ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
advertisement
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ» На правах рукописи ШАШКОВА ИННА АЛЕКСАНДРОВНА РАЗРАБОТКА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ Специальность 05.11.07 – Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель к.т.н., доцент Скорнякова Надежда Михайловна Москва – 2015 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ....................................................................................................... 2 ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................. 3 1 Оптические методы исследования потоков: направления и применение...... 9 1.1 Направления в оптических методах исследования потоков......................... 9 1.2 Теневые методы............................................................................................... 12 1.3 Интерферометрия ............................................................................................ 18 1.4 Лазерная рефрактография .............................................................................. 24 1.5 Метод анемометрии по изображениям частиц............................................. 27 1.6Теневой фоновый метод .................................................................................. 33 1.7 Выводы по главе.............................................................................................. 43 2. Оптико-электронный комплекс диагностики процесса испарения жидкости44 2.1 Структурная схема комплекса ....................................................................... 44 2.2 Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц............................................................................................ 47 2.3 Экспериментальная установка для реализации теневого фонового метода55 2.4 Приемная система ........................................................................................... 58 2.5 Блок обработки экспериментальных изображений ..................................... 71 2.6 Выводы по главе.............................................................................................. 82 3. Тестирование и определение границ применимости комплекса ................. 83 3.1 Параметры исследуемых процессов и границы применимости комплекса83 3.2 Определение разрешающей способности комплекса.................................. 90 3.3 Выводы по главе............................................................................................ 100 4 Применение разработанного комплекса для исследования микропотоков жидкости .............................................................................................................. 102 4.1 Испарение капли жидкости с горизонтальной подложки......................... 102 4.2 Визуализация капли на нагретой подложке ............................................... 122 4.3 Визуализация процессов перемешивания жидкостей в малых объемах. 128 4.4 Наблюдение паров летучих веществ........................................................... 130 4.5 Визуализация микропотока жидкости ........................................................ 134 4.6 Выводы по главе............................................................................................ 139 Заключение .......................................................................................................... 140 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.......................................... 143 ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 153 3 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 капели 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 4 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. 5 В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации. Цель работы. Разработка методики совместного применения ТФМ и метода АИЧ в оптико-электронном комплексе диагностики процесса испарения жидкости. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи: • разработать структуру оптико-электронного комплекса по реализации ТФМ и метода АИЧ для исследования гидродинамических процессов в микромасштабе; • разработать методику лабораторного тестирования оптико- электронного комплекса для диагностики микропроцессов испарения жидкости; • исследовать границы применимости разработанного комплекса и оценить погрешность измерений. Научная новизна работы: • В ходе экспериментальных исследований были получены зависимости погрешности смещений элементов экспериментальных картин для теневого фонового метода и метода анемометрии по изображениям частиц для различных углов наблюдения в оптической системе и величин смещения. • На основе теневого фонового метода разработана методика экспериментального исследования профиля поверхности пленочного течения и капли жидкости микролитрового объема, а также индикации паров над поверхностью жидкости. • На основе метода анемометрии по изображениям частиц для макропотоков разработана методика экспериментального исследования вихревых течений в испаряющейся капле жидкости, пленочном течении жидкости по гладкой нагретой подложке в микромасштабе. • Разработана методика диагностики гидродинамических процессов в испаряющихся жидкостях микролитрового объема, позволяющая проводить исследование одного и того же объекта с применением теневого фонового метода 6 и метода анемометрии по изображениям частиц для получения информации о большем количестве параметров исследуемого объекта. Практическая ценность работы. Разработанный оптико-электронный комплекс может применяться для исследования процессов испарения оптически прозрачных жидкостей микролитрового объема: восстановления профиля поверхности пленочного течения, испаряющейся капли; визуализации паров испаряющейся жидкости; визуализации и определения кинематических характеристик структур, образующихся при испарении течения или капли жидкости, а также при перемешивании различных жидкостей. Исследования проводились в рамках ФЦП и «Научные научно- педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы, по международному проекту Евросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» и по грантам РФФИ. Личный вклад. Автором разработаны методики исследования процесса испарения капли микролитрового объема и пленочного течения оптически прозрачной жидкости толщиной до 1 мм на основе теневого фонового метода и анемометрии по изображениям частиц. Создана и апробирована экспериментальная установка оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости. Создана методика цифровой обработки экспериментальных картин ТФМ и АИЧ. Внедрение. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы (госконтракт № 02.740.11.0449 от 30.09.2009), международному проекту Евросоюза (7-ая рамочная программа), проекту АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (проект 2.2.2.2/10404) и по грантам РФФИ, что подтверждено актом о внедрении (см. приложение А). Достоверность полученных результатов: • Для реализации оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости применялось современное научное оборудование, при 7 обработке экспериментальных данных применялась промышленная программа цифровой обработки изображений кросскорреляционными методами. • Результаты экспериментальных исследований согласуются с результатами численного моделирования, представленного в литературе. Апробация работы. Основные материалы работы докладывались на следующих конференциях и семинарах в период с 2011 по 2014 г.г.: 17, 18 Международные научно-технические конференции студентов и аспирантов “Радиоэлектроника, электротехника и энергетика”, МЭИ (ТУ), 2011, 2012 гг. XIX Международная Конференция Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии, Новороссийск, 2011 г. Научные сессии НИЯУ МИФИ – 2012-13. Научно-технические конференции – семинары по фотонике и информационной оптике, Москва, 2012, 2013 гг. XI, XIII Международные научно-технические конференции «Оптические методы исследования потоков»; Москва, 2011, 2013 гг. Международная научно-практическая конференция «Актуальные вопросы развития науки», Уфа, 2014. Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 11 печатных работах, из них 2 статьи – в реферируемых журналах, 1 – свидетельство о регистрации программы для ЭВМ, без соавторов – 3 работы, а также в 2 тезисах докладов. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа содержит 154 страниц машинописного текста, включая 103 рисунка, 8 таблиц, 92 наименования списка литературы. Основные положения, выносимые на защиту: • Для теневого фонового метода и метода анемометрии по изображениям частиц максимальная погрешность определения смещения элементов экспериментальных картин при минимальном угле наблюдения 20° составляет не 8 более 10% в диапазоне смещений 100÷300 мкм и не более 5% для смещений более 300 мкм. • С помощью разработанных оптико-электронного комплекса и алгоритмов обработки прозрачных становится жидкостях возможной в визуализация микромасштабе: процессов перемешивания, в оптически испарения в пленочном течении жидкости по гладкой нагретой подложке и распространения паров над поверхностью жидкости. • Разработанная методика экспериментального исследования на основе АИЧ позволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачной жидкости объемом от 5 мкл до 70 мкл по серии двухмерных изображений и восстанавливать временные зависимости скорости течения жидкости внутри капли. • Разработанная методика экспериментального исследования на основе ТФМ, позволяет для капли объемом от 1 мкл до 550 мкл по серии ее двухмерных изображений восстанавливать временные зависимости формы поверхности капли, площади контактного пятна, площади поверхности и объема жидкости в капле. 9 1 ОПТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОТОКОВ: НАПРАВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ 1.1 Направления в оптических методах исследования потоков Интерес к исследованию потоков связан с их широким распространением в природе и технике. Потоки жидкости, газа и плазмы наблюдаются в натурных условиях (атмосфера, океан), являются частью промышленных технологий во многих отраслях (энергетика, ракетостроение, химическая промышленность, медицина и т.