19. Севостьянов А.В., Дождиков В.И. Сравнительный анализ
реклама
ВЕСТИ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ЧЕРНОЗЕМЬЯ №4(14). 2008 УДК 532.529 СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУЙ А.В. Севостьянов, В.И. Дождиков Липецкий государственный технический университет В работе рассмотрены различные методики экспериментального определения характеристик газокапельных струй применительно к организации охлаждения высоконагретых поверхностей. Указаны достоинства и недостатки рассмотренных методов. Применение разбрызгивающих устройств неизбежно вызывает необходимость определения характеристик капельных струй. В настоящее время все основные характеристики газокапельных струй определяются экспериментально ввиду высокой сложности гидродинамических процессов при течении в разбрызгивающем устройстве и последующем распаде потока на капли. Большое количество факторов, влияющих на диспергирование, делают практически невозможным полное аналитическое описание исследуемых процессов. С точки зрения практического применения наиболее востребованными являются следующие характеристики: форма струи, плотность орошения, средний размер капель и распределение их по размерам, профиль скорости, распределение динамического давления по полю орошения. Форма струи чаще всего характеризуется углом раскрытия струи, для плоских струй – двумя углами. Эти углы хорошо определяются измерениями соответствующих изображений на фотографиях. Плотность орошения является очень важной характеристикой при расчѐте и организации охлаждения высоконагретых поверхностей. Во многих случаях необходимо знать распределение плотности орошения для оценки качества охлаждения. Способ определения этой характеристики с помощью сосудов с калиброванным входным отверстием, расположенных в поле орошения, прост, надѐжен, но характеризуется значительной трудоѐмкостью. Объѐм сосудов вы- бирается из условия их заполнения за время не менее 10 с. В этом случае относительная погрешность, вносимая неточностью измерения времени заполнения даже с использованием ручного секундомера, становится малозначимой. Для повышения надѐжности получаемых данных используют не один, а группу приѐмных сосудов, причѐм вся группа сосудов заполняется за один приѐм, т.е. за одно и то же время. Замена приѐмных сосудов мензурками незначительно снижает трудоѐмкость измерений. Попытки автоматизировать измерения с помощью ѐмкостных или индукционных датчиков значительно сокращают время измерений, но в этом случае понижается надѐжность данных, т.к. датчики вносят более высокую погрешность. Применение различных способов для определения распределения капель по размерам в значительной степени определяется диапазоном размеров. Капли диаметром до 20 мкм отбираются в иммерсионную жидкость с последующим анализом пробы или еѐ микроснимка. Капли более крупного размера (диаметром до 150 мкм) исследуются методом отпечатков на стекле, покрытом слоем сажи или желатина. При диаметрах капель 80 мкм и более возникает вопрос об идентичности размеров капли и отпечатка. Диапазон более крупных капель можно исследовать с помощью автоматического счѐта капель, замыкающих электроды датчика. Погрешность этого метода около 10 %. Потоки с крупными каплями до 3 мм в диаметре можно исследовать путѐм регистрации АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИНФОРМАТИКА изменения электрической ѐмкости при прохождении капель между электродами датчика [1]. Для измерения распределения капель жидкости при скоростях потока до 180 м/с используется модификация этого способа с высокочастотной коррекцией [2]. Определение размеров капель можно осуществлять с помощью теплового зонда, представляющего собой нагреваемую током термопару [3]. Попадающие на спай капли испаряются, отнимая теплоту от термопары. Изменение электрического сигнала зависит от диаметра капли. Эта зависимость определяется в результате тарировочной процедуры. Таким способом измерялись капли воды с диаметрами от 3 до 1190 мкм. Разрешающая способность зонда составляет около 103 капель/с малого диаметра. Несколько особняком стоят оптические методы определения упомянутого распределения. Прямая фотосъѐмка с короткой экспозицией и высокоскоростная киносъѐмка дают хорошие результаты, но требуют дорогостоящей аппаратуры [4]. Простые оценки показывают, что для получения изображения несмещѐнной капли необходимая экспозиция не должна превышать 10-5 с. При более длительных экспозициях (до 10-3 с) изображение капли смазывается, превращаясь в трек. По толщине трека можно судить о диаметре капли. В диапазоне размеров капель 1 – 1800 мкм можно использовать оптический