 1,5 Гц, минимальная задержка между двумя последовательными кадрами – 5 мкс), двойной импульсный твердотельный лазер (с активной сферой «алюмо-иттриевый гранат» и добавками неодима, длина волны – 532 нм, минимальная энергия в импульсе – 70 мДж, максимальная длительность импульса – 12 нс, частота повторений – 15 Гц), синхронизирующий процессор (максимальная дискретизация сигналов – 10 нс, поддержка режимов внешнего и внутреннего запуска).

В качестве рабочей жидкости применялась вода со специальными включениями – «трассерами» из диоксида титана (их выбор обусловлен тем, что они не растворяются в воде [4]). Жидкость заливалась в емкость 7. Для генерации капель жидкости с заданными начальными размерами, концентрацией и скоростью использовался распылитель 9.

Измерительной областью видеокадров камеры 3 считалась плоскость «светового ножа» 6 (рис. 1). Положение камеры 3 и лазера 2 выбиралось таким образом, чтобы оптическая ось камеры и плоскость светового «ножа» лазера пересекались под углом 90 градусов. Ширина видеокадра соответствует диаметру канала 13. Продольный и поперечный размеры видеокадра равны. Толщина «ножа» лазера составляет 0,01 м.

pic_23.tif

Рис. 1. Схема экспериментального стенда: 1 – ПК; 2 – синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 3 – генератор лазерного излучения; 4 – двойной твердотельный импульсный лазер; 5 – кросскорреляционная камера; 6 – световой «нож»; 7 – ёмкость с рабочей жидкостью; 8 – канал подачи рабочей жидкости; 9 – распылитель (дозатор); 10 – стойка; 11 – капли рабочей жидкости; 12 – канал движения охлаждающей жидкости лазера; 13 – цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 14 – полый цилиндр, в межстеночное пространство которого залита горючая жидкость; 15 – термопары; 16 – вытяжная система; 17 – пульт включения/отключения вытяжной системы

Скорости капель жидкости определялись по перемещениям «трассеров», входящих в их объем, с применением метода PIV. «Трассирующие» частицы в измерительной плоскости потока многократно освещались лазером. Образы частиц регистрировались на кросскорреляционную камеру. Последующая обработка изображений позволяла рассчитать смещение частиц за время между вспышками источника света и построить «двухкомпонентные» поля скоростей «трассеров». Использован кросскорреляционный алгоритм, основой которого является метод быстрого преобразования Фурье с добавлением условий выполнения «корреляционной теоремы». Систематические погрешности измерения скоростей «трассеров» согласно не превышали 2 %. Случайные погрешности вычисления скоростей «трассеров» достигали 3 %.

Результаты экспериментов и методы их обработки

В соответствии с методиками PIV [6–9] под визуализацией понимается набор приемов и методов представления числовых данных в удобном и понятном для вычислений и кросскорреляционной скоростной регистрации виде.

В PIV доступны следующие способы визуализации [6–9]:

  • растровые изображения;
  • двумерные поля скоростей;
  • гистограммы;
  • графики;
  • таблицы данных.

Рассмотрим каждый из них подробнее.

При съемке процесса распыления капель жидкости с помощью кросскорреляционной камеры в экспериментах был получен ряд видеокадров в виде растровых изображений (наиболее типичные представлены на рис. 2). Растровое изображение в данном случае служит начальным материалом для дальнейшей работы с полученными данными. Метод PIV при работе с растровыми изображениями позволяет проводить операции вычитания, сложения, умножения и деления над интенсивностью самих изображений, а также использовать «шумоподавляющие» фильтры [6–9].

В потоках жидкостей и газов часто интересны для представления двумерные поля скоростей. На рис. 3 приведены полученные в результате обработки группы растровых изображений двумерные поля скорости в виде векторных полей. При обработке полученных данных можно настраивать количество отображаемых векторов и их внешний вид, а также использовать арифметические операции над векторами.

pic_24.tif

Рис. 2. Видеограмма капель распыленной жидкости

pic_25.tif

Рис. 3. Двумерное поле скоростей капель распыленной жидкости

Любая скалярная величина, содержащаяся в двумерном поле данных, может быть отображена также в виде скалярного поля. При необходимости представления анализа «ансамбля данных» [6–9] можно использовать гистограммы, показывающие распределение исследуемых значений в виде столбиков. На рис. 4 представлена гистограмма распределения компонент скорости Vx (синий) и Vy (красный).

При необходимости исследования компонент скорости отдельно используют алгоритм построения графиков [6–9]. Один из таких графиков для компоненты скорости Vx представлен на рис. 5.

Также данные «трассерной» визуализации кросскорреляционными камерами можно представить с использованием методик PIV [6–9] в виде таблиц с массивами соответствующих значений. Широкий функционал метода PIV кроме представленных графических иллюстраций позволяет установить и мгновенное положение границы фазового перехода «жидкость – высокотемпературный газ» [3, 5], что до настоящего времени представлялось весьма затруднительным и практически не реализуемым вследствие интенсивного парообразования.

pic_26.tif

Рис. 4. Гистограмма распределения компонент скоростей Vx (синий) и Vy (красный) капель распыленной жидкости

pic_27.tif

Рис. 5. Распределение компоненты скорости Vx капель распыленной жидкости

Заключение

Таким образом, на примере проведения эксперимента по исследованию движения капель распыленной жидкости были рассмотрены и описаны методы обработки и отображения данных в бесконтактном методе «трассерной» визуализации PIV. Основными преимуществами метода являются: отсутствие влияния на газовый или жидкостной исследуемый поток; возможность измерения мгновенных распределений скорости; широкий диапазон измеряемых скоростей – от нуля до сверхзвуковых, а также большое количество способов обработки и представления данных.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ (№ 14–08–00057).

Рецензенты:

Мамонтов Г.Я., д.ф.-м.н., профессор, Томский государственный архитектурно-строительный университет, г. Томск;

Шидловский С.В., д.т.н., профессор, Национальный исследовательский, Томский государственный университет, г. Томск.

Работа поступила в редакцию 23.07.2014