д.). Разработанная теоретическая база, описывающая гидродинамические процессы [1-3], обеспечивает широкий круг задач для экспериментальных исследований. Для изучения сложных процессов, сопровождающих потоки, существуют различные методы, основанные на измерении температуры, давления, скорости и других параметров движущихся сред. Наиболее распространенными в области исследования потоков газовых и конденсированных сред являются оптические измерения. Это связано, в первую очередь, с такими достоинствами оптических методов, как отсутствие механических возмущений исследуемой среды, дистанционность и многофункциональность [4, 5]. Классические исследования теневые потоков, методы возникшим относятся при переходе к старейшим от методам непосредственного наблюдения к более точным качественным и количественным исследованиям. Они основаны на рефракции световых лучей на крупномасштабных оптических неоднородностях потока. По результатам теневых измерений может быть восстановлено распределение показателя преломления в оптической неоднородности, которое в свою очередь зависит от таких параметров исследуемой среды, как плотность, температура, давление, а также концентрация химических компонентов, если среда представляет собой смесь различных веществ [6]. Развитие теоретических основ оптики привело к появлению методов, основанных на явлении интерференции света, в которых применяются различные интерференционные схемы, например, Маха-Цендера, Майкельсона, Физо и др. 10 Информацию об исследуемом потоке получают, исследуя интерференционные картины от опорного и объектного через (прошедшего оптическую неоднородность) пучков [7]. Значительные изменения в развитии оптических методов исследования потоков произошли во второй половине XX столетия после появления первых лазеров. Лазерные источники излучения с высокой монохроматичностью, временной и пространственной когерентностью привели к возникновению новых методов, таких как лазерная доплеровская анемометрия, методы гильберт-оптики, многоканальные и сканирующие рефрактометрические методы, спекл-метод, методы лазерной рефрактографии и голографической интерферометрии [4, 5, 8-11]. Высокая пространственная когерентность, эффекты рассеяния лазерного излучения на движущихся частицах в сочетании с эффектом Доплера позволили создать бесконтактный метод измерения локальной скорости потока, а также дисперсной фазы в его объеме – метод лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) [4, 5, 8, 11]. Измерения в ЛДА проводят с помощью регистрации и последующего анализа рассеянного частицей в потоке лазерного излучения. Часть из перечисленных методов относятся к так называемым рефракционным методам диагностики потоков и основаны на рефракции лазерного излучения в оптически неоднородных средах. В отличие от теневых методов, в которых информация об исследуемой неоднородности содержится в распределении освещенности в плоскости наблюдения, в лазерных рефракционных методах анализируется смещение выделенных структурных элементов в плоскости наблюдения, что способствует повышению точности измерений [9]. В связи с появлением надежных импульсных лазеров с хорошими когерентными свойствами широкое распространение в экспериментальной газодинамике получили методы голографической интерферометрии. Они основаны на интерферометрическом сравнении двух и более волн, из которых, по крайней мере, одна восстановлена голографическим способом. По сравнению с классическими методами регистрации интерференционной картины, голография 11 позволяет избавиться от шумов, обусловленных качеством изготовления оптических деталей и условиями окружающей исследуемый объект среды, а также получать при помощи одной голограммы несколько интерферограмм, соответствующих разным направлениям наблюдения. Следует отметить, что в голографической интерферометрии затруднена регистрация экспериментальных данных в реальном аэродинамических времени. Данный исследованиях потоков, метод широко возникающих применяется при в обтекании различных моделей [10]. В то же время, активное совершенствование устройств регистрации оптической информации (появление матричных фотоприемников с количеством разрешаемых элементов, исчисляемых в мегапикселях, и скоростью съемки более 100 кадров в секунду) и появление компьютерных систем для работы с большим объемом данных (с быстродействием свыше 1 ГГц и объемом памяти более 100 Гбайт) обусловили создание различных модификаций оптических методов, основанных на цифровой обработке экспериментальных данных [4, 11-15]. Так появился упрошенный вариант теневого метода – теневой фоновый метод (ТФМ). Информацию об исследуемом потоке в ТФМ получают из анализа различий между изображениями структурированного фонового экрана в отсутствии возмущений в оптическом канале и при наличии в нем градиентов оптической плотности [11]. В отличие от громоздких теневых приборов с дорогой оптикой и сложной юстировкой для реализации ТФМ необходимы только структурированный фоновый экран и цифровая видеокамера, подключенная к компьютеру с программным обеспечением для обработки экспериментальных изображений. С помощью данного метода можно провести измерения рельефа поверхности, восстановить распределения скорости, температуры и плотности в потоке. Как и другие рефракционные методы ТФМ имеет ограничения, связанные с физическими закономерностями, влияющими на изменение показателя преломления исследуемой среды. Алгоритмы обработки данных в ТФМ идентичны алгоритмам, применяющимся в еще одном усовершенствованном методе, а именно в 12 анемометрии по изображениям частиц (АИЧ). Цифровые технологии и использование свойств лазерного излучения позволили перейти от непосредственного наблюдения за движением трассеров в потоке к этому современному методу измерения распределения локальных скоростей в оптически прозрачных движущихся средах [4, 11, 13]. Как в ЛДА, так и в анемометрии по изображениям частиц необходимо наличие в потоке светорассеивающих частиц. Однако измерения в методе АИЧ осуществляются не в одной точке, а в некоторой исследуемой области течения, освещенной лазерной плоскостью. Поле мгновенного распределения локальных скоростей рассчитывается с помощью найденных смещений частиц на изображениях, выполненных в различные моменты времени. Для определения величин и направлений перемещения частиц к зарегистрированным изображениям применяют статистические методы, основанные на корреляционных алгоритмах обработки данных. Далее будут освещены принципы реализации наиболее близких к теме работы направлений в оптических методах исследования потоков, а также рассмотрены работы по их применению для изучения различных видов гидро- и аэродинамических течений. 1.2 Теневые методы Упоминания о теневых наблюдениях встречаются в XVII веке в работах известного физика Роберта Гука, который впервые объяснил явление рефракции света в среде наличием градиента ее плотности. Позднее Христиан Гюйгенс применял этот метод для поиска свилей в заготовках оптических деталей [16]. Большое значение в развитии теневых исследований имеет метод ножа и щели, предложенный французским ученым Ж.Б. Леоном Фуко в 1858 г. для контроля качества оптических деталей. В отличие от схем Гука и Гюйгенса в нем впервые применяется внешнее устройство отсечки фоновой засветки, – «нож Фуко». В дальнейшем, благодаря немецкому физику Августу Теплеру было открыто очень перспективное направление в применении данного метода для 13 исследования крупномасштабных неоднородностей в потоках, названное шлиренметодом. В конце ХIХ начале XX вв. появилась модификация этого метода, – прямотеневой метод Винсента Дворака, в котором отсутствует внешняя отсечка, а изображение неоднородности представляет собой ее тень на визуализирующем экране. В настоящее время прямотеневой метод и шлирен-метод являются дополняющими друг друга техниками. Общая схема шлирен-метода представлена на рисунке 1. Оптическая система, состоящая из источника И, конденсорного объектива Oк и щели Щ, служит для получения источника света с прямолинейными ограниченными краями. В фокальной плоскости основного объектива О1, формирующего изображение щели, расположена пластинка H с острым прямолинейным краем – «нож Фуко». Фотографический объектив Оф создает на экране Э изображение неоднородности. Принцип метода заключается в следующем. В отсутствие неоднородности на экране Э наблюдается изображение щели Щ, которое при движении ножа Н перпендикулярно оптической оси будет мгновенно и равномерно гаснуть, как только нож закроет это изображение. Если же на пути светового потока расположена неоднородность S, то идущие от нее лучи дают изображение в другом месте. Таким образом, неоднородность S будет казаться освещенной на темном поле (или затемненной на светлом фоне при повороте ножа Н на 180°). Ок – объектив конденсора; Щ – щель, ограничивающая изображение источника света; О1 – основной объектив; S – исследуемая неоднородность; Н – «нож Фуко»; Оф – фотографический объектив; Э – экран Рисунок 1 – Оптическая схема линзового теневого прибора [17] 14 Помимо представленной выше схемы с применением рефрактора, существуют установки на схемах рефлекторного типа, использующих в качестве основного объектива зеркала. Большое разнообразие измерительных систем на основе шлирен-метода связано с тем, что для изучения неоднородностей, отклоняющих световые лучи в различных диапазонах, а также для качественных и количественных исследований требуются различные оптические схемы. Разрешающая способность шлирен-метода зависит от многих факторов. Так высокое качество оптических деталей является необходимым условием для проведения количественных измерений. Минимизировать аберрации в некоторых случаях удается с помощью использования рефлекторных оптических систем, однако при этом установка становится чувствительной к вибрациям и значительно усложняется процесс ее юстировки. Диапазон измерений оптической схемы связан с изменением освещенности изображения и характеристиками приемника, регистрирующего теневую картину. Конкретный круг решаемых задач определяет вид шлирен-системы и требуемое качество ее элементов [17]. Развитие сверхзвуковой реактивной техники подтолкнуло к использованию теневого метода для изучения процессов в газах: качественного и количественного исследования ударных волн [18], обтекания поверхностей [19, 20], процессов в камерах сгорания [21, 22], различных режимов течения в каналах [23, 24]. Так в [21] представлено исследование процесса инжекции топлива в камеру сгорания с применением шлирен-метода. Визуализация газовой струи осуществляется с помощью теневой схемы Z-типа, в которой используются два сферических зеркала. Преимуществом данной схемы является отсутствие такой аберрации, как кома. На рисунке 2 приведена схема экспериментальной установки. Источник света представляет собой систему из ксеноновой лампы (32000 Лм, 1000 Вт), собирающей линзы с фокусным расстоянием 310 мм и щели высотой 3,5 мм и длиной 4,0 мм. 15 Рисунок 2 – Эскиз экспериментальной установки для высокоскоростных теневых исследований газовых струй в смесительной камере [21] С помощью плоского зеркала свет перенаправляется от щели на сферическое зеркало (диаметром 190 мм и фокусным расстоянием 2000 мм), формирующее параллельный световой пучок, на пути которого помещена смесительная камера с прозрачными окнами, содержащая исследуемую область. Вторая пара зеркал фокусирует свет на лезвии ножа, ориентированном горизонтально для наблюдения вертикальных градиентов плотности, интегрированных по длине светового пути. Далее расположены две линзы с фокусными расстояниями 1000 мм и 160 мм. Для регистрации теневых картин применялась высокоскоростная камера