Разработка оптических методов определения физических характеристик модельного огненного смерча

• Автор: Шерстобитов, Михаил Валентинович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 100 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Горение, термины и определения
1.2 Огненный смерч как явление
1.3 Физическое моделирование огненных смерчей
1.4 Математическое моделирование огненных смерчей
1.5 Обзор оптических методов исследования компактных очагов горения. Обоснование применения оптических методов исследования модельных огненных смерчей
1.6 Предмет изучения и вопросы исследования
Глава 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ОГНЕННОГО СМЕРЧА
2.1 Горение жидкости. Метод моделирования огненного смерча
2.2 Компоненты скорости воздушного потока: измерения, сравнение с теорией. Высота модельного огненного смерча
Глава 3 АКТИВНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЬНОГО ОГНЕННОГО СМЕРЧА,
3.1 Аппаратура и методика исследования модельного огненного смерча лазерным просвечиванием
3.2 Исследование флуктуаций интенсивности лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч
3.3 Исследование флуктуаций дрожания изображения лазерного пучка, распространяющегося через модельный огненный смерч
3.4 Выводы по результатам лазерного просвечивания модельного огненного смерча
Глава 4 ПАССИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛЬНОГО ОГНЕННОГО СМЕРЧА
4.1 Регистрация модельного огненного смерча в видимом диапазоне.
4.1.1 Анализ результатов

4.2. Тепловизионная регистрация модельного огненного смерч
4.2.1 Схема измерений с тепловизором Inframetrics
4.2.2 Анализ термограмм
4.2.3 Результаты применения тепловизора Inframetrics
4.2.4 Схема измерений с тепловизором JADE J530SB
4.2.5 Анализ термограмм
4.2.6 Результаты применения тепловизора JADE J530SB
4.3 Регистрация эмиссионных ИК-спектров модельного огненного смерча
4.3.1 Предпосылки и задачи для эмиссионной спектроскопии
4.3.2 Аппаратура и методика измерений
4.3.3 Анализ и обсуждение результатов
4.3.4 Выводы по результатам обработки спектров
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Таблицы максимумов частотных спектров
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Расчет эмиссионных спектров СО и С

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность исследования
При обширных природных и техногенных пожарах иногда возникают огненные смерчи (ОС). ОС характеризуются колоннообразным вытягиванием пламени захватывающим как часть площади горения, так и целиком очаг пожара. При мощном приземном радиальном притоке воздуха в зоне ОС интенсификация огненного воздействия существенно повышается. Актуальной задачей является уточнение физических параметров такого поведения пламени. Важной задачей является разработка методов обнаружения ОС, воздействия на них с целью разрушения, а с другой стороны, закругка пламени используется для оптимизации процессов горения и теплопередачи в различных технических приложениях. Также важно исследовать физические параметры ОС для более точного моделирования этого явления.
Настоящая работа посвящена разработке оптических методов количественного определения физических параметров моделируемых огненных смерчей (МОС). Сам термин «огненный смерч» (в англоязычной литературе - fire whirl, fire tornado, firestorm) вобрал в себя два явления - довольно обширный пожар и торнадо (смерч). В работах, где описывается это явление, например [8,21-23], а так же многочисленных работах по моделированию ОС и подобного процесса вихреобразования [9,10,12-17], основное внимание уделяется рассмотрению явления с позиций метеорологии, а также с позиций механики жидкости и газа. Однако не совсем полно освещен вопрос об использовании оптических методов для определения физических параметров ОС. В настоящей работе явление ОС моделируется в лабораторном масштабе и рассматривается с позиций оптики. Оптические методы позволяют оперативно исследовать подобные структуры, не внося искажений в горящий объем, дистанционно и безинерционно получать большой объем экспериментальных данных.

Угол установки лопаток крыльчатки составлял 20° к горизонту, внешний диаметр 38см, внутренний (по лопаткам) - 18 см. Крыльчатка приводилась в движение электродвигателем. Схема блока генерации МОС представлена на рис.9. Ниже крыльчатки (2), на валу электродвигателя (1) соосно устанавливался диск (4). Диск имел 180 радиальных прорезей. По одну сторону прорезей был установлен светодиод (5), а по другую - фотодиод (6).
Рисунок 9 - Схема блока генерации МОС: 1-электродвигатель; 2-крыльчатка;4-диск с прорезями; 5 светодиод; 6-фотодиод
Частота вращения электродвигателя задавалась ручной регулировкой переменного резистора в цепи питания и контролировалась с помощью частотомера, регистрирующего частоту импульсов с фотоприемника. Диапазон частот вращения крыльчатки составлял 0+17 Гц. Дрейф частоты вращения электродвигателя в процессе сгорания одной порции топлива составлял порядка 1+2% в сторону больших частот, что в дальнейшем использовалось для верификации метода определения частоты вращения МОС (в Главе 4).
Оценки параметра закрутки потока (б) производились по формуле [79]