метод, позволяющий определить функцию распределения по индикатрисе рассеяния. При больших значениях параметра 2πr p= λ (1) рассеяние света происходит в основном на малые углы. При длине волны света λ=0,6 мкм каплю можно считать большой, если еѐ радиус r > 3 мкм. Свет, рассеянный на малый угол α от направления падающего луча, не зависит от показателя преломления, формы капли и других свойств жидкости и среды. Интенсивность рассеянного каплей света определяется зависимостью I α = I0 r 2 J12 pα α2 , (2) где I0 – интенсивность падающего света, J1(x) – функция Бесселя первого рода первого порядка. В полидисперсном потоке при не очень большой концентрации капель интенсивности рассеянного отдельными каплями света суммируются и, таким образом, индикатрису рассеяния можно представить формулой I α = I0 1 f(r)r 2 J12 pα dr , 2 α 0 (3) где f(r) – функция распределения капель по размерам. Отсутствие многократного рассеяния можно контролировать неравенством [5] I0 3, (4) I где I – интенсивность центрального пучка света. Уравнение (3) можно разрешить относительно функции f(r) ln f r = 2 p2 pαJ1 pα Y1 pα I α dα, (5) 0 где 2π I α =π 2 λ 2 d I α 3 α , dα I0 (6) Y(x) – функция Бесселя второго рода первого порядка. В настоящее время серийно выпускаются приборы для определения функции f(r). На рис. 1 приведена принципиальная схема одного из таких приборов, выпускаемых фирмой "Malvern". ВЕСТИ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ЧЕРНОЗЕМЬЯ №4(14). 2008 Собирающая линза Многоэлементный фотодетектор r Лазер Коллиматор Поток капель f Микропроцессор Рис. 1. Принципиальная схема прибора для определения распределения частиц по размерам Многоэлементный фотодетектор позволяет определять f(r) сразу за один приѐм в любом месте потока, что сводит к нулю возможные погрешности в определении угла α = r/f, где f - фокусное расстояние собирающей линзы, которое намного больше длины пути луча в рассеивающей среде. Недостатком метода является высокая чувствительность к одиночным каплям крупного размера. Для детального анализа гидродинамических процессов, происходящих в газокапельной струе, необходимо знать профиль скорости дисперсной компоненты. Стандартные методы измерения скорости, популярные в исследовании однофазных однокомпонентных потоков, в дисперсных струях надѐжных результатов не дают, а часть из них вообще не применимы, как например, термоанемометрический метод. Для капельных потоков можно использовать времяпролѐтный метод, связанный с измерением времени, за которое капля пролетит точно отмеченное базовое расстояние, или с измерением расстояния, которое капля пролетает за фиксированное время. В настоящее время весьма популярны лазерные доплеровские измерители скорости, где скорость частицы определяется по смещению частоты опорного оптического излучения (эффект Доплера). Для объяснения принципа действия доплеровского анемометра необходимо рассмотреть оптические явления, происходящие в исследуемой области потока. В измерительном объѐме при пересечении двух лучей образуется система интерференционных полос. Частицы, пересекающие область локализации интерференционной картины, модулируют в рассеянном свете изображение интерференционных полос в плоскости фотодетектора. Ширина интерференционной полосы определяется формулой λ B= , 2sinα (7) где 2α – угол между направлениями интерферирующих лучей. Свет, рассеянный частицей, которая движется в поле интерференции со скоростью w , оказывается промодулированным по интенсивности. Частота модуляции равна обратной величине времени пересечения частицей одной интерференционной полосы. С АВТОМАТИЗАЦИЯ И ИНФОРМАТИКА учѐтом (7) получается выражение для доплеровской частоты νd = wcosβ 2w = sinαsin β α , B λ где β – угол между вектором скорости направлением опорного луча. Отсюда w= νd λ . 2sinαsin β α (8) w и (9) Частота νd регистрируется фотодетектором, и при фиксированной геометрии падающего и отражѐнного лучей на дисплее прибора высвечивается скорость w. Частотные характеристики измерителя скорости позволяют определить и турбулентные пульсации скорости w'. Для лазерного измерителя диапазон измеряемых скоростей составляет от десятков сантиметров до сотен метров в секунду. Развитие теории спектроскопии оптического смешения и корреляции фотонов позволило создать прибор для измерения скорости в диапазоне от 1 мм/мин до 5 км/с. Приборы такого типа выпускаются англоамериканской фирмой "Malvern". Интенсивное развитие компактной вычислительной техники и программного обеспечения приводит к созданию приборов, основанных на цифровых технологиях ввода и обработки изображений с помощью аналогов WEBкамер