Phantom v710, снабженная объективом с фокусным расстоянием 50 мм и диафрагменным числом f/1,4. Скорость съемки составляла 20000 кадров/с при времени экспозиции 50 мкс и разрешении 896×400 пикселей. Данные настройки теневой установки позволили регистрировать газовую струю по всей длине окна прозрачности смесительной камеры с разрешением 0,17 мм на 1 пиксель. Каждая экспериментальная серия включала 200 изображений газовой струи гелия, инжектируемой в невозмущенное воздушное пространство смесительной 16 камеры при различных скоростях струи и различных давлениях в объеме камеры. На рисунке 3 представлены примеры экспериментальных изображений. Рисунок 3 – Шлирен-изображения трех газовых струй при различных скоростях и давлениях в объеме камеры [21] Координаты хвоста гелиевой струи в различные моменты времени, полученные в результате цифровой обработки экспериментальных картин на основе законов градиентной оптики, приведены на рисунке 4. Рисунок 4 – Три зависимости координат хвоста газовой струи от времени для следующих условий эксперимента: начальное давление струи pi = 15 бар, давление в смесительной камере pch = 1 бар, температура гелия равна температуре воздуха в камере Ti = Tch =294 K [21] Так как невозможно абсолютно точно повторить процесс распространения гелиевой струи из-за его турбулентного характера, то рассчитывалось среднее значение положения хвоста струи для 50 одинаковых экспериментов при 17 заданных давлениях и температурах струи и камеры. Результаты данного исследования могут быть полезны при разработке двигателей на различных видах газовых топливных компонентов. Другим примером применения теневой техники в исследовании работы двигателей является использование томографического прямотеневого метода для восстановления трехмерного распределения мгновенного распыления топлива форсункой [22]. Схема экспериментальной установки показана на рисунке 5. Рисунок 5 – Фотография экспериментальной установки для томографического прямо теневого метода со схемой одного из четырех каналов регистрации изображения [22] Устройствами регистрации служат четыре синхронизированные камеры, расположенные под углом 30° относительно друг друга, время между двумя последовательными кадрами составляло 6,3 мкс. Сопло диаметром 0,23 мм, снабженное вентилятором с плоскими лопастями, распыляет воду под давлением 6 бар в виде спрея в форме полого конуса с углом 65°, который находится в области пересечения полей зрения регистрирующих камер. Такое устройство впрыска воды позволяет осуществлять все стадии распыления: тонкую пленку, нити и, наконец, отдельные капли воды со средним диаметром 25 мкм в диапазоне 14÷100 мкм. Источниками света в данной установке являются мощные светодиоды Luminus, SST-90 с длиной волны 530 нм, шириной полосы 35 нм и временем импульса 1 мкс. Свет от источника распространяется через 18 асферическую линзу с фокусным расстоянием f = 30 мм, создающую параллельный пучок лучей. Изображения освещенного таким образом спрея регистрируются камерами с четырех направлений. С помощью специальных насадок для объективов камер все плоскости изображений находятся на одной линии с калибровочной мишенью, расположенной в центре измерительного объема 18×17,25×9 мм3. Среднее увеличение на регистрируемых изображениях размером 1600×1200 пикселей составляло около 60 пикселей/мм. В связи с дифракционными явлениями минимальный диагностируемый диаметр капель составлял 4÷5 пикселей. На рисунке 6 представлены результаты обработки экспериментальных данных. Рисунок 6 – Пара теневых изображений, выполненных одной из четырех камер и восстановленное трехмерное изображение водного спрея для выделенной области: синим и красным цветами обозначены положения спрея через 6,3 мкс [22] Результаты данного исследования могут быть полезны для понимания энергетических процессов в камерах сгорания реактивных двигателей и поиска путей увеличения энергоэффективности в данной отрасли машиностроения. 1.3 Интерферометрия Интерференционный метод исследования течений в аэродинамическом эксперименте разработан в 1891 г. и основан на применении интерферометра 19 Маха-Цендера для определения малых изменений плотности в исследуемом потоке [25]. Схематическое изображение интерферометра представлено на рисунке 7. Основными элементами в нем являются источник излучения, два светоделителя и два зеркала. Первый светоделитель разделяет параллельный пучок на два луча, которые перенаправляются с помощью двух зеркал на второй светоделитель. Линза фокусирует пучки на экране, где наблюдается интерференционная картина в виде параллельных полос. Кювета 2 2 5 3 6 поток Кювета 1 1 4 1, 3 – светоделители; 2, 4 – зеркала; 5 – объектив; 6 – экран Рисунок 7 – Схема интерферометра Маха-Цендера В одном из плеч интерферометра располагают область с исследуемым потоком (кювета 2), в другом плече – компенсирующую кювету 1 с невозмущенным газом. Зеркало 2 и светоделитель 3 ориентируют таким образом, чтобы интерференционная картина стала оптимальной для наблюдения на экране 6 (или любом другом регистрирующем устройстве). Сравнивают интерференционные картины, полученные в отсутствие потока и при его наличии. Смещения интерференционных полос на зарегистрированных изображениях будут пропорциональны флуктуациям плотности в потоке [26]. Помимо интерферометра Маха-Цендера [27, 28] для исследования потоков жидкости и газа применяются и другие схемы, например, Майкельсона [29], Физо [30]. Однако все, основанные на интерферометрах, оптические системы 20 объединены общим принципом работы, – регистрацией и последующей расшифровкой интерференционной картины от объектного (проходящего через исследуемую оптическую неоднородность) и опорного пучков. С помощью интерференционного метода восстанавливают непосредственно градиент показателя преломления и другие связанные с ним величины. Так в работе [28] описано исследование потоков Марангони в тонком слое раствора вода/бутанол при воздействии горизонтального градиента температуры на границе раздела жидкость-пар. Экспериментальная установка основана на двухцветной схеме интерферометра Маха-Цендера (рисунок 8, а). b) a) а) – блок-схема экспериментальной установки на базе двухцветного интерферометра Маха-Цендера; b) – кювета с исследуемой жидкостью Рисунок 8 – Схема эксперимента [28] Источниками излучения служат лазер с длиной волны λred = 633,3 нм и лазер с λblue = 488 нм. Регистрация интерференционных картин осуществляется с помощью ПЗС-камеры, снабженной микрообъективом с фокусным расстоянием 200 мм. В одном из плеч интерферометра установлена кварцевая кювета размером 10×1×39 мм3 с отверстием для заливания жидкости, которое закрыто крышкой во время эксперимента (рисунок 8, b). Кювета поделена на три секции так, что боковые снабжены термоэлементами для создания градиента температуры и 21 термоизоляцией, причем центральная секция не имеет теплоизоляции в области потока жидкости, а ее верхняя часть изолирована полистиролом. Показатель преломления раствора зависит от концентрации его компонентов и их температуры. Получение интерференционных картин на двух длинах волн делает возможным разделение концентрационного и температурного влияния на флуктуации показателя преломления исследуемой жидкости. Примеры обработки экспериментальных картин для раствора вода/бутанол (5 wt%) приведены на рисунке 9. Искривление изотерм, а также линий изоконцентрации к горячей стороне, показывает наличие обратного потока Марангони вдоль границы раздела жидкость-пар. Рисунок 9 – Результаты обработки интерференционных картин для потока раствора вода/бутанол с разностью температур горячего и холодного краев кюветы 10 К: температурное и концентрационное распределение [28]. Результаты данных исследований могут быть полезны при разработке новых потенциальных теплоносителей для современных тепловых устройств, например, тепловых трубок или распределителей тепла для наземного и космического оборудования. Еще один пример исследования массопереноса в жидкости с помощью интерференционного метода представлен в [30], где концентрационная конвекция Марангони, возникающая в жидкости под действием градиента концентрации 22 поверхностно-активного вещества, наблюдалась с помощью оптической системы на базе интерферометра Физо. На рисунке 10 представлена схема экспериментальной установки. Исследуемый слой жидкости 3 помещался между полупрозрачными зеркальными пластинами 1 в рабочем плече интерферометра Физо. Такая конфигурация обеспечивала один опорный пучок и серию объектных, многократно прошедших через слой жидкости пучков. При этом размер кюветы, образованной зеркальными пластинами 1 и секционными пластинами 2 составлял 90×50×(1,2÷2,4) мм3. Кювета могла быть установлена как вертикально (положение I), так и горизонтально (положение II). В экспериментах с горизонтально ориентированной кюветой применялось дополнительное зеркало 5. Видеокамера 10 регистрировала всю интерференционную картину в отраженном свете, а камера 11 – ее центральную часть в проходящем свете, а также изображения взвешенных в жидкости частиц, необходимые для выявления формы потока. Совмещение изображений с двух камер позволило получить более полную информацию об исследуемом процессе. 1 – полупрозрачные зеркальные пластины; 2 - секционные пластины; 3 – слой жидкости; 4 – пузырек газа или нерастворимая капля; 5 – зеркало; 6 – объектив; 7 – полупрозрачное зеркало; 8 – диафрагма; 9 – лазер; 10,11 – камера Рисунок 10 – Схема эксперимента на базе интерферометра Физо [30] 23 С помощью рассмотренной экспериментальной установки было проведено исследование диффузионного и конвективного массопереноса в многокомпонентной смеси жидкостей с поверхностью раздела жидкостьжидкость или жидкость-газ: неподвижный пузырек газа или нерастворимую каплю жидкости, имеющую форму цилиндра со свободной боковой поверхностью, встраивали в тонкий слой жидкости. В случае неравномерного распределения растворенного поверхностно-активного компонента вблизи капли / пузырька наблюдалась конвекция Марангони. На рисунке 11 показаны примеры экспериментальных изображений, капли хлорбензола, помещенной в гетерогенный водный раствор изопропанола в вертикально ориентированной кювете. Рисунок 11 – Интерферограммы поля концентрации внутри и вокруг капли хлорбензола, поглощающей изопропанол из его водного раствора. Разность концентраций изопропанола между полюсами капли ∆C = 8%, начальный диаметр капли d = 6,0 мм; время, прошедшее с начала регистрации: 0 с (a), 3 c (b), 18 c (c) [30] Изопропанол является поверхностно-активным веществом для воды и хлорбензола, хорошо растворяется в обеих жидкостях. В свою очередь хлорбензол практически не растворяется в воде (0,05% при 30°C). В серии интерферограмм зарегистрированы этапы эволюции распределения изопропанола внутри и вокруг капли хлорбензола. Градиент концентрации в стратифицированном растворе изопропанола направлен вверх. Представленные в [30] эксперименты показывают широкие возможности интерферометрии в определении структуры потоков и полей концентрации, а 24 также в визуальном мониторинге их эволюции в условиях массопереноса в системе жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества. 