Главная » 2014 » Август » 23 » Скачать Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей. Лапицкий, Константин бесплатно
7:18 AM
Скачать Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей. Лапицкий, Константин бесплатно
Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей
Диссертация
Автор: Лапицкий, Константин Михайлович
Название: Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей
Справка: Лапицкий, Константин Михайлович. Разработка методов расчета и обработки рефракционных картин в лазерной системе визуализации тепловых полей : диссертация кандидата технических наук : 05.11.07 / Лапицкий Константин Михайлович; [Место защиты: Моск. энергет. ин-т] - Москва, 2009 - Количество страниц: 163 с. ил. Москва, 2009 163 c. :
Объем: 163 стр.
Информация: Москва, 2009
Содержание:
Содержание
Введение
1 Рефракционные методы диагностики неоднородных сред
11 Классификация оптически-неоднородных сред
12 Связь оптических и теплофизических параметров среды
13 Теневые методы исследования тепловых процессов
14 Лазерные методы диагностики потоков
Выводы по разделу 1
2 Численное моделирование траектории лучей в температурной неоднородности
21 Теория распространения лучей в средах с плавно меняющимся показателем преломления
22 Методика аналитического расчета траектории лучей в плоскослоистой неоднородности
23 Моделирование траектории распространения светового луча в сферически-слоистой неоднородности
24 Численный расчет траектории лучей при наличии краевых эффектов
241 Численный алгоритм расчета траектории в двумерной оптически неоднородной среде
242 Моделирование траектории светового луча в плоскослоистой неоднородности с учетом краевых эффектов
243 Моделирование траектории светового луча в сферической и эллиптической двумерных неоднородностях
244 Анализ влияния размера расчетной сетки на результаты численного расчета траектории в сферической неоднородности
Выводы по разделу 2
3 Расчет рефрактограмм плоского лазерного пучка в трехмерных неоднородностях
31 Соотношения для расчета траектории лучей в трехмерной оптически неоднородной среде
32 Описание алгоритма и программы численного расчета траектории лучей
33 Тестирование алгоритма численного расчета траектории лучей
34 Результаты моделирования рефрактограмм в прозрачной и кольцевой радиально-слоистой неоднородности
35 Результаты моделирования рефрактограмм в цилиндрически неоднородной среде
36 Результаты моделирования рефрактограмм в клиновидной неоднородности
Выводы по разделу 3
4 Визуализация и экспериментальное определение параметров температурной неоднородности
41 Структурная схема компьютерно-лазерной рефрактометрической системы
42 Визуализация теплового пограничного слоя
43 Обработка рефрактограмм сферически-неоднородной среды
431 Алгоритм определения толщины пограничного слоя
432 Измерение толщины пограничного слоя в процессе погружения цилиндра
433 Алгоритм восстановления температурного профиля в сферическом пограничном слое
434 Сравнение расчета и эксперимента
435 Алгоритм восстановления температурного профиля в пограничном слое у боковой поверхности цилиндра
44 Погрешности определения параметров температурной неоднородности
441 Источники погрешности
442 Взаимное расположение объекта исследования и перетяжки лазерного пучка
443 Влияние угла наклона оптической оси излучения на результат рефракции
Выводы по разделу 4
Введение:
Лазерная диагностика потоков жидкости и газа — область физики, которая имеет важное научно-практическое значение и в настоящее время интенсивно развивается [1]. Одним из методов диагностики потоков жидкости и газа является их визуализация, основанная на неоднородности показателя преломления среды.
В работе рассмотрены оптические методы, в которых для визуализации температурного поля в жидкости используется зависимость показателя преломления от температуры. По сравнению с другими методами измерения оптические методы обладают значительными преимуществами [2]. Прежде всего, измерения не искажают температурного поля, поскольку в большинстве случаев энергия, поглощаемая средой, мала по сравнению с энергией, передаваемой в процессе теплообмена. Кроме того, оптические методы практически не имеют инерционных погрешностей, что позволяет выполнять точные измерения быстро протекающих процессов во всей исследуемой области. Это преимущество достигается благодаря возможности регистрации всего температурного поля на одном видеокадре (одной фотографии). Оптические методы часто обеспечивают более высокую чувствительность и точность, чем, например, калориметрические или измерения поля температур термопарами.
К ограничениям оптических методов следует отнести требование оптической прозрачности исследуемой среды [2]. Если среда отличается от атмосферного воздуха, требуется замкнутая система, причем с двух сторон камера должна иметь стекла с высокими оптическими свойствами. Оптические методы по сути дают распределение показателя преломления [3], которое путем последующих расчетов преобразуется в поле температур.
