Разработка оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости

• Автор: Шашкова, Инна Александровна
• Шифр специальности: 05.11.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 154 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1 Оптические методы исследования потоков: направления и применение

1.1 Направления в оптических методах исследования потоков

1.2 Теневые методы

1.3 Интерферометрия

1.4 Лазерная рефрактография

1.5 Метод анемометрии по изображениям частиц

1.6Теневой фоновый метод

1.7 Выводы по главе

2. Оптико-электронный комплекс диагностики процесса испарения жидкости
2.1 Структурная схема комплекса
2.2 Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц
2.3 Экспериментальная установка для реализации теневого фонового метода
2.4 Приемная система
2.5 Блок обработки экспериментальных изображений
2.6 Выводы по главе
3. Тестирование и определение границ применимости комплекса
3.1 Параметры исследуемых процессов и границы применимости комплекса
3.2 Определение разрешающей способности комплекса
3.3 Выводы по главе
4 Применение разработанного комплекса для исследования микропотоков жидкости
4.1 Испарение капли жидкости с горизонтальной подложки
4.2 Визуализация капли на нагретой подложке
4.3 Визуализация процессов перемешивания жидкостей в малых объемах.
4.4 Наблюдение паров летучих веществ
4.5 Визуализация микропотока жидкости
4.6 Выводы по главе
Заключение
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к изучению процессов течения и испарения жидкостей, обусловлен широким распространением этих явлений в природе и технике. Наряду с исследованиями крупномасштабных потоков в аэро- и гидродинамике существует ряд задач, связанных с изучением микропотоков, пленок и капель жидкости.
Задача об испарении капли жидкости с горизонтальной подложки находит множество приложений в различных областях, например, в медицинской диагностике, в «лаборатории на чипе», а также в производстве структурированных материалов и поверхностей.
Пленки жидкости присутствуют в рабочих циклах многих технических устройств, например, образуются в камерах сгорания, топочных камерах. Пленочное течение жидкости применяется для обеспечения охлаждения элементов в микороэлектронике. Режим течения пленки жидкости по нагретой поверхности играет важную роль в задаче оптимизации энергетических затрат летательных аппаратов.
Приведенные выше процессы характеризуются наличием тонкой пленки жидкости, участвующей в течении, или испаряющейся из капли. Математическое моделирование в данном случае представляет сложную задачу, так как моделируемые процессы содержат значительное количество хаотически изменяющихся параметров. Поэтому актуальны экспериментальные исследования.
Существуют различные методы, основанные на измерении температуры, давления, скорости и других параметров движущихся сред. Однако большинство из них вносят искажения в поток. Оптические методы позволяют устранить механические возмущения исследуемой среды, обеспечивают дистанционность и многофункциональность. Особое место здесь занимают методы, позволяющие получать информацию об исследуемом объекте в некоторой области пространства в один момент времени. К ним относят теневой фоновый метод (ТФМ) и анемометрию по изображениям частиц (АИЧ), сочетающие простоту реализации, применение современных компьютерных технологий для регистрации и анализа экспериментальных данных. Несмотря на то что результаты измерений в этих
методах чувствительны к нормировке, широкие возможности для визуализации и получения количественных характеристик исследуемого объекта привели к распространению ТФМ и АИЧ в области исследования крупномасштабных потоков. В то же время актуальна задача адаптации указанных методов к микромасштабным течениям.
В настоящей работе представлено применение ТФМ и АИЧ в разработанном оптико-электронном комплексе для исследования процессов течения и испарения жидкостей микролитрового объема.
В первой главе были рассмотрены основные направления в оптических методах исследования потоков. Проведен обзор работ по практическому применению описанных методов.
Было показано, что теневой фоновый метод и анемометрия по изображениям частиц являются методами, в которых оптимально сочетаются простота реализации, применение современных компьютерных технологий для регистрации и анализа экспериментальных данных, а также широкие возможности для визуализации и получения количественных характеристик исследуемого объекта.
Во второй главе представлены проведенные теоретические и экспериментальные исследования по реализации методов АИЧ и ТФМ для оптико-электронного комплекса диагностики процессов испарения жидкости.
В третьей главе рассмотрены параметры исследуемых с помощью разработанного комплекса процессов. Основным ограничивающим фактором, определяющим границы применимости комплекса, является поле зрения и глубина резкости изображаемого пространства (ГРИП) оптической системы.
Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов испарения жидкостей с помощью разработанного оптико-электронного комплекса. Приведены результаты обработки экспериментальных картин метода АИЧ и ТФМ перемешивания, испарения в пленочном течении жидкости по гладкой нагретой подложке и в капле жидкости на горизонтальной подложке, распространения паров над поверхностью жидкости.

регулярно, так и хаотически. В качестве фонового экрана могут использоваться естественные изображения, например, лес [59-61].
Оптическая неоднородность 3, характеризующаяся зависимостью
показателя преломления от координат, вносит искажение в изображение фонового экрана. На рисунке 23 приведена схема, поясняющая механизм образования искаженного изображения фона в приближении геометрической оптики.
Если неоднородность отсутствует, то каждая точка фонового экрана даст идеальное изображение в плоскости матричного фотоприемника. Если неоднородность присутствует, то лучи формирующие изображение точек отклонятся и дадут изображение в отличном от первого случая месте [57].
Рисунок 23 - Схема оптического пути светового луча при наличии градиента плотности в
оптическом канале [57]
Визуализация картин теневого фонового метода осуществляется на основе получения двух снимков фонового экрана, с достаточным оптическим контрастом и структурой. Одно изображение регистрируют при отсутствии возмущений в канале передачи, другое - при наличии неоднородности в оптическом канале. Информацию об исследуемом объекте получают из анализа различий между снимками. Смещения деталей изображения, пропорциональны градиентам поля плотности в канале передачи в том же направлении. Результат воздействия среды