1.4 Лазерная рефрактография Лазерная рефрактография (ЛР) – современная измерительная технология, предназначенная для визуальной и количественной диагностики процессов в объеме и пограничных слоях жидкостей и газов [31, 32]. Структурная схема ЛР представлена на рисунке 12. Метод ЛР основан на зондировании исследуемой среды структурированным лазерным излучением (СЛИ), регистрации прошедшего среду излучения с помощью цифровой видеокамеры и компьютерной обработке рефракционных изображений с целью восстановления свойств среды. 1 – лазер; 2 – оптический блок формирования СЛИ; 3 – СЛИ (лазерная плоскость); 4 – исследуемая оптическая неоднородность; 5 – матовый экран; 6 – цифровая видеокамера; 7 – персональный компьютер Рисунок 12 – Структурная схема лазерной рефрактографической системы [31] Для наблюдения рефрактограммы СЛИ используется отражающий или прозрачный матовый экран, изображения с которого фиксируются цифровой видеокамерой. Различные комбинации СЛИ в пространстве позволяют исследовать неоднородности сложной структуры, при этом протяженность 25 источника излучения обеспечивает возможность диагностики процесса в различных областях. Величина изменения участков СЛИ, прошедших непосредственно через оптическую неоднородность, неискаженным изображением определяется пучка СЛИ. с помощью Визуализация сравнения с неоднородности осуществляется с помощью наблюдаемой на экране 2D-рефрактограммы, которая является 2D-изображением, созданным оптической системой и исследуемой средой. Количественная диагностика выполняется с помощью решения прямой задачи рефракции семейства лучей, образующих СЛИ, и расчета соответствующих рефрактограмм. Экспериментальные картины подвергаются цифровой обработке, минимизирующей дифракционные эффекты, и сравниваются с расчетными рефрактограммами. Это позволяет подобрать закон изменения показателя преломления по критерию совпадения расчетных и экспериментальных данных [31]. ЛР может использоваться для исследования как стационарных, так и быстропротекающих процессов [31, 33], например естественной конвекции в жидкости около нагретых или охлажденных тел, количественной диагностики температурных полей в пограничном слое, процессов перемешивания различных жидкостей [33-40]. В работе [34] представлено экспериментальное исследование теплофизических процессов в жидкости. Лазерная рефрактография применена для визуализации градиентов температуры в тонких пограничных слоях около нагретых или охлажденных тел, помещенных в прозрачную жидкость. Схема установки для восстановления распределения температурного поля в жидкости приведена на рисунке 13. На рисунке 14 представлены результаты экспериментального исследования распределения температуры в пограничном слое около нагретого шара, помещенного в кювету с водой при различных температурах шара. 26 1 – лазер, 2 – оптический блок, 3 – блок сканирования пучка, 4 – исследуемая среда, 5 – диффузный экран, 6 – цифровая фотокамера, 7 – ПК, 8 – график температуры Рисунок 13 – Схема лазерной рефрактографической системы [34] Рисунок 14 – Этапы восстановления градиента температуры в пограничном слое около поверхности шара в воде [34]: а) горячего, б) холодного Экспериментальное исследование внутренних волн в двухслойной жидкости в работе [35] выполнено с помощью экспериментальной установки, в которой СЛИ состоит из двух лазерных плоскостей. Схема установки показана на рисунке 15. 27 1 – лазер (λ = 0,65 мкм); 2, 5 – оптическая система формирования лазерной плоскости; 3, 6 – лазерная плоскость; 4 – лазер (λ = 0,53 мкм); 7 – полупрозрачное зеркало; 8 – ячейка, содержащая двухслойную жидкость; 9 – генератор перемешивания жидкости; 10 – экран; 11 – ПЗС-камера; 12 – персональный компьютер Рисунок 15 – Схема экспериментальной установки (вид сверху) [35] Источниками излучения служат два лазера с мощностью по 15 мВт: полупроводниковый с длиной волны 0,650 мкм и твердотельный с длиной волны 0,532 мкм. Угол между лазерными плоскостями составлял 90°. Рефрактограммы, иллюстрирующие динамику двухслойной жидкости, приведены на рисунке 16. Рисунок 16 – Экспериментальные 2D-рефрактограммы лазерных плоскостей при перемешивании двухслойной жидкости в различные моменты времени: t1<t2<t3 [35] 1.5 Метод анемометрии по изображениям частиц Метод анемометрии по изображениям частиц (АИЧ) или PIV (Particle Image Velocimetry) – современный бесконтактный метод измерения полей скоростей 28 потоков, основанный на цифровых методах обработки изображений [41]. Появление мощных когерентных источников излучения, а также современных устройств регистрации изображений с большой разрешающей способностью и высокой скоростью записи сделало возможным переход от методов качественной визуализации особенностей потока, применяемых исследователями механики жидкости и газа в начале XX века, например экспериментов Людвига Прантдаля в водном туннеле, к существующим сегодня АИЧ-методам с возможностью восстановления количественных характеристик потока в режиме реального времени [41, 42]. Схема экспериментальной установки метода анемометрии по изображениям частиц представлена на рисунке 17. С помощью лазерного источника излучения 1 и оптики 2 создается широкий лазерный пучок малой толщины 3 (или лазерный «нож»), пересекающий область с исследуемым потоком 4. Видеокамера 5 регистрирует изображения засеянных в поток светоотражающих частиц в течение времени наблюдения. При правильном подборе параметров частиц, последние точно повторяют движение жидкости или газа. Возможны следующие варианты регистрации данных: два изображения частиц, полученные от двух последовательных лазерных импульсов, записывают на один кадр, либо на два последовательных кадра. 1 – лазер; 2 – оптика для формирования лазерного ножа; 3 – лазерная плоскость; 4 – исследуемый поток с засеянными частицами; 5 – видеокамера Рисунок 17 – Схема метода анемометрии по изображениям частиц 29 В дальнейшем экспериментальные изображения подвергаются цифровой обработке. Алгоритмы обработки изображений основаны на статистических методах. Если изображения частиц от двух последовательных лазерных импульсов записаны на одном кадре, то применяют автокорреляционную функцию; если же регистрация осуществляется на двух последовательных кадрах – кросскорреляционную. На рисунке 18 приведена схема, поясняющая кросскорреляционный алгоритм обработки экспериментальных данных. Изображение с распределением интенсивности I1(x, y), выполненное в момент времени t, и изображение с распределением интенсивности I2(x, y), выполненное в момент времени t+∆t, разбивают на расчетные области размером dx×dy, которые называют окнами опроса. Для каждой пары таких областей из двух кадров вычисляют корреляционную функцию ϕI1,I2(m, n). Далее с помощью координат максимума корреляционной функции рассчитывают наиболее вероятное смещение D частиц в заданной области. В результате получают векторное поле мгновенного распределения скоростей в сечении исследуемого потока, усредненное по времени между последовательными изображениями частиц и по выбранному для расчета окну опроса. В настоящее время существует большое количество компьютерных программ, в которых реализованы алгоритмы цифровой обработки АИЧизображений с возможностью подбора таких параметров, как размеры, форма и процент перекрытия окон опроса, адаптивные методы подбора расчетных областей, различные методы для повышения точности поиска максимума корреляционной функции, а также методы фильтрации и пакетная обработка изображений [43-45]. Эти программы позволяют обрабатывать экспериментальные данные за относительно небольшой временной интервал и получать информацию об исследуемом потоке в некоторой протяженной области пространства и времени. 30 Рисунок 18 – Кросскорреляционный алгоритм вычисления вектора скорости по изображениям частиц в потоке Использование компьютерных технологий и современных алгоритмов обработки изображений позволяют также получать векторные поля скоростей в объеме потока. При этом два и более устройства регистрации выполняют запись двухмерных АИЧ-изображений в нескольких ракурсах, по которым с помощью специальных алгоритмов возможно восстановить три компоненты вектора скорости частицы в потоке. Погрешность АИЧ-метода определяется характеристиками измерительной системы и особенностями исследуемого процесса [41]. Основной вклад в погрешность вносят факторы, определяющие точность измерения смещения визуализирующих частиц. В частности, размер частиц на изображении, зависящий как от параметров самих частиц, так и от параметров оптической системы, в том числе, от дифракции и различных аберраций, а также плотность засева частиц в поток должны обеспечивать, с одной стороны, достаточное разрешение, с другой – возможность цифровой обработки изображений с минимальной погрешностью. Глубина подсвечиваемой области потока влияет на ошибку определения вектора скорости частицы. Что касается особенностей самого потока, то желательно, чтобы градиент скорости и абсолютная величина 31 смещения частицы внутри элементарной области не были слишком большими, так как это может привести к значительной погрешности, обусловленной особенностями алгоритмов обработки изображений. Таким образом, минимизация погрешности рассматриваемого метода в значительной степени зависит от подбора оптимальных параметров визуализирующих частиц, выбора толщины и расположения лазерного ножа в сечении потока, а также от выбора алгоритмов обработки экспериментальных изображений. Существуют различные методы оценки погрешности АИЧ-измерений, среди которых проведение экспериментов с реальными физическими объектами, обладающими известным распределением скоростей; проведение виртуальных экспериментов с искусственными изображениями, сгенерированными по заданным параметрам, вклад которых в погрешность метода необходимо оценить. На сегодняшний день существует множество работ, посвященных применению АИЧ-метода для изучения турбулентных течений [46-48], течений в микроканалах [49-51], сложных вихревых структур в камерах сгорания топлива [52, 53]. АИЧ-измерения применяют не только для расчета кинематических характеристик исследуемого течения, но и для нахождения зависящих от этих величин параметров, таких как флуктуации давления в турбулентном пограничном слое [47]. В качестве исследуемого объекта использовалась металлическая пластина с закругленными краями и специальными структурными компонентами для формирования заданных условий (рисунок 19). Пластина обдувалась в открытой аэродинамической трубе диаметром 0,6 м и скоростью потока 10 м/с. 32 Рисунок 19 – Схема исследуемого объекта для измерения флуктуаций давления в турбулентном пограничном слое [47] Исследуемая область находилась на расстоянии 1,5 м от переднего края объекта, где пограничный