Оптическую неоднородность иногда называют «шлирой» — этот термин заимствован из технологии производства стекла [2]. Шлирой можно назвать и тепловой пограничный слой, поскольку его показатель преломления зависит от температуры. Оптические методы позволяют провести количественные исследования в случаях как ламинарного, так и вихревого потока [2].
При исследовании прозрачных неоднородностей широкое распространение получили теневые методы [4, 5]. Классические теневые методы исследования потоков основаны на рефракции световых лучей на крупномасштабных оптических неоднородностях. В теневых приборах для визуализации оптических неоднородностей используются различные пространственные фильтры, устанавливаемые в фокальной плоскости выходного объектива, которые выполняют аналоговую обработку оптического изображения. В качестве такого фильтра наиболее широко применяется нож Фуко (металлическая пластинка со скошенной в одну сторону заточкой), ориентация которого определяется характером исследуемых неоднородностей. В теневых приборах используется качественная и дорогостоящая оптика диаметром до 400 мм (типичный размер 200 мм) и, в основном, фотографическая регистрация теневой картины. Эти приборы являются громоздкими (длина до 4 м) и сложными в юстировке и в эксплуатации, поэтому они нашли применение в большинстве случаев только при исследованиях сверхзвуковых потоков в промышленных аэродинамических трубах [4,6]. При теплофизических исследованиях в жидких средах теневые приборы применяются крайне редко [1,7], а используются в основном для качественной визуализации газовых потоков.
Развитие рефракционных оптических методов исследования неоднородных сред связано с появлением и широким распространением качественно новых технических средств [8]: дешевых малогабаритных полупроводниковых лазеров видимого диапазона и дифракционных оптических элементов; цифровых фотоаппаратов и видеокамер с числом разрешаемых элементов свыше 106; компьютеров с тактовой частотой свыше
4 ГГц и объемом памяти больше 300 Гб. Существенную роль сыграло также развитие новых цифровых методов обработки оптической информации.
Применение полупроводниковых лазеров, матричных фотоприемников и персональных компьютеров в рефракционных методах исследования нестационарных процессов в потоках позволило получить качественно новые результаты. Главное преимущество лазерных пучков — их малая расходимость, что делает возможным проводить локальные исследования оптических неоднородностей. Современные ПЗС матрицы, хотя и существенно уступают по информационной емкости фотопластинкам (более чем в 10 раз), имеют несомненное преимущество перед ними, когда речь идет о хранении и обработке информации. С ПЗС матрицы информация непосредственно вводится в ЭВМ, где может осуществляться ее дальнейшее хранение и обработка с использованием современных компьютерных методов обработки оптических изображений.
Используя одно из основных свойств лазерных пучков - малую расходимость, - были предложены различные модификации теневого метода, в частности многоканальный лазерный рефрактометрический метод [9, 10], и метод лазерной плоскости [11]. В многоканальном рефрактометрическом методе исследуемый поток сканируется одновременно многими лазерными пучками, отклонение которых регистрируется с помощью матрицы позиционно-чувствительных фотоприемников (ПЧФ). Это позволяет регистрировать быстропротекающие процессы с постоянной времени меньше долей микросекунд. Однако в виду конечного размера элементов матрицы ПЧФ многоканальный рефрактометр обладает малой пространственной разрешающей способностью.
Появление фотоприемных приборов с зарядовой связью и нового поколения компьютеров с большим объемом оперативной памяти и высоким быстродействием позволило предложить новый тип лазерных рефрактометров - компьютерно-лазерных рефрактометров (KOJIAP) с набором узких лазерных плоскостей (термин «лазерная плоскость» соответствует астигматическому лазерному пучку эллиптического сечения, размер которого по одной из осей существенно больше, чем по другой). KOJIAP метод исследования пространственно неоднородных потоков основан на компьютерной обработке рефракционных картин, полученных при просвечивании потока одной или несколькими широкими лазерными плоскостями [3], в отличие от классических теневых методов, в которых поток зондируется одним широким световым пучком. В зависимости от исследуемого явления лазерные плоскости могут быть ориентированы в пространстве произвольным образом. С помощью цифровой видеокамеры регистрируется изменение формы изображения лазерных плоскостей, наблюдаемых на полупрозрачном экране, относительно их первоначальных состояний. Данный метод по существу является прямотеневым методом. Однако из-за использования лазерной плоскости в нем регистрируется изображение, пропорциональное первой производной показателя преломления среды, как и в теневом методе с ножом Фуко, а не второй производной, как это имеет место в классическом прямотеневом методе [4,6]. Классический прямотеневой метод не нашел широкого распространения, так как в нем регистрируется только изменению освещенности в плоскости наблюдения, которое в большинстве случаев является незначительным.