и ПЭВМ [6]. Последние разработки в области лазерной анемометрии, основанные на применении когерентных оптических доплеровских процессоров, позволяют перейти от локальных измерений к диагностике двухмерных полей скорости и их визуализации. Недостатком оптических методов является не только потребность в сложном и достаточно дорогом оборудовании. Высокая концентрация капель в измерительном объѐме искажает полезный сигнал, вызывая заметные погрешности в измерении. Для каждого прибора существует некоторая пороговая концентрация капель, превышение кото- рой делает измерения практически бессмысленными. В таких ситуациях с помощью специальных экранов вырезают часть потока, в которой и производят необходимые измерения. Следует отметить, что в этом случае наблюдается искажение структуры потока. Измерения динамического давления в газокапельном потоке сопряжено с трудностями. Пневмометрические зонды (трубки Пито) весьма чувствительны к попаданию крупных капель в зонд, следствием чего являются заметные ошибки в значении измеряемого давления. Ёмкостные датчики давления работают в диапазоне от 0,05 до 0,5 МПа и, к сожалению, обладают значительной нелинейностью характеристики. Датчики давления с использованием пьезоэлектрического эффекта позволяют измерять только пульсации давления. И ѐмкостные, и пьезоэлектрические датчики сложны в изготовлении, требуют дополнительной электронной аппаратуры и нуждаются в тарировочных процедурах. Однако, зная распределение капель по размерам и профиль скорости, можно оценить распределение динамического давления по полю орошения. Для приближѐнных оценок эффективности охлаждения высоконагретых поверхностей обычно используются наиболее простые и доступные методы. Повышение эффективности систем охлаждения с заданными параметрами, которые могли бы изменяться в соответствии с технологическими режимами производства, требуют подробного исследования получения и структуры двухкомпонентного газокапельного потока. Для таких исследований необходимы сложные измерительные системы с цифровым вводом, обработкой и визуализацией данных, позволяющие непосредственно получать распределения необходимых параметров. ВЕСТИ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ ЧЕРНОЗЕМЬЯ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Братута, Э.Г. Счѐтно-импульсный метод исследования распределения капель по размерам в дисперсных потоках [Текст]/ Э.Г. Братута, А.Р. Пересѐлков// Энергетическое машиностроение. - 1973. - Вып. 16. С. 72-78. 2. Фѐдоров, А.С. Метрология электрического метода измерения размеров капель в высокоскоростных потоках влажного пара [Текст]/ А.С. Федоров// Изв. АН СССР. Сер. Энергетика и транспорт. - 1979. - №6. С. 117-119. 3. Van Paasen, C.A. Thermal droplet size measurement using a thermocouple/ "International Journal of Heat and Mass Transfer", 1974, vol. 17. - №12.- Р. 432-434. 4. Мансон, Н. Микрофотографическое исследование распыливания жидких топлив [Текст]/ Н. Мансон, С.К. Банерджи, Р. Эдди// Вопросы ракетной техники. – 1956. №4 (34). - С. 114-136. 5. Шифрин, К.С. Определение спектра капель методом малых углов [Текст]/ К.С. №4(14). 2008 Шифрин, В.И. Голиков// Труды межведомственной конференции по исследованию облачности. Изд-во АН СССР, 1960. - С. 2635. 6. Дубнищев, Ю.Н. Новые методы лазерной анемометрии в исследованиях сложных газодинамических течений[Текст] / Ю.Н. Дубнищев, Б.С. Ринкевичюс, Н.А. Фомин/ ИФЖ. - 2003. - Т. 76. - №6. - С. 312. Сведения об авторах Севостьянов Александр Владимирович, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Липецкого государственного технического университета. E-mail: alvlsev@male.ru Дождиков Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор кафедры промышленной теплоэнергетики Липецкого государственного технического университета. e-mail: vladivado@yandex.ru УДК 53.06 ДЕТЕКТОР СВЧ ИЗЛУЧЕНИЯ НА СЛАБОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ Д.М. Сергеев Военный институт сил воздушной обороны М.С. Жеткербай Школа для одаренных детей им. М.Кусаинова Предложен детектор сверхвысокочастотного излучения на основе явления слабой высокотемпературной сверхпроводимости. Предложена структурная схема детектора. В последние годы в связи с интенсивным применением СВЧ-устройств в различных сферах деятельности человека возникла необходимость изучения негативных воздействий электромагнитного излучения СВЧ диапазона на организм человека. Для оценки допустимой нормы доз излучения, вызывающих негативное воздействие на организм, необходимо выявить такие важные параметры источника излучения, как частота, продолжительность, мощность излучения и т. п.
