Диссертация (Разработка оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»На правах рукописиШАШКОВА ИННА АЛЕКСАНДРОВНАРАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСАДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИСпециальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронныеприборы и комплексыДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степени кандидата технических наукНаучный руководительк.т.н., доцентСкорнякова Надежда МихайловнаМосква – 20152СОДЕРЖАНИЕСОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................... 2ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................

31 Оптические методы исследования потоков: направления и применение...... 91.1 Направления в оптических методах исследования потоков......................... 91.2 Теневые методы...............................................................................................

121.3 Интерферометрия ............................................................................................ 181.4 Лазерная рефрактография .............................................................................. 241.5 Метод анемометрии по изображениям частиц.............................................

271.6Теневой фоновый метод .................................................................................. 331.7 Выводы по главе.............................................................................................. 432. Оптико-электронный комплекс диагностики процесса испарения жидкости442.1 Структурная схема комплекса .......................................................................

442.2 Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии поизображениям частиц............................................................................................ 472.3 Экспериментальная установка для реализации теневого фонового метода552.4 Приемная система ........................................................................................... 582.5 Блок обработки экспериментальных изображений .....................................

712.6 Выводы по главе.............................................................................................. 823. Тестирование и определение границ применимости комплекса ................. 833.1 Параметры исследуемых процессов и границы применимости комплекса833.2 Определение разрешающей способности комплекса.................................. 903.3 Выводы по главе............................................................................................ 1004 Применение разработанного комплекса для исследования микропотоковжидкости ..............................................................................................................

1024.1 Испарение капли жидкости с горизонтальной подложки......................... 1024.2 Визуализация капли на нагретой подложке ............................................... 1224.3 Визуализация процессов перемешивания жидкостей в малых объемах. 1284.4 Наблюдение паров летучих веществ........................................................... 1304.5 Визуализация микропотока жидкости ........................................................

1344.6 Выводы по главе............................................................................................ 139Заключение .......................................................................................................... 140СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................... 143ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 1533ВВЕДЕНИЕИнтерес к изучению процессов течения и испарения жидкостей, обусловленшироким распространением этих явлений в природе и технике. Наряду сисследованиями крупномасштабных потоков в аэро- и гидродинамике существуетряд задач, связанных с изучением микропотоков, пленок и капель жидкости.Задача об испарении капели жидкости с горизонтальной подложки находитмножество приложений в различных областях, например, в медицинскойдиагностике,в«лабораторииначипе»,атакжевпроизводствеструктурированных материалов и поверхностей.Пленки жидкости присутствуют в рабочих циклах многих техническихустройств, например, образуются в камерах сгорания, топочных камерах.Пленочное течение жидкости применяется для обеспечения охлажденияэлементов в микороэлектронике.

Режим течения пленки жидкости по нагретойповерхности играет важную роль в задаче оптимизации энергетических затратлетательных аппаратов.Приведенные выше процессы характеризуются наличием тонкой пленкижидкости, участвующей в течении, или испаряющейся из капли. Математическоемоделирование в данном случае представляет сложную задачу, так какмоделируемыепроцессысодержатзначительноеколичествохаотическиизменяющихся параметров. Поэтому актуальны экспериментальные исследования.Существуют различные методы, основанные на измерении температуры,давления, скорости и других параметров движущихся сред. Однако большинствоиз них вносят искажения в поток.

Оптические методы позволяют устранитьмеханические возмущения исследуемой среды, обеспечивают дистанционность имногофункциональность. Особое место здесь занимают методы, позволяющиеполучать информацию об исследуемом объекте в некоторой области пространствав один момент времени. К ним относят теневой фоновый метод (ТФМ) ианемометрию по изображениям частиц (АИЧ), сочетающие простоту реализации,применение современных компьютерных технологий для регистрации и анализаэкспериментальных данных. Несмотря на то что результаты измерений в этих4методах чувствительны к нормировке, широкие возможности для визуализации иполучения количественных характеристик исследуемого объекта привели краспространению ТФМ и АИЧ в области исследования крупномасштабныхпотоков.