В настоящее время KOJIAP метод применяется для диагностики потоков жидкости и газа [12]. В виду большого количества информации, получаемой в экспериментах, было разработано программное обеспечение для обработки рефракционных картин. Благодаря возможности получения лазерной плоскости малого поперечного размера возможно исследовать пограничные слои размером менее одного миллиметра и указать на наличие краевых эффектов.
Разработанная до начала выполнения данной работы математическая модель KOJIAP метода позволяла найти применение для исследования тепловых полей в жидкости для визуализации сферически-слоистых сред и плоскослоистых сред без учета краевых эффектов.
В данной работе проводится анализ и рассматривается применение KOJIAP метода для исследования процессов теплообмена, в частности, естественной конвекции в жидкости.
Проведен обзор современной научно—технической литературы, приведены оптические схемы и описания классических теневых методов, применяемых для исследования процессов тепломассообмена. Показано, что для всех классических теневых методов требуются сложные дорогостоящие оптические установки, требующие точной настройки и юстировки, что существенно снижает возможности их применения. Рассмотрены принципы КОЛАР метода, основным отличием которых от классических теневых методов являются простота и дешевизна требуемого оборудования, а также возможность исследования тепловых пограничных слоев малого размера.
Описано состояние КОЛАР метода на сегодняшний день. Приведены теоретические основы распространения лучей в оптически неоднородной среде и приведены расчетные соотношения для моделирования рефракционных картин. Показаны большие потенциальные возможности лазерных рефракционных методов с возможностью цифровой регистрации и фильтрации изображений, которые в настоящее время не полностью реализованы.
Рассмотрены методы моделирования рефракционных картин КОЛАР метода для двумерных и трехмерных оптических неоднородностей с учетом краевых эффектов около кромок тел. Выведены формулы и составлен алгоритм численного расчета рефракции лазерного излучения в геометрооптическом приближении. Исследовано влияние краевых эффектов и изменения конфигурации температурного поля на результаты рефракции излучения в неоднородной среде. Проведены расчеты распространения плоского лазерного пучка вблизи поверхности нагретых тел с цилиндрической и сферической поверхностью.
Описаны экспериментальные исследования с применением КОЛАР метода. Произведена количественная визуализация процессов естественной конвекции в жидкости, рассмотрен алгоритм восстановления профиля температурного распределения около тел с радиальной симметрией и определения толщины пограничного слоя вокруг нагретого тела.
Сделаны выводы о достоверности получаемых результатов расчета по численному алгоритму на основании сравнения с аналитическим решением тестовых задач и с результатами расчета при помощи известных программ оптического конструирования (CodeV). Показано, что использование подобных универсальных программ расчета оптических систем (CodeV, Zemax) связано со многими затруднениями, заключающихся в неопределенности методов расчета, и, как следствие, области применимости и погрешности, а также не адаптированности для расчета траекторий лучей в оптически прозрачных средах с градиентом температуры.
Результаты обработки экспериментальных картин и получаемое распределение температуры в пограничном слое нагретого тела сравниваются с расчетным данными.
Цель работы. Основной целью данной работы является разработка методов расчета теоретических и обработки экспериментальных рефракционных картин для визуализации тепловых полей и получения количественных характеристик процессов естественной конвекции в лазерной системе визуализации тепловых полей. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: разработать метод моделирования траектории распространения геометрооптических лучей в оптически неоднородной среде с известным законом распределения показателя преломления; разработать и исследовать метод расчета рефракции плоского лазерного пучка в геометрооптическом приближении в трехмерном температурном поле в жидкости вокруг нагретого тела с учетом краевых эффектов; разработать метод обработки экспериментальных рефракционных картин для определения толщины пограничного слоя около нагретого тела с радиальной симметрией, помещенного в жидкость; разработать методику сравнения расчетных и экспериментальных рефракционных картин для восстановления температурного профиля около нагретого тела с радиальной симметрией, помещенных в жидкость.
Научная новизна работы:
Разработан численный метод расчета траектории лучей в геометрооптической модели астигматического лазерного пучка, распространяющегося в трехмерной оптически прозрачной среде.
