6. Телешевский В. И., Соколов В. А. Анализ объемных геометрических погрешностей в многокоординатных измерительных и технологических системах на основе лазерных измерений // Измерительная техника. 2013. № 12. С. 19—23.
7. Гришин С. Г., Телешевский В. И. А нализ фазовых шумов в гетеродинной интерферометрии с акустооптическим преобразованием ч астоты света // Измерительная техника. 2014. № 1. С. 17—21.
8. Латонов И. В., Шулепов А. В. Способ бесконтактной оценки шероховатости поверхности по ее цифровому изображению, формируемому оптической системой измерительного микроскопа // Вестник МГТУ «СТАНКИН», 2013. № 1. С. 141—145.
Дата принятия 15.04.2015 г.
536.46; 536.521.1
Визуализация с вободных концентрированных огненных вихрей с помощью термографа
А. Ю. ВАРАКСИН1, А. В. ГЛУБОКОВ2, М. В. ПРОТАСОВ1, М. Э. РОМАШ1,
В. Н. КОПЕЙЦЕВ1, Е. В. РОМАШ2
1 Объединенный институт высоких температур РАН, Москва, Россия, 2 Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: al-glubokov@yandex.ru
Разработана экспериментальная установка для визуализации огненных вихрей. Проведен анализ нестационарного пламени, получаемого в результате сжигания твердого горючего. С помощью инфракрасного термографа идентифицированы нестационарные огненные вихревые структуры. Предложен алгоритм фиксации огненного вихря по термограмме и определения его геометрических и температурных характеристик.
Ключевые слова: огненные вихри, концентрированные вихри, инфракрасная термография.
The experimental installation for visualization of wall-free fire vortices has been developed. The analysis of the non-stationary fire generated by burning of solid fuel has been carried out. An identification of the non-stationary fire vortex structures occurrence by means of infrared thermograph was done. An algorithm of the fire vortex fixation by thermogram and its geometry/temperature parameters determination has been suggested.
Key words: fire vortices, concentrated vortices, infrared thermography.
Вихревое движение является одной из основных форм движения сплошных сред. В многообразии вихревых потоков отчетливо выделяются концентрированные вихри, широко распространенные в природе (воздушные, водяные и огненные смерчи, пыльные «дьяволы») и применяемые в различных технических устройствах (вихревых горелках, топочных камерах, центробежных форсунках, циклонных сепараторах, вихревых трубах, различных турбулизаторах) [1, 2].
Для формирования ограниченных стенками вихревых течений обычно используют тангенциальный сопловой подвод среды, различные механические закручивающие устройства [3, 4], интенсивное вращение корпусных элементов каналов. Генерацию свободных (не ограниченных стенками) концентрированных вихрей, в том числе и огненных, осуществляют с использованием вентиляторов и (или) путем вращения основания экспериментальной установки [5]. Получаемые указанными способами стационарные вихревые потоки удобны для детального экспериментального изучения, однако их характеристики могут значительно отличаться от параметров реальных нестационарных вихревых структур, например, наблюдаемых в земной атмосфере.
Изучение свободных нестационарных концентрированных вихрей осложнено рядом причин: спонтанностью образования, пространственно-временной нестабильностью, невозможностью управления характеристиками и т. д. Из-за отмеченных трудностей в настоящее время практически отсутствуют экспериментальные работы, где получены результаты по устойчивости и динамике свободных нестационар-
ных концентрированных вихрей, приемлемые для верификации математических моделей. Исключением являются работы по изучению возможностей генерации и управления поведением свободных нестационарных воздушных вихрей [6—9].
Одна из основных задач при исследовании причин возникновения и поведения свободных нестационарных воздушных вихрей — анализ распределения температурных полей. Применение контактных методов невозможно из-за внесения возмущений в структуру течения потоков, что приводит к разрушению вихрей [10]. Использование бесконтактных методов, в частности инфракрасной (ИК) термографии, которые нашли широкое применение в различных областях [11, 12], затруднено из-за малого размера частиц, используемых для визуализации вихрей.
В то же время процессы, аналогичные воздушным вихрям, возникают и в пламени. С одной стороны, исследование пламени имеет специфику, сильно влияющую на результаты, с другой — при достаточной степени визуализации, в том числе и для средств измерений, позволяет определить параметры концентрированных огненных вихрей. Результаты исследований характера изменений температурных полей в зоне появления огненных вихрей и разработанные алгоритмы их идентификации можно применять для решения задач, связанных с воздушными вихревыми потоками. Цель настоящей работы — исследование поведения свободного нестационарного пламени, визуализация возникающих огненных вихрей и оценка их геометрических и температурных параметров с помощью ИК-термографа.
Рис.