В то же время актуальна задача адаптации указанных методов кмикромасштабным течениям.ВнастоящейработепредставленоприменениеТФМиАИЧвразработанном оптико-электронном комплексе для исследования процессовтечения и испарения жидкостей микролитрового объема.В первой главе были рассмотрены основные направления в оптическихметодах исследования потоков. Проведен обзор работ по практическомуприменению описанных методов.Былопоказано,чтотеневойфоновыйметодианемометрияпоизображениям частиц являются методами, в которых оптимально сочетаютсяпростота реализации, применение современных компьютерных технологий длярегистрацииианализаэкспериментальныхданных,атакжеширокиевозможности для визуализации и получения количественных характеристикисследуемого объекта.Вовторойглавепредставленыпроведенныетеоретическиеиэкспериментальные исследования по реализации методов АИЧ и ТФМ дляоптико-электронного комплекса диагностики процессов испарения жидкости.В третьей главе рассмотрены параметры исследуемых с помощьюразработанного комплекса процессов.

Основным ограничивающим фактором,определяющим границы применимости комплекса, является поле зрения иглубина резкости изображаемого пространства (ГРИП) оптической системы.Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процессовиспаренияжидкостейспомощьюразработанногооптико-электронногокомплекса. Приведены результаты обработки экспериментальных картин методаАИЧ и ТФМ перемешивания, испарения в пленочном течении жидкости погладкой нагретой подложке и в капле жидкости на горизонтальной подложке,распространения паров над поверхностью жидкости.5В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные вдиссертации.Цель работы.Разработка методики совместного применения ТФМ и метода АИЧ воптико-электронном комплексе диагностики процесса испарения жидкости.Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:•разработать структуру оптико-электронного комплекса по реализацииТФМ и метода АИЧ для исследования гидродинамических процессов вмикромасштабе;•разработатьметодикулабораторноготестированияоптико-электронного комплекса для диагностики микропроцессов испарения жидкости;•исследовать границы применимости разработанного комплекса иоценить погрешность измерений.Научная новизна работы:• В ходе экспериментальных исследований были получены зависимостипогрешности смещений элементов экспериментальных картин для теневогофонового метода и метода анемометрии по изображениям частиц для различныхуглов наблюдения в оптической системе и величин смещения.• Наосноветеневогофоновогометодаразработанаметодикаэкспериментального исследования профиля поверхности пленочного течения икапли жидкости микролитрового объема, а также индикации паров надповерхностью жидкости.• На основе метода анемометрии по изображениям частиц для макропотоковразработана методика экспериментального исследования вихревых течений виспаряющейся капле жидкости, пленочном течении жидкости по гладкойнагретой подложке в микромасштабе.• Разработана методика диагностики гидродинамических процессов виспаряющихся жидкостях микролитрового объема, позволяющая проводитьисследование одного и того же объекта с применением теневого фонового метода6и метода анемометрии по изображениям частиц для получения информации обольшем количестве параметров исследуемого объекта.Практическая ценность работы.Разработанный оптико-электронный комплекс может применяться дляисследованияпроцессовиспаренияоптическипрозрачныхжидкостеймикролитрового объема: восстановления профиля поверхности пленочноготечения, испаряющейся капли; визуализации паров испаряющейся жидкости;визуализациииопределениякинематическиххарактеристикструктур,образующихся при испарении течения или капли жидкости, а также приперемешивании различных жидкостей.ИсследованияпроводилисьврамкахФЦПи«Научныенаучно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, помеждународному проекту Евросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП«Развитие научного потенциала высшей школы» и по грантам РФФИ.Личный вклад.

Автором разработаны методики исследования процессаиспарения капли микролитрового объема и пленочного течения оптическипрозрачной жидкости толщиной до 1 мм на основе теневого фонового метода ианемометриипоизображениямчастиц.Созданаиапробированаэкспериментальная установка оптико-электронного комплекса диагностикипроцессаиспаренияжидкости.Созданаметодикацифровойобработкиэкспериментальных картин ТФМ и АИЧ.Внедрение. Материалы исследования включены в научно-техническиеотчеты по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационнойРоссии» на 2009 – 2013 годы (госконтракт № 02.740.11.0449 от 30.09.2009),международному проекту Евросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП«Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.2.2.2/10404) и погрантам РФФИ, что подтверждено актом о внедрении (см. приложение А).Достоверность полученных результатов:• Для реализации оптико-электронного комплекса диагностики процессаиспарения жидкости применялось современное научное оборудование, при7обработке экспериментальных данных применялась промышленная программацифровой обработки изображений кросскорреляционными методами.• Результаты экспериментальных исследований согласуются с результатамичисленного моделирования, представленного в литературе.Апробация работы.