Исследование рассеяния гауссова пучка на движущихся частицах в задачах лазерной диагностики потоков

• Автор: Скорнякова, Надежда Михайловна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 151 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ЛАЗЕРНЫЕ МЕТОДЫ ДИАГНОСТИКИ ПОТОКОВ
(АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР)
1Л. Принципы работы лазерных методов диагностики потоков
1.2. Лазерная доплеровская анемометрия
1.3. Фазовая доплеровская анемометрия
1.4. Анемометрия изображения частиц
1.5. Лазерные методы визуализации потоков
1.6. Выводы по первой главе
ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАССЕЯНИЯ ЛАЗЕРНЫХ ГАУССОВЫХ ПУЧКОВ КРУПНОЙ НЕПОДВИЖНОЙ ЧАСТИЦЕЙ
2.1. Численное моделирование дифравдцздФраунгофера гауссова пучка
на цилиндрической частице 1
2.1.1. Дифракция света на частице, находящейся в центре гауссова пучка39
2.1.2. Дифракция света на частице, расположенной несимметрично относительно оси пучка
2.2. Результаты экспериментальных исследований
2.3. Выводы по второй главе
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ РАССЕЯНИЯ ГАУССОВА ПУЧКА НА РАБОТУ ЛАЗЕРНЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ ПОТОКОВ
3.1. Однопучковая и двухпучковая схемы, оптическая обработка
метода АИЧ
3.2. Анализ сигналов лазерного доплеровского анемометра
3.2.1. Модель для компьютерного эксперимента
3.2.2. Результаты компьютерного эксперимента
3.2.3.Результаты физического эксперимента
3.3. Частотный метод измерения радиуса пучка
3.4. Выводы по третьей главе
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВЫХ ПУЗЫРЬКОВ
4.1. Схемы экспериментального исследования
4.1.1. Световодный лазерный нож
4.1.2. Световодный ЛДА
4.2. Обработка результатов эксперимента с видеокамерой
4.2.1. Определение параметров экспериментальной установки
4.2.2. Основы цифровой фильтрации изображений пузырьков
4.2.2.1. Методы точечной обработки изображений пузырьков
4.2.2.2. Методы пространственной обработки изображений пузырьков
4.2.3. Использование цифровой фильтрации изображений
4.2.4. Определение параметров пузырьков газа
4.2.5. Определение параметров движущихся пузырьков газа
4.3. Результаты компьютерного моделирования осцилляций газового пузырька
4.3.1. Осцилляции размера пузырька
4.3.2. Осцилляции положения газового пузырька
4.3.3. Одновременные осцилляции положения и размера пузырька
4.3.4. Осцилляции положения и размера пузырька с различной частотой
4.3.5. Осцилляции положения и размера пузырька по различным законам
4.6. Выводы по четвертой главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время все большую значимость приобретают бесконтактные методы диагностики потоков жидкости и газа. Эти методы получили широкое практическое применение и, соответственно, проводятся многочисленные исследования в этой области. Наиболее простыми в реализации и имеющими высокую точность являются лазерные методы диагностики потоков.
Самыми распространенными являются следующие методы: лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), фазовая доплеровская анемометрия (ФДА), анемометрия изображения частицы (АИЧ), анемометрия следа частицы (АСЧ), времяпролетная анемометрия (ВА) и некоторые другие [1,2].
Все эти методы основаны на зондировании исследуемого потока лазерным излучением и регистрации рассеянного излучения движущимися в потоке частицами.
Методы лазерной анемометрии удачно дополняют другие методы исследования потоков жидкости и газов, такие как теневые, интерференционные, голографические. Основным преимуществом методов лазерной анемометрии является возможность получения количественных данных о локальных значениях скоростей без заметного возмущения исследуемого потока В частности, это позволяет исследовать условия в пристеночной области, что дает основу для уточнения граничных условий, играющих столь важную роль в аэро- и гидродинамике. Следует упомянуть также весьма актуальную проблему зарождения турбулентности, где методы лазерной анемометрии дали заметные результаты, имеющие принципиальное значение.
Современная теория лазерных методов диагностики потоков, в основном, базируется на теории рассеяния плоской однородной монохроматической волны сферической частицей (теория Ми). Источником света для исследования рассеяния света выступает лазер, обычно работающий в ТЕМ0о

изображения в различных областях оптической техники. При этом, как правило, ставятся сходные базовые задачи, а именно: уменьшение зашумленности изображения, выделение характерных особенностей и объектов на цифровой картинке и сохранение обработанного изображения в удобном для дальнейшей работы формате с минимальными искажениями. Описание и примеры реализации фильтров приведены в [51 - 54].
Таким образом, при разработке метода определения параметров газовых пузырьков в водной среде, исходя из полученного сигнала ДДА, необходимо учитывать: осцилляции размеров газового пузырька; осцилляции положения газового пузырька; отклонения формы газового пузырька от сферической; особенности рассеяния гауссовых пучков.
Размеры пузырьков газа могут быть определены по характеристикам рассеянного излучения. В частности, для пузырьков диаметром 10 - 500 мкм применим метод дифракции лазерного пучка (метод малых углов). Пузырыш больше 0,5 мм могут исследоваться методом фотографирования (в частности, с помощью цифровой видеокамеры).
Из вышесказанного видно, что исследование закономерностей движения газовых пузырьков в водной среде требует применения различных методов.
1.6. Выводы по первой главе
Из приведенного краткого обзора видно, что, во-первых в лазерной диагностике потоков чаще всего применяется теория рассеяния Лоренц-Ми, в которой волна полагается однородной. Во-вторых, в основном разработана техника для измерения скорости малых частиц, для которых эффекты гауссовости излучения не проявляются. Большое количество работ выполнено только лишь по учету гауссовости в ФДА.