слой полностью сформировывался. Для верификации результатов измерений использовались микрофоны. Схема экспериментальной установки для измерения флуктуаций давления в турбулентном пограничном слое с применением томо-АИЧ представлена на рисунке 20. Рисунок 20 – Схема экспериментальной установки для измерения флуктуаций давления в турбулентном пограничном слое [47] Установка состоит из объекта исследований, скоростных камер Photron Fast CAM SA1 с разрешением 1024×1024 пикселей и глубиной цвета 12 бит, лазером Litron LDY303HE Nd:YLF с мощностью в импульсе 22,5 мДж, частотой 33 повторения 1 кГц, системой регистрации и синхронизации. Обработка проводилась в программном обеспечении DaVis 8.0. Общий исследуемый объем 32,8×49,2×3,5 мм3 составил с разрешением 18,3 вокселя/мм. Результаты обработки представлены на рисунке 21. a – поле давления вблизи отрицательного пика колебаний; b –вблизи положительного пика колебаний Рисунок 21 –Флуктуации давления в турбулентном пограничном слое [47] АИЧ-метод также применяется для визуализации процессов, наблюдающихся при распространении потоков. В работе [49] представлено исследование соединения капель жидкости в микроканале. Исследование таких процессов актуально для химической промышленности, нанотехнологий, медицины и других прикладных задач. Применение АИЧ в сочетании с другими оптическими методами показано в работе [54]. Здесь метод АИЧ используется для восстановления поля скоростей внутри плёнок жидкости с толщинами от 1 мм и выше. В тоже время для изучения волновых характеристик ривулетного течения пленки по вертикальной пластине, применялся метод LIF (Laser Induced Fluorescence). 1.6Теневой фоновый метод Активное развитие теневых методов привело к появлению множества модификаций оптических установок для исследований в различных областях 34 науки и техники. Теневой фоновый метод (ТФМ) (в англоязычной литературе Background Oriented Shlieren (BOS)) представляет собой одно из современных направлений в оптических методах исследования потоков. Предложенный в 1999 г. Ж. Мейером, он сочетает в себе дальнейшее упрощение оптической теневой системы и переход к использованию компьютерной обработки изображений. В данном методе для получения информации о потоке используется искаженное изображение структурированных фоновых экранов, которое вызвано малыми градиентами показателя преломления потока [55-58]. Схема экспериментальной установки на базе ТФМ представлена на рисунке 22. Цифровая видеокамера 2 регистрирует изображение фонового экрана 5 через оптическую неоднородность 3. Для освещения фонового экрана применяется некогерентный источник 4. Экспериментальные изображения сохраняются и обрабатываются с помощью специального программного обеспечения на компьютере 1. 1 – персональный компьютер; 2 – цифровая видеокамера; 3 – оптический канал с исследуемой неоднородностью; 4 – некогерентный источник света; 5 – фоновый экран Рисунок 22 – Общая схема установки ТФМ В качестве фонового экрана используется экран с нанесенным на него рисунком. Рисунок в зависимости от характеристик исследуемых потоков может состоять из точек, линий или других объектов, которые могут быть нанесены как 35 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 36 между фоновым экраном и устройством регистрации изображения может быть описан как отклонение световых лучей от прямолинейного распространения. Наиболее общим способом представления изображения I(x,y) является свертка между функцией фонового экрана B(x',y') и функцией пропускания исследуемой среды T(η,ξ), т.е.: I ( x, y ) = B( x′, y ′) ∗ T (η, ξ) (1) Для получения характеристик среды, через которую распространяется свет, нужно использовать операцию, обратную свертке, результат которой позволяет описать оптические свойства среды, если известны функции фонового экрана и его изображения. В результате этой обработки получается двумерная картина градиента показателя преломления среды [58]. В ТФМ используют те же алгоритмы и программы обработки, что и в АИЧ-методе. Основным направлением применения ТФМ является исследование крупномасштабных потоков [61-63]. Также данный метод широко используется для качественной визуализации и проведения количественных изменений различных аэро- и гидродинамических потоков, процессов тепло-массообмена и конвекции [64-68]. Рассмотрим несколько применений ТФМ-метода. В работе [64] представлена визуализация распределения плотности газа в эксперименте с микровзрывами. Определение характеристик газовых потоков в случае полномасштабных взрывов сильно затруднено. Это связано с высокой скоростью процессов и их сложной химико-физической природой. Однако последние исследования показывают, что микровзрывы, упрощая исследования, могут служить хорошей моделью, так как возможно обобщение полученных результатов для крупномасштабных случаев. Схема экспериментальной установки по визуализации распределения плотности при микровзрывах представлена на рисунке 24. Схема состоит из фонового экрана, подсвечиваемого сзади с помощью Nd:YAG лазера с 37 длительностью импульса 10 нс; камеры, для получения изображений фонового экрана; системы создания микровзрывов (труба NONEL с электрической детонацией взрывчатого вещества) и системы синхронизации подсветки, захвата изображения и детонатора. Рисунок 24 – Схема экспериментальной установки по визуализации распределения плотности при микровзрывах [64] Результаты обработки экспериментальных изображений представлены на рисунке 25. Для получения векторного поля смещений использовались стандартные алгоритмы кросскорреляционной обработки. Для получения информации о поле плотности газа использовалась более сложная обработка. Интегральное значение поля плотности по линии прямой видимости рассчитывалось с помощью решения уравнения Пуассона. После этого применялся принцип оптической томографии для получения распределения плотности в расчетной плоскости. Расчет трехмерного распределения плотности производился с помощью обратной томографии. Однако результаты расчета не являются размерными величинами, а лишь показывают превышение исходного давления для ударной волны. 38 Рисунок 25 – Векторное поле, соответствующее градиенту поля плотности при t = 24 мкс [64] Результаты томографического восстановления распределения плотности представлены на рисунке 26. Полученные результаты показали хорошее совпадение с результатами прямотеневого исследования и с результатами, полученными в более ранних работах. Таким образом, показана возможность использования ТФМ как для визуализации, так и для получения количественных данных сложных распределений плотности газа. а)t = 24 мкс; b) t = 53 мкс; Рисунок 26 – Восстановленные распределения плотности газа в различные моменты времени [64] 39 ТФМ также применяется для количественного исследования кинематических характеристик вихревых структур, например, сжимаемых вихревых колец в работе [65]. Для изучения ударных волн применяется огромное количество методов, как оптических, так и основанных на других физических принципах. Однако для многих из них существует ряд проблем, преодоление которых требует сложных технических решений и применения дорогостоящего оборудования. ТФМ не требует сложных оптических схем, а обработка картин метода основана на стандартных алгоритмах АИЧ-метода. Таким образом, ТФМ обладает преимуществами перед другими методами и его можно успешно применять для исследования ударных волн. Схема экспериментальной установки для визуализации вихревых колец представлена на рисунке 27. Для генерации вихревых колец использовалась бездиафрагменная ударная труба с повторяемостью 0,3% Маха. Скорость ударной волны составляла около 1,2 Маха, а число Рейнольдса примерно 105. Для получения изображений использовалась высокоскоростная камера Phantom V7.1 (800×600 пикселей со скоростью 4800 кадров в секунду). a b a) – измерения ТФМ; b) – прямая визуализация Рисунок 27 – Схема экспериментальной установки для визуализации вихревых колец [65] В эксперименте размер кадра составлял 512×384 пикселя при скорости съемки 10000 кадров в секунду, экспозиция составляла 2 мкс. Фокусное расстояние объектива – 70 мм, а итоговое пространственное разрешение получаемых изображений составило 323 мкм на пиксель. Для подсветки фонового 40 экрана использовалась фотовспышка с ведущим числом 60 для чувствительности ISO100, длительностью светового импульса 2 мс. Результаты обработки экспериментальных исследований приведены на рисунке 28. Для обработки использовался стандартный кросскорреляционный алгоритм с размером окна опроса 8×8 пикселей. Рисунок 28 – Визуализация вихревых колец ударной волны [65] По данным обработки экспериментальных изображений были рассчитаны скорость распространения ударной волны, диаметр вихревого кольца и диаметр вихревого ядра, изменяющиеся во времени. Полученные результаты хорошо совпали с результатами исследований с применением АИЧ-метода, а погрешности измерений этими двумя методами оказалась на одном уровне. В следующей работе ТФМ применяется для определения формы поверхности жидкости [66]. Измерения деформации поверхности жидкости носят фундаментальный характер и исследуются во множестве работ, начиная с малых масштабов (лакокрасочные покрытия), заканчивая значительными (волны, вызываемые ветром или проходом корабля). Ранее измерения основывались на рефракции лазерного луча или отражении зондирующего излучения [67] и являлись точечными. Для получения информации обо всей поверхности 41 применялись сканирующие устройства, цветовое кодирование и сложные оптические схемы. Модифицированные схемы ТФМ позволяют получить информацию непосредственно о форме поверхности жидкости на большой площади с применением специальной цифровой обработки. Схема экспериментальной установки для определения формы поверхности жидкости представлена на рисунке 29. Рисунок 29 – Схема экспериментальной установки для определения формы поверхности жидкости [66] Установка состоит из кюветы с жидкостью, фонового экрана, размещенного под кюветой; камеры, с помощью которой получают изображения фонового экрана через кювету; устройства подсветки фонового экрана и акустического устройства генерации волн. Размеры кюветы составили 60×40 см, разрешение камеры 2048×2048 пикселей со скоростью съемки 8 кадров в секунду, и 1280×1280 пикселей со скоростью 100 кадров в секунду для съемки взаимодействия поверхности с каплей воды. Фоновый экран состоял из случайно расположенных точек размером 0,4 мм. Печать экрана проводилась с помощью стандартного принтера с разрешением 1200 точек на дюйм. Результаты восстановления формы поверхности жидкости квазиплоской волны представлены на рисунке 30. при распространении 42 Рисунок 30 – Восстановленная форма поверхности жидкости при распространении квазиплоской волны [66] Обработка изображений проводилась в два этапа: измерение градиента поверхности с применением векторного поля смещений преломленного жидкостью изображения фонового экрана с помощью алгоритма DIC и восстановление формы поверхности с помощью алгоритма наименьших квадратов. Кросскорреляционная обработка осуществлялась в программном обеспечении DaVis. Размер окна опроса был выбран 16×16 пикселей с перекрытием 8 пикселей. Результаты восстановления формы поверхности жидкости при распространении сферической волны (при падении капли на поверхность) представлены на рисунке 31. Рисунок 31 – Восстановленная форма поверхности жидкости при распространении сферических волн в разные моменты времени [66] 43 Использование случайного фонового экрана и итерационных алгоритмов кросскорреляционной обработки с наименьшим размером окна опроса 16×16 пикселей позволяет достичь разрешения 0,1 пиксель (7 мкм) при среднем смещении в 5 пикселей. Общая относительная погрешность измерений составила не более 1,5%. 