Зона пламени, излучение которой воспринимается термографом
При использовании ИК-термографа в приемник попадает излучение от участков сечения пламени различной температуры (рис. 1) [13]. Проводится измерение средней радиационной температуры Тр, термодинамическое значение которой можно определить по формуле
Т =Тр/^, (1)
где еТ — коэффициент излучения.
При известных распределении температуры стационарного пламени по наблюдаемому сечению и геометрических размерах (диаметре) пламени можно вычислить радиационную температуру в каждой точке по результатам измерений ИК-термографом. Коэффициент излучения определяют при сопоставлении результатов измерений, полученных термографом и термопарой, что позволяет получить термодинамическую температуру. Коэффициент излучения является стабильным для однотипных условий горения и вида горючего и может быть использован при анализе нестационарного пламени.
В условиях нестационарного пламени информация о распределении плотности пламени внутри наблюдаемого сечения отсутствует. Кроме того, она практически не может быть получена с помощью термопар из-за их достаточно высокой инерционности. Показание ИК-термографа для конкретного сечения можно рассматривать как результат, зависящий от размера (диаметра), распределения плотности внутри сечения и максимальной температуры пламени. Определение характера изменений указанных параметров даст возможность идентифицировать процессы, происходящие в нестационарном пламени.
Постановка задачи. Для генерации нестационарного пламени использовали экспериментальную установку, представляющую стол из алюминия марки Д16АМ диаметром 1100 мм и толщиной 1,5 мм. Верхняя (подстилающая) поверхность алюминиевого листа зачернена жаростойкой краской. В центральной части подстилающей поверхности размещали таблетки уротропина (гексаметилентетрамин С6Н12^) и под-
Рис. 2. Изменение термограммы при возникновении огненного вихря: относительная стабилизация пламени (а); начало зарождения вихря (б); резкий рост высоты пламени (е); полностью развитый вихрь (г)
жигали их. Масса каждой таблетки диаметром 40 мм составляет 21 г, теплота сгорания уротропина 30 МДж/кг. Фиксацию параметров процесса горения и генерируемых вихревых структур проводили с использованием видеокамеры и ИК-термографа (модель ИРТИС-2000 СН).
Принцип работы ИК-термографа основан на сканировании температурного излучения оптико-механическим сканером с одноэлементным высокочувствительным ИК-приемником. Для повышения чувствительности прибора приемник охлаждают жидким азотом (Т = 77 К) до малых температур. Это позволяет достичь чувствительности 0,05 °С при погрешности измерения ±1 %. Использование сканирующей системы снижает временное разрешение (минимальное время сканирования кадра 0,5 с) по сравнению с матричными, однако при этом можно получить достоверную информацию по всей области сканирования. Режим съемки одной строкой (разрешение 640x1 пикселов, частота до 500 Гц) позволяет фиксировать и быстроменяющиеся процессы.
Предыдущие исследования показали, что время жизни подавляющего большинства генерируемых в ихрей составляло 1—5 с [14], поэтому временного разрешения термографа достаточно для фиксации огненных вихрей. Диапазон измерений ИК-термографа -20 ... +1700 °С. Рабочий спектральный диапазон находится в среднем ИК-диапазоне 3,0—5,0 мкм. Использование данного диапазона целесообразно в связи с тем, что в нем находятся максимумы, обусловленные излучением горячих продуктов горения (паров воды, СО2, СО и др.). Выбор в качестве средства измерений ИК-термогра-фа ИРТИС-2000 СН обоснован широким диапазоном измерений температур, который позволяет использовать его при анализе и огненных, и воздушных вихрей без потери чувствительности. Во время эксперимента проводили параллельную запись термограммы и видеоизображения.
Результаты. При сжигании горючего на экспериментальной установке при относительной стабилизации пламени наблюдается осесимметричная термограмма (рис. 2, а). При этом высота пламени изменяется слабо и зависит от времени, прошедшего с момента поджога. Данную стадию горения с определенной степенью допущения можно считать квазистационарным процессом, для которого можно определить распределение температурных полей. В начальной стадии зарождения вихря на термограмме наблюдается заметное снижение столба пламени и изменение формы (рис. 2, б). Это объясняется тем, что вихри зарождаются, как правило, в боковых зонах пламени. Происходит изменение диаметра пламени в различных сечениях и перераспределение его плотности, что приводит к изменению температуры, отображаемой термографом. Затем появляется всплеск в направлении распространения вихря. Высота столба пламени превышает высоту стационарного пламени в 1,5—2 раза (рис. 2, е, г). Направление распространения пламени во многих случаях не совпадает с центральной осью. Наблюдают осесимметричные участки на термограмме, что подтверждает неравномерность распределения температуры и возникновение вихревых структур. Сопоставление результатов, полученных термографом, и в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.