Определение термодинамических характеристик неоднородных газовых сред оптическими методами

• Автор: Каширский, Данила Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 147 с. : ил.

Оглавление
Введение
1 Анализ существующих методов диагностики термодинамически неоднородных газовых сред
1.1 Прямые и обратные задачи оптики газовых сред
1.2 Методики расчета спектральных характеристик газовых сред
1.3 Программные комплексы для моделирования пропускания и радиации газовых сред
1.4 Современное состояние оптических дистанционных методов исследования характеристик газовых сред
1.5 Выводы
2 Модель распространения излучения в газово-аэрозольных средах
2.1 Физико-математическая модель
2.2 Программное обеспечение «TRAVA»
2.2.1 Блок-схема ПО «TRAVA»
2.2.2 Архитектура ПО «TRAVA»
2.2.3 Интерфейс ПО «TRAVA»
2.3 Тестовое численное моделирование спектральных характеристик
2.4 Сравнение ПО «TRAVA» с Интернет-ресурсом «SPECTRA»
2.5 Выводы
3 Определение прецизионных значений центров линий излучения лазеров на двухатомных молекулах в ИК диапазоне
3.1 Общая схема определения энергетического спектра двухатомных молекул
3.2 Описание программы «ДАНХЕМ»
3.3 Анализ результатов расчета энергетического спектра СО
3.4 Анализ рассчитанных значений центров линий излучения СО-лазера
3.5 Контроль спектральной ширины линии генерации лазера
3.5.1 Влияние спектральной ширины лазерной линии излучения
3.6 Методика определения спектральной ширины линии генерации лазера
3.6.1 Выводы
4 Определение температуры и парциальных давлений составляющих газовой среды
4.1 Описание методики определения 0 и р
4.2 Реализация методики для квазимонохроматического лазерного излучения
4.2.1 Решение прямой задачи
4.2.2 Влияние молекулярной и аэрозольной составляющих атмосферы
4.2.3 Влияние спектральной ширины линии генерации лазера на величину
функции пропускания
4.2.4 Получение полиномов для описания зависимости функции пропускания от температуры и парциального давления газа
4.2.5 Решение обратной задачи
4.3 Реализация методики определения термодинамических параметров газовых сред для случая широкополосного излучения
4.4 Апробация методики на реальном эксперименте
4.4.1 Описание экспериментальной установки
4.4.2 Методика измерения и расчета функции пропускания
4.4.3 Обработка записанных спектров
4.5 Выводы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ .

Введение
Актуальность темы исследования
Источниками высокотемпературных газовых сред являются объекты природного (вулканы, гейзеры) и антропогенного происхождения (двигатели авиа и ракетно-космической техники, турбины ТЭЦ, металлургические заводы и т.д.), знание свойств которых необходимо для решения экологических задач и предотвращения чрезвычайных ситуаций. Для таких сред характерны значительные диапазоны изменения температуры и концентраций газовых компонентов, приводящие к широким интервалам изменения величины оптической толщины в неоднородной среде.
В газовых средах имеют место процессы молекулярного поглощения, рассеяния и переизлучения. Интенсивность излучения в таких средах в конкретной пространственной точке описывается уравнением переноса. Решение этого уравнения в общем виде известно, однако обратная задача по определению характеристик ядер этого уравнения требует разработки соответствующего математического аппарата. Существующие в настоящее время математические методы обработки данных по спектральным характеристикам не позволяют определить концентрационные поля компонентов таких сред, поскольку экспоненциальные зависимости пропускания и поглощения, определяемые законом Бугера, не информативны в случаях оптически тонких или плотных сред. Вместе с тем разнообразие в спектральных распределениях коэффициентов поглощения, функций пропускания и излучательной способности газов позволяет предлагать их использование для анализа изучаемых газовых сред.
Имеющиеся в настоящий момент способы обращения данных позволяют определять либо концентрацию компонентов газовой среды либо ее температуру. Существующие методики также имеют привязку к конкретному типу метода измерения (пассивному или активному) и измерительной аппаратуре.
Поэтому наиболее актуальной является разработка математического аппарата решения обратной задачи оптики газовых сред - одновременного определения пространственных распределений температуры и концентраций газовых компонентов в смеси из измерений собственного или зондирующего излучения - для дистанционного анализа термодинамически неоднородных газовых сред с значительными градиентами

2.1 Физико-математическая модель
Рассмотрим принцип распространения излучения сквозь газово-аэрозольный объем. Возьмем элемент среды в виде цилиндра единичного сечения (рисунок 2.1). Пусть луч в направлении п, которое совпадает с осью цилиндра, пересекает перпендикулярные ему основания в точках с координатами гиг', находящихся друг от друга на расстоянии аЧ. Интенсивность излучения в этих точках равна /(г,Я) и
1{г,п) = 1{г,п) +—сИ соответственно. д
Входящее
излучение
Исходящее
н-злучєішє
Рисунок 2.1 - Схема, поясняющая геометрию распространения излучения
Изменение интенсивности излучения при прохождении его через
рассматриваемую среду определяет уравнение переноса излучения [160]:
91= к(г)/° [0(г)]-[к(г) + о(г)]/(г,й) + ] 1{г,п'Уххг,п,п)с1П', (2.1)
где /(г,й) - интенсивность излучения, к(г) - показатель поглощения среды, /°[0(г)] -интенсивность излучения абсолютно чёрного тела, 0(г) — температура, а(?) — показатель рассеяния среды, /(г, и') - интенсивность излучения, рассеянного в направлении наблюдения, %{г,п,п) - индикатриса рассеяния среды.
Соотношение (2.1) учитывает различные процессы, характеризующие взаимодействие радиации со средой и приводящие к изменению её интенсивности.
Первое слагаемое описывает увеличение интенсивности излучения за счёт собственного излучения среды, т.е. процесса, связанного с переходом энергии возбуждённых атомов и молекул в энергию излучения.