1.7 Выводы по главе Проведен обзор основных направлений в оптических методах исследования потоков. Кратко рассмотрены методы, позволяющие визуализировать с пространственным и временным разрешением характерные для гидро- и аэродинамических течений процессы: классические интерферометрия, лазерная рефрактография, теневой теневые фоновый методы, метод, анемометрия по изображениям частиц. Также был проведен обзор работ по практическому применению перечисленных 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 (методы основаны на одних и тех же алгоритмах цифровой обработки информации), а также широкие возможности для визуализации и получения количественных характеристик исследуемого объекта. 44 2. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДИАГНОСТИКИ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ ЖИДКОСТИ 2.1 Структурная схема комплекса Метод анемометрии по изображениям частиц и теневой фоновый метод, применяемые для исследования процесса испарения жидкости в оптикоэлектронном комплексе, реализованы с помощью общих структурных единиц: приемной системы и блока обработки экспериментальных данных. Экспериментальные данные в ТФМ и в методе АИЧ получают с помощью различных средств. Картины ТФМ представляют собой снимки расположенного за исследуемой неоднородностью фонового экрана. Обычно такой экран содержит рисунок из повторяющихся элементов (точки, линии) или текстуру. Изображения АИЧ получают путем регистрации излучения, рассеянного частицами в сечении исследуемого потока лазерной плоскостью. Для реализации метода необходимы визуализирующие частицы и плоский лазерный пучок. Схема, поясняющая принцип совместного использования метода анемометрии по изображениям частиц и теневого фонового метода в оптикоэлектронном комплексе, представлена на рисунке 32. Средства ТФМ (фоновый экран) Средства АИЧ (лазерная плоскость, визуализирующие частицы) Объект исследования (испаряющаяся жидкость) Приемная система (цифровая камера, объектив) Блок обработки экспериментальных данных (предварительная фильтрация, кросскорреляционный анализ) Рисунок 32 – Структурная схема оптико-электронного комплекса диагностики процесса испарения жидкости 45 Экспериментальная установка комплекса включает четыре структурные единицы: средства ТФМ, средства метода АИЧ, приемную систему и блок обработки экспериментальных данных. Приемная система комплекса служит для регистрации и хранения изображений ТФМ и АИЧ. Она состоит из цифровой камеры, снабженной объективом. Требования к приемной системе, выполнение которых позволяет получать экспериментальные данные, пригодные для дальнейшей обработки, могут быть сформулированы следующим образом: • получение контрастного изображения с низким уровнем шума, влияние которого на результаты обработки экспериментальных данных можно снизить с помощью методов предварительной фильтрации (пространственных методов улучшения изображений) [69] и постфильтрации результатов в программе обработки изображений; • характерная структура рисунка на картинах ТФМ, как и частицы на изображениях АИЧ должны быть четкими, и занимать около 2 пикселей на матрице цифровой камеры [70, 71]; • поле зрения приемной системы в диапазоне, достаточном для регистрации характерных масштабов в исследуемых процессах испарения жидкости (диагональ поля зрения от 5 мм до 10 мм); • интервал скоростей регистрации от 1 кадра/с до 700 кадров/с, позволяющий исследовать медленно меняющиеся (испарение воды при комнатной температуре) и быстро протекающие процессы (испарение летучих жидкостей); • объем памяти видеокамеры или компьютера, с помощью которого возможна непрерывная регистрация в течение всего эксперимента. Первые три пункта определяются характеристиками цифровой камеры (физический размер матрицы, размер пикселя, глубина цвета, разрешение) и объектива (дистанция фокусировки, увеличение, поле зрения, разрешающая способность). Требования, предъявляемые к скорости съемки и возможности сохранять данные в непрерывном режиме, относятся непосредственно к цифровой 46 камере и зависят от технологии изготовления светочувствительной матрицы (ПЗС или КМОП), а также от особенностей реализации электронного оборудования для считывания и хранения изображений в памяти камеры или компьютера. Применение общей системы регистрации данных в комплексе обусловлено тем, что одновременная регистрация картин метода анемометрии по изображениям частиц и теневого фонового метода затруднительна: частицы, засеянные в поток, препятствуют получению качественных снимков фонового экрана. В блоке обработки экспериментальных данных осуществляется предварительная фильтрация изображений, и вычисление смещений элементов изображения ТФМ или перемещений частиц на картинах метода АИЧ с применением кросскорреляционных алгоритмов. Предварительная фильтрация позволяет с помощью пространственных методов улучшения изображений уменьшить случайные шумы, нормализовать яркость, повысить контраст и резкость экспериментальных картин. Главная задача фильтрации – снизить отрицательное воздействие дефектов в изображениях на результаты их последующей обработки. Построение поля распределения мгновенных скоростей в потоке, а также визуализация оптической неоднородности выполняются в программе для обработки PIV-изображений. Программное обеспечение должно содержать набор функций, необходимых для анализа экспериментальных данных, а именно: • разбиение пары изображений на расчетные области (окна опроса), размер которых можно изменять; • возможность задавать положение расчетных областей относительно друг друга (перекрытие); • нахождение наиболее вероятного смещения элементов изображений для соответствующих пар расчетных областей кросскорреляционным методом; • представление величин рассчитанных смещений в численном или в графическом виде; 47 • возможность нормировки результатов расчета. 2.2 Экспериментальная установка для реализации метода анемометрии по изображениям частиц Особенность метода АИЧ заключается в наличии специального освещения исследуемой области структурированным лазерным излучением – лазерной плоскостью (лазерный «нож»). Такой пучок получают с помощью цилиндрической линзы, фокусирующей излучение только в одной плоскости. В общем случае количество элементов в оптической системе зависит от характеристик источника излучения и обусловлено необходимостью получить лазерную плоскость энергетическим с профилем большой и малой плотностью толщиной мощности, в однородным исследуемой области. Присутствие дополнительных оптических элементов также может быть связано с общим расположением измерительной системы и геометрией исследуемого потока. Например, невозможность поместить лазер на одной оптической оси с исследуемым потоком требует использования дополнительной оптики. Важным элементом для формирования лазерной плоскости является источник излучения. В данной экспериментальной установке применяется импульсный твердотельный лазер. Такие лазеры широко используются для реализации АИЧ-метода, так как они сочетают в себе следующие качества: - работа в импульсном режиме с перестроением частоты повторения импульсов в заданном диапазоне позволяет адаптировать установку АИЧ-метода к исследованию потоков с различными скоростями; - стабильность энергетических характеристик при работе на различных частотах дает возможность получить качественное освещение измерительного объема для значительного диапазона скоростных режимов в потоке; - энергия импульса более 400 мкДж обеспечивает достаточную плотность мощности структурированного лазерного пучка в области измерений. Для реализации экспериментальной установки в качестве возможных вариантов источников излучения рассматривались: импульсный твердотельный 48 Nd:YLF лазер, модель DTL-419QT и твердотельный Nd:YAG лазер с двойным импульсом, модель Litron Nano L 135-15. Сравнительные характеристики данных источников приведены в таблице 1. Таблица 1 – Сравнительные характеристики моделей лазерных источников для АИЧ-измерений Модель лазера Характеристика DTL-419QT Litron Nano L 135-15 1053 1064 527 532 Профиль пучка TEM00 TEM00 Диаметр пучка, мм 2±0,6 5,0 0,7±0,4 3,0 Длина волны, нм Расходимость (полный угол по уровню 1/e2), мрад. Поляризация Длительность импульса, нс Максимальная энергия импульса, мДж Частота следования импульсов, Гц Синхронизация горизонтальная горизонтальная 7±3 4,0 0,200 135 (0,01÷30)·103 0÷15, через 10 мкс + + Габариты, мм 311×122×90 580×208×93 Тип охлаждения воздушное водяное Генерация лазерного излучения в устройствах осуществляется в ИК диапазоне, а выходное излучение в видимом диапазоне на длине волны зеленого света формируется нелинейным кристаллом, что характерно для всех Nd лазеров. Этот параметр может повлиять на выбор типа матрицы приемного элемента, обеспечивающего максимальную спектральную чувствительность на заданной длине волны. 