С помощью разработанного метода решена задача рефракции астигматического лазерного пучка в тепловом поле нагретых тел, в том числе с учетом краевых эффектов для тел с кромками. Создана специализированная программная реализация, адаптированная для использования в компьютерно-лазерной рефракционной системе.
Разработана методика проведения эксперимента по исследованию теплового пограничного слоя вокруг нагретого тела в жидкости и обработки рефракционных картин с цель восстановления параметров неоднородной среды.
Разработан метод обработки экспериментальных рефракционных картин пограничного слоя около нагретого тела с радиальной симметрией, помещенного в жидкость, позволяющий определить толщину теплового пограничного слоя, а также температурный профиль в пограничном слое. Основные положения, выносимые на защиту:
Разработанный численный метод расчета траектории лучей в геометрооптической модели астигматического лазерного пучка в оптически прозрачной неоднородной среде позволяет учесть краевые эффекты и изменение конфигурации неоднородной среды.
Разработанный метод расчета распространения плоского лазерного пучка в трехмерном температурном поле позволяет проводить моделирование рефракционных картин вблизи поверхности нагретого тела в геометрооптическом приближении с учетом краевых эффектов.
Разработанный метод получения и обработки экспериментальных рефракционных картин позволяет определить толщину пограничного слоя около неподвижного и движущегося нагретого тела с радиальной симметрией, помещенного в жидкость. ? Разработанный метод обработки экспериментальных рефракционных картин позволяет провести восстановление температурного профиля около нагретого тела с радиальной симметрией, помещенного в жидкость. Практическая ценность работы. Разработанные методы и алгоритмы расчета и обработки рефракционных картин применимы для совершенствования компьютерно-лазерных рефракционных систем диагностики тепловых полей в оптически прозрачных жидкостях, что существенно расширяет область применения и возможности этих систем. Данные методы позволяют проводить исследование процессов естественной конвекции в жидкости при наличии краевых эффектов на кромках тел и получать количественную информацию о температурном распределении в пограничном слое в аппаратах, использующих технологии нагрева и охлаждения.
Разработанное специализированное программное средство расчета рефракционных картин геометрооптической модели астигматического лазерного пучка в оптически прозрачной неоднородной среде может быть использовано при моделировании процессов теплообмена с целью верификации получаемых результатов и оценки погрешности расчета.
Внедрение. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам Минобрнауки (проект 1109, проект РНП.2.1.2.686) и РФФИ (проект 07-07-13529-офиц). Результаты работы были использованы при создании макета экспериментальной установки и при подготовке описания лабораторной работы «Исследование распространения лазерного пучка в оптически неоднородной среде» по курсу «Лазерная интерферометрия» для студентов, обучающихся по специальности «Квантовая и оптическая электроника».
Достоверность полученных результатов. ? Тестирование программной реализации разработанного метода расчета распространения геометрооптической модели лазерного пучка в оптически неоднородной среде на основе сравнения результатов расчета с известными аналитическими решениями показало совпадение результатов в пределах допустимой погрешности машинных вычислений.
Сравнение результатов расчета рефракционных картин с краевыми эффектами по созданному специализированному программному средству с результатами, получаемыми с помощью программы оптического конструирования CodeV, показало совпадение результатов в пределах допустимой погрешности машинных вычислений.
Полученные по предложенному методу обработки величины толщины пограничного слоя и формы температурного профиля в пограничном слое сравнивались с результатами моделирования при помощи пакета прикладных программ на основе теплофизического расчета, при этом наблюдается непротиворечивость результатов сравнения в пределах методической погрешности эксперимента.
Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2004 по 2009 гг.:
XV Школа-семинар молодых ученых и специалистов под рук. академика РАН А.И. Леонтьева «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках»; Калуга, 2005 г.;
VIII, IX Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков»; Москва, 2005, 2007 гг.;
12th International Symposium on Flow Visualization; Gottingen, 2006;
4 Российская национальная конференция по теплообмену; Москва, 2006;
15 Международная конференция «Высокие технологии в биологии, медицине и геоэкологии»; 16 Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии»; Новороссийск, 2007, 2008 гг.;
16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика»; Москва, 2009;
10,11,12,13,14 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ (ТУ), 2004-2008 гг. 3rd International conference on Laser Optics for Young Scientists; St.
Petersburg, 2006.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них 2 статьи — в реферируемых журналах, без соавторов — 3 работы, а также в 6 тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 161 страницу машинописного текста, включая 95 рисунков, 2 таблицы, 52 наименования списка литературы, 1 приложение.
