PIV метод определения полей скоростей газового потока

Турбулентные струйные течения уже довольно хорошо изучены, однако использование, контроль и управление данным процессом в различных частных случаях представляется довольно трудоемкой задачей. Сложная структура и не стационарность движения закрученныхструй существенно осложняют как теоретическое так и экспериментальное исследование. Однако применение современных технологий дает возможность углубиться в изучении данного явления. Одним из таких методов является, использованный в данной работе метод ParticleImageVelocimetry (PIV).

Описание метода ParticleImageVelocimetry

Метод цифровой трассерной визуализации относится к классу бесконтактных методов измерения скорости в потоках. В ряду других инструментов для исследования структуры течений он занимает особое место благодаря возможности регистрировать мгновенные пространственные распределения скорости. Данное преимущество является особенно важным при изучении потоков, содержащих крупномасштабные вихревые структуры, информация о которых частично теряется при применении одноточечных методов диагностики. К подобным течениям можно отнести большую часть сдвиговых течений, включая струи, следы, слои смешения. Применение полевых методов дает возможность получения информации о динамике структур, их масштабов, расчета дифференциальных характеристик, пространственных и пространственно – временных корреляций, а также статистических характеристик потока.

Кроме того, методы цифровой трассерной визуализации являются в настоящее время востребованными и в практических приложениях – в авиастроительной индустрии, автомобилестроении (в промышленных аэродинамических трубах – диагностика полной картины обтекания элементов летательных аппаратов и автомобилей), энергетике, химической и нефтегазодобывающей промышленности, машиностроении (оперативная диагностика и оптимизация аэрогидродинамики в реальных аппаратах или их моделях), а также медицине, при физическом моделировании работы искусственных сосудов и клапанов.

Полевые измерения скорости, в основе которых лежит измерение перемещений взвешенных в потоке мелких частиц (трассеров), применяются уже в течение нескольких десятилетий. Применяемая ранее ручная обработка данных была чрезвычайно трудоемкой, и это не позволяло получать необходимое при решении физических задач количество и качество информации. За последние 15 лет прогресс в электронике, лазерной технике и регистрирующей видео-аппаратуре позволил на базе традиционных развить новые методы количественной визуализации потоков, позволяющие измерять мгновенные поля скорости с высоким пространственным разрешением, проводить измерения за доли секунды и автоматизировать процесс обработки.

Принцип PIVметода

Измерение мгновенного поля скорости потока в заданном сечении основано на измерении перемещения частиц примеси, находящихся в плоскости сечения, за фиксированный интервал времени. В поток жидкости или газа добавляются частицы малого размера (трассеры). Размер, плотность и объемная концентрация частиц подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц, были минимальны. Измерительной областью потока (рис. 3.1) считается плоскость, «вырезаемая» световым ножом. Частицы в измерительной плоскости потока должны быть освещены минимум дважды. Образы частиц регистрируются на фотографический или электронный носитель (цифровую камеру).

Последующая обработка изображений позволяет рассчитать смещения частиц за время между вспышками источника света и построить двухкомпонентное поле скорости. Измеренные двухкомпонентные значения векторов являются проекциями реальных (трехмерных) векторов на плоскость, перпендикулярную оптической оси регистрирующей образы частиц аппаратуры. Для измерения трех компонент скорости используют, как правило, два регистрирующих модуля, оптические оси которых ориентированы под определенным углом относительно друг друга.

Рисунок 3.1 – Схема PIV метода

В качестве источника излучения обычно используются твердотельные импульсные Nd:YAG лазеры. Такие лазеры имеют малую длительность импульса (~ 4–10 нсек) и достаточно высокую энергию в импульсе. Использование двух лазеров, работающих на одной оптической оси, позволяет получать короткую временную задержку между импульсами, что необходимо для исследования высокоскоростных потоков. Иногда для освещения частиц применяют непрерывные лазеры, сканирующие поток при помощи вращающихся призм и зеркал.

Основными преимуществами метода являются: бесконтактность; возможность измерения мгновенных распределений скорости; широкий диапазон измеряемых скоростей – от нуля до сверхзвуковых.

Измерение концентрации оксида азота

Принцип измерения промышленного фотометра DEFOR основан на методе абсорбции УФ излучения. УФ-излучение (в характерном для N0 или в широкополосном диапазоне) формируется в безэлектродной газоразрядной лампе. Необходимый спектр излучения «выделяется» с помощью фильтров установленных в одном или двух обтюраторах. Для измерения N0, DEFOR использует метод газовой фильтр-корреляции по газовымфильтрам. Для других газов используется интерференционный фильтр. Два интерференционных фильтра с различными характеристиками пропускания установлены в обтюраторах и периодически помещаются на путь измерительного луча. Светоделительная пластина направляет отфильтрованное излучение через референсную и измерительную кюветы. Детекторы размещенные с другой стороны обоих кювет,принимают излучение прошедшее через референсную и измерительную кюветы с задержкой по времени. Рассчитывается специфический коэффициент использующий величину сигнала от обоих детекторов. Оба детектора имеют обратную связь. Таким образом происходит расчет коэффициента учитывающего не только дрейф сигнала, но разбаланс между детекторами.