49 Профили пучков рассматриваемых лазеров соответствуют гауссову распределению (мода TEM00), при котором возможно получение лазерной плоскости с достаточно однородным распределением плотности мощности. Диаметр пучка лазерного излучения модели Litron Nano L 135-15 почти в два раза больше диаметра пучка модели DTL-419QT, расходимость пучка для Litron Nano L 135-15 значительно больше того же параметра для DTL-419QT. Данное обстоятельство говорит о том, что при прочих равных условиях (для одной и той же оптической системы формирования плоского пучка), с помощью лазера DTL419QT возможно получение более качественной лазерной плоскости с небольшими толщиной и расходимостью, мало изменяющимися в измерительной области. Безусловно, модель Litron Nano L 135-15 значительно превосходит конкурирующую модель по мощности импульса лазерного излучения. Однако малая частота следования импульсов даже с учетом возможности регистрации пары изображений за 10 мкс не позволяет успешно применять этот мощный лазер для регистрации быстропротекающих процессов испарения жидкости. Габариты рассматриваемых моделей также различаются. Лазер DTL-419QT является более компактным и может быть установлен на оптическом столе вместе с другими элементами комплекса. Малые габариты достигаются путем применения воздушного охлаждения, что отрицательно сказывается на стабильности выходных характеристик лазерного излучения. Более стабильными характеристиками обладает излучение модели Litron Nano L 135-15, снабженной эффективным водяным охлаждением, которое расположено в отдельном блоке, но она занимает значительно больше рабочего пространства. Модель Litron Nano L 135-15 рассчитана на изучение крупномасштабных процессов, в то время как для исследования испарения из малого объема жидкости требуется источник излучения с меньшим диаметром пучка, меньшей расходимостью и значительно большей скоростью следования импульсов. Несмотря на такие преимущества, как высокая мощность и стабильность лазерного излучения, Litron Nano L 135-15 не позволяет получать достаточно 50 тонкую лазерную плоскость на всей измерительной области и не обеспечивает достаточную для регистрации быстропротекающих процессов частоту следования импульсов. В связи с этими обстоятельствами в экспериментальной установке комплекса применялся лазер модели DTL-419QT. Как отмечалось ранее, плоский лазерный пучок формируется с помощью оптической системы, содержащей цилиндрическую линзу. Существуют различные варианты создания лазерной плоскости, обеспечивающие стабильность ее пространственных и энергетических характеристик в измерительной области. При этом построение оптической системы основано на одном принципе, – чем выше качество лазерного излучения, т.е. малая расходимость и малый диаметр пучка по сравнению с характерными размерами исследуемых с помощью АИЧ процессов, тем меньше элементов необходимо для создания плоского лазерного пучка (иногда достаточно одной линзы). Однако возникают задачи, в которых требуется возможность регулировать ширину и толщину лазерной плоскости. На рисунке 33 представлены различные варианты оптических систем. Главный вид Л1 Л2 Л3 Главный вид Л1 Вид сверху а Л2 Л3 Вид сверху б а – три цилиндрические линзы Л1 (рассеивающая), Л2 и Л3; б – две сферические (Л1, Л3) и одна цилиндрическая (Л2) линзы Рисунок 33 – Оптические системы для формирования лазерной плоскости Применение трех цилиндрических линз (рисунок 33, а) позволяет получить тонкий плоский пучок с высокой плотностью мощности. Первая цилиндрическая 51 линза Л1 с отрицательным фокусным расстоянием создает расходящийся плоский пучок. Вторая линза Л2 ограничивает пучок по ширине. Линза Л3 добавлена в систему для того, чтобы получить постоянную по высоте лазерную плоскость. Использование для формирования плоского пучка линзы с отрицательным фокусным расстоянием особенно актуально при работе с лазерными импульсами высоких энергий, так как помогает избежать образования точек фокусировки излучения, что может создать дополнительную опасность при работе с установкой. В сочетании с одной цилиндрической могут применяться и сферические линзы, как показано на рисунке 33,б. Угол раскрытия лазерной плоскости в данном случае регулируется изменением расстояния между линзами на оптической оси. Толщина плоского пучка определяется в основном фокусным расстоянием цилиндрической линзы, но ее можно скорректировать при смещении сферических линз относительно друг друга. Эту оптическую систему также можно применять для излучения с высокой энергией, так как образующаяся в ней фокусная линия достаточно широкая. При построении оптической системы важно помнить, что у оптических элементов без просветляющего покрытия коэффициент отражения на каждой из границ примерно равен 4% [72]. Для мощных источников излучения отраженная компонента может обладать достаточной энергией и повредить оборудование, расположенное вблизи отражающих поверхностей. Необходимо правильно ориентировать линзы при юстировке, чтобы избежать фокусирования отраженного излучения. Выбор оптических элементов для формирования лазерной плоскости в экспериментальной установке оптико-электронного комплекса определялся, исходя из следующих критериев: • получение достаточной интенсивности рассеянного частицами излучения для регистрации картин метода АИЧ; • обеспечение стабильной толщины лазерной плоскости в пределах измерительной обрасти; 52 • максимальная толщина плоского пучка не должна превышать характерного размера исследуемого процесса, составляющего около 1 мм. Рассмотрим подробнее приведенные выше соображения. Во-первых, интенсивность рассеянного визуализирующими частицами излучения зависит как от индикатрисы рассеяния самих частиц, так и от энергетических характеристик плоского лазерного пучка. Очевидно, что для одних и тех же частиц энергия рассеянного излучения тем выше, чем больше интенсивность лазерной плоскости. Следовательно, количество преломляющих поверхностей в оптической системе с определенным источником излучения должно быть минимальным, чтобы снизить потери на отраженных компонентах излучения. Во-вторых, геометрические параметры исследуемых процессов испарения жидкости таковы, что измерительная область имеет линейные размеры порядка нескольких сантиметров. В этом случае не требуется контроль толщины лазерной плоскости на большом расстоянии, необходимый для изучения крупномасштабных неоднородностей. Однако значение этой величины должно быть меньше высоты исследуемой капли. Следовательно, одной цилиндрической линзы в системе достаточно. Наконец, соблюдение требования по ограничению максимальной толщины плоского пучка могут быть выполнены при подборе оптических элементов с определенными значениями фокусных расстояний. Оптическая система, удовлетворяющая перечисленным условиям, включает одну сферическую линзу с фокусным расстоянием 1000 мм для оптимизации толщины лазерной плоскости и одну цилиндрическую линзу с фокусным расстоянием 200 мм для создания плоского широкого пучка (рисунок 34). Рассчитанные зависимости горизонтальной и вертикальной ширины лазерного пучка для экспериментальной установки АИЧ представлены на рисунке 35. 53 Главный вид Л1 Л2 Вид сверху Л1 – сферическая линза; Л2 – цилиндрическая линза Рисунок 34 – Оптическая система экспериментальной установки АИЧ Излучение от лазера направлялось в оптическую систему с помощью плоского зеркала, которое применялось для варьирования положения лазерной плоскости по горизонтали (параллельно поверхности оптического стола) и для более компактного размещения оборудования комплекса. Высота лазерной плоскости над оптическим столом регулировалась с помощью штативов, в которых были закреплены линзы. Изменение положения плоского лазерного пучка было необходимо при юстировке оптической системы в экспериментах с течением жидкости по наклонной пластине с различными значениями угла наклона. Рисунок 35 – Графики зависимости горизонтальной и вертикальной ширины лазерного пучка для экспериментальной установки АИЧ 54 В зависимости от ориентации лазерной плоскости АИЧ позволяет исследовать различные сечения потока. На рисунке 36 представлены схемы расположения измерительной области в исследуемом объеме жидкости. Расположение цифровой камеры в обоих случаях соответствует регистрации рассеяния на визуализирующих частицах под прямым углом. К ОС Л ОС Л а К б а) – измерительное сечение параллельно основанию капли; б) – измерительное сечение проходит через диаметр перпендикулярно основанию капли Рисунок 36 – Ориентация лазерной плоскости в исследованиях методом АИЧ Экспериментальные изображения метода АИЧ записываются с помощью приемной системы, которая также применяется для регистрации картин второго метода, реализованного в комплексе, – теневого фонового метода. В отличие от анемометрии по изображениям частиц, дающей мгновенное распределение скоростей в потоке, этот метод позволяет визуализировать оптическую неоднородность в потоке, которая при определенных условиях будет пропорциональна толщине пленочного течения жидкости. 55 2.3 Экспериментальная установка для реализации теневого фонового метода Теневой фоновый метод (ТФМ или BOS) не требует сложного оптического оборудования и может быть реализован при наличии всего двух элементов в экспериментальной установке: регистрирующего устройства и фонового экрана. В качестве устройства регистрации обычно используют цифровую видеокамеру. Экспериментальные изображения метода представляют собой фотографии фонового экрана, расположенного за исследуемой неоднородностью. Причем первый снимок необходимо сделать без неоднородности, сфокусировав камеру непосредственно на экран. Фоновый экран должен соответствовать определенным требованиям, для того чтобы при дальнейшей цифровой обработке экспериментальных изображений получить качественные данные с максимальным количеством полезной информации и низким уровнем шума. В первую очередь изображение фонового экрана должно быть резким и контрастным. При наличии неоднородности между камерой и фоном детали на регистрируемом изображении могут стать расфокусированными. Если нормировочное изображение без неоднородности было размытым, то в ее присутствии текстура фона может стать полностью неразличимой, что приведет к потере информации о смещениях элементов фонового изображения. Размер характерных частей рисунка на экране должен быть оптимизирован для величины смешений, наблюдаемых в исследуемой неоднородности. Так крупная текстура экрана, состоящая, например, из значительно удаленных друг от друга черных точек на белом фоне, при регистрации мелкомасштабных смещений может значительно снизить информативность экспериментальных данных. Структура фонового экрана не должна обладать периодичностью, так как при смещении на величину, равную периоду рисунка, может быть полностью потеряна информация о величине и направлении смещении. Для устранения такого эффекта применяются квазипериодические экраны. Примеры фоновых экранов, которые могут применяться в экспериментах, представлены на рисунке 37. 56 a б в г а), б) – синтетические изображения; в) – бумага плотностью 80 г/м2; г) – пластмассовый диск с шероховатой поверхностью Рисунок 37 – Изображения фоновых экранов Существуют также особые условия, связанные с количеством пикселей, которое занимает каждый элемент изображения фона. С одной стороны, размер деталей на изображении должен быть достаточно малым для уменьшения погрешности определения смещений с помощью цифровой обработки. С другой – слишком мелкие элементы при обработке могут привести к возникновению периодической структуры на гистограмме распределения рассчитанных смещений (так называемый эффект «peak locking»). Этот нежелательный эффект наблюдается также и при обработке экспериментальных картин метода анемометрии по изображениям частиц, он связан с особенностями реализации корреляционных алгоритмов для поиска смещений элементов на цифровых изображениях. Выбор фонового экрана для решения определенной экспериментальной задачи должен осуществляться индивидуально, с учетом рассмотренных замечаний. Фоном может служить не только синтезированное изображение, но и снимки естественных объектов, например, материалов с шероховатой поверхностью. Расположение фонового экрана относительно цифровой камеры также оказывает влияние на результат эксперимента. Глубина резкости изображаемого 57 пространства должна быть максимальной на всех картинах ТФМ, что не всегда возможно осуществить на практике. Схемы размещения экрана в экспериментальной установке теневого фонового метода, реализованной в оптико-электронном комплексе, представлены на рисунке 38. Цифровая камера в обоих случаях расположена под углом 90 градусов к фоновому экрану. При исследовании профиля толщины жидкости фоновый экран находится за прозрачной подложкой (рисунок 38, а). В эксперименте по визуализации паров летучих жидкостей фон расположен перпендикулярно подложке, на которой находится испаряющаяся жидкость(рисунок 38, б). Съемка в скоростном режиме (от 200 кадров в секунду) приводит к значительному ограничению времени экспозиции. При этом возникает необходимость в дополнительном освещении фонового экрана. В теневом фоновом методе применяются некогерентные источники света. Для использования в экспериментальной установке рассматривались несколько вариантов освещения: люминесцентная лампа мощностью 13 Вт и светодиодная лампа мощностью 10 Вт. Ф К К Ф а б а) – исследование толщины испаряющейся капли; б) – визуализация паров жидкости Рисунок 38 – Расположение фонового экрана в экспериментальной установке ТФМ 58 С люминесцентной лампой был реализован способ съемки фонового экрана в отраженном свете. Лампа устанавливается под углом около 30 градусов к экрану. Съемка в отраженном свете позволяет использовать непрозрачные экраны, однако может давать блики, что создает трудности при юстировке системы. Данная лампа создает достаточную освещенность, при которой можно работать с малыми значениями диафрагменного числа объектива и получать удовлетворительную глубину резкости изображений. Однако частота мерцания такой лампы составляет 50 Гц, что заметно на снимках в скоростном режиме и ухудшает качество обработки экспериментальных данных. Со светодиодной лампой был реализован способ съемки как в отраженном, так и в проходящем свете. Последний способ интересен тем, что минимизирует возможность образования бликов на рабочих поверхностях. Однако высокого качества обработки экспериментальных данных достичь не удается: освещенности, создаваемой светодиодным источником, не достаточно, и изображения регистрируются с малым отношением сигнал/шум, что приводит к наличию перемещающихся по изображениям светлых и темных полос. Однако высокая стабильность освещения, получаемая с помощью этого фонаря, позволяет проводить регистрацию изображений в скоростном режиме. Таким образом, светодиодные источники освещения являются предпочтительными для использования в качестве подсветки в теневом фоновом методе. Выбрав источник достаточной мощности, можно получить качественные экспериментальные изображения даже при высокоскоростной съемке. 2.4 Приемная система Система регистрации включает в себя цифровую видеокамеру и объектив. Рассмотрим основные параметры видеокамеры, влияющие на качество получаемых изображений. o Размер пикселя определяет светочувствительность приемного элемента, – матрицы в цифровой камере. С увеличением физического размера пикселя возрастает и светочувствительность, что позволяет получать более 59 качественные изображения с достаточной глубиной резкости при одних и тех же условия освещения. o Глубина цвета характеризует способность видеокамеры отображать градацию яркости на изображении. Чем больше глубина цвета, тем больше информации содержит изображение. o Разрешение определяет способность видеокамеры передавать мелкие детали на изображении. o Физический размер матрицы определяет светочувствительность и отношение сигнал/шум. o Диагональ матрицы характеризует угол обзора видеокамеры. o Тип матрицы определяется технологией ее изготовления. Широко распространены матрицы ПЗС (прибор с зарядовой связью) и КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). С помощью КМОПматрицы можно выполнять высокоскоростную съемку, но при этом данный тип матрицы характеризуется пониженным отношением сигнал/шум по сравнению с ПЗС-матрицей. o Тип затвора влияет на качество регистрируемого изображения. Так электронный затвор системы «rolling shutter» (или построчный перенос) может вызвать наличие артефактов на изображении, связанных с принципом работы этого затвора: построчный перенос данных с пикселей матрицы происходит одновременно с регистрацией изображения неопрошенными пикселями. Другой тип электронного затвора «global shutter» (или покадровый перенос) позволяет избежать этого нежелательного эффекта. Еще один важный параметр цифровой видеокамеры – это частота кадров или скорость съемки. Для регистрации высокоскоростных процессов необходима возможность получать четкие изображения без треков, возникающих при движении объектов в кадре во время экспонирования. Обычно увеличение скорости съемки сопровождается уменьшением количества рабочих пикселей на матрице видеокамеры, что приводит к ограничению изображаемого пространства. Таким образом, при подборе устройства регистрации необходимо обратить 60 внимание на разрешение цифровой камеры при различных скоростных режимах съемки. Для применения в экспериментальной установке оптико-электронного комплекса были рассмотрены несколько моделей цифровых видеокамер. Основные характеристики цифровой камеры PixeLink PL-B621 MF (рисунок 39) приведены в таблице 2. Данная камера использовалась в составе микроскопа, с помощью которого предполагалось исследовать процесс испарения жидкости из капли объемом от 1 мкл. Квадратная форма пикселя со стороной 5,2 мкм является удобной при нормировке экспериментальных изображений, полученных камерой PixeLink. Рисунок 39 – Внешний вид камеры PixeLink [73] Таблица 2 – Спецификация видеокамеры PixeLink PL-B621 MF [73] Диагональ матрицы Тип сенсора Технология сенсора Размер сенсора Разрешение горизонтальное/вертикальное Размер пикселя горизонтальный/вертикальный Глубина цвета Частота кадров Экспозиция Тип затвора Отношение сигнал/шум (dB) Программное обеспечение Синхронизация Интерфейс подключения Рабочая температура Крепление объектива Вес 1/2'' CMOS Aptina MT9M001 6,65 мм × 5,32мм 1280 пикселей × 1024 пикселей 5,2 мкм × 5,2 мкм 8/10 бит 30 кадров/с при 1280×1024, 109 кадров/с при 640×480 от 0,1мс до 1,2 с Rolling shutter >60 + + FireWire/IEEE-1394 0 - 50°C C-Mount 204 г 61 Глубина цвета 10 бит обеспечивает качественную передачу градаций яркости. Максимальная скорость съемки составляет 109 кадров/с, несмотря на то, что приемная матрица видеокамеры изготовлена по технологии КМОП. Электронный затвор выполнен по технологии построчного считывания, которая может привести к появлению артефактов на экспериментальных картинах. При исследовании медленно испаряющихся жидкостей, например, воды, скоростных режимов и соответствующих им разрешений изображения PixeLink PL-B621 MF достаточно как для наблюдения полного испарения капли, так и для визуализации разрыва пленки на ее поверхности, возникающего при некоторых режимах испарения. Однако для изучения поведения капель и пленок летучих жидкостей, таких как этанол или ацетон, и пленочного течения по нагреваемой подложке минимальная скорость регистрации изображений должна составлять около от 200 кадров/с до 700 кадров/с, что невозможно в случае использования данной цифровой камеры. Другая модель, которая рассматривалась для применения в системе регистрации, – видеокамера piA2400-17gm (рисунок 40). Характеристики камеры представлены в таблице 3. Рисунок 40 – Внешний вид камеры piA2400-17gm [74] С помощью этой модели цифровой камеры можно получить изображение с разрешением более 2000 пикселей, как по вертикали, так и в горизонтальном направлении. Такое высокое разрешение может быть необходимо для визуализации сечения капли малого объема методом АИЧ. Значение глубины цвета 12 бит достаточно высокое, но небольшой размер пикселя (квадрат со стороной 3,45 мкм) приводит к наличию значительного 62 уровня шумов на регистрируемых изображениях, что отрицательно сказывается на качестве цифровой обработки картин метода АИЧ и ТФМ. Скорость съемки, равная 17 кадров/с, достаточна лишь для исследования капель медленно испаряющихся жидкостей, но непригодна для визуализации течений и испарения летучих веществ. Таблица 3 – Спецификация видеокамеры piA2400-17gm [74] Разрешение горизонтальное/вертикальное 2456 пикселей × 2058 пикселей Технология сенсора Progressive Scan CCD Диагональ матрицы 2/3'' Тип сенсора CCD Размер сенсора 8,47 мм × 7,10 мм Размер пикселя 3,45 мкм × 3,45 мкм горизонтальный/вертикальный Тип затвора Global shutter Частота кадров 17 кадров/с Монохромная/цветная Монохромная Интерфейс подключения Gigabit Ethernet Формат видеовывода Mono 8, Mono 16, Mono 12 Packed, YUV 4:2:2 Packed, YUV 4:2:2 (YUYV) Packed Глубина цвета 12 бит Синхронизация Внешний триггер, с помощью программного обеспечения Контроль экспозиции programmable via the camera API Размер корпуса (Д x Ш x В) в мм 86,7 × 44 × 29 Температура корпуса 0 °C - 50 °C Крепление объектива C-mount Требования к питанию 12-24 VDC Энергопотребление 5,9 Вт Вес 220 г 63 Третий вариант экспериментальной регистрирующего установке устройства для использования в комплекса – оптико-электронного высокоскоростная цифровая видеокамера Hispec1 (рисунок 41). Рисунок 41 – Внешний вид видеокамеры Hispec1 Основные характеристики камеры Hispec1 отображены в таблице 4. Приемная матрица видеокамеры изготовлена по технологии КМОП с размером пикселя 14 мкм, при котором обеспечивается высокая светочувствительность. В скоростном режиме при 506 кадров/с разрешение получаемых с помощь камеры изображений будет максимально возможным для данной модели, равным 1280 пикселей × 1024 пикселей. Таким образом, данная камера оптимально подходит для регистрации быстро протекающих процессов. Шумы на изображении, зарегистрированном камерой Hispec1 с КМОП-матрицей ниже, чем на изображении, полученном камерой модели piA2400-17gm с ПЗС-матрицей, что можно наблюдать на сравнительных снимках (рисунок 42). Повышенный уровень шума на изображении рисунка 42,б может быть обусловлен меньшим размером пикселя, равным 3,45 мкм в матрице камеры piA2400-17gm, в то время как пиксель в матрице Hispec1 занимает 14 мкм. В результате проведенного сравнения характеристик моделей цифровых камер, доступных для применения в комплексе, было установлено, что оптимальным вариантом является высокоскоростная видеокамера Hispec1. 64 Таблица 4 – Спецификация видеокамеры Hispec1 [75] Вид матрицы КМОП Диагональ матрицы 22,9 мм Разрешение 1280пикселей × 1024 пикселей Размер пикселя 14 мкм × 14 мкм Глубина цвета 10 бит Светочувствительность 3,200 ISO Диапазон чувствительности 400 – 900 нм Скорость съемки До 506 кадров в секунду при полном разрешении, до 112 183 кадров в секунду при пониженном разрешении Память 2 Гб Время съемки 3,2 секунды при полном разрешении Тип затвора Global shutter Выдержка от 2 мкс до 1 с Крепление объектива C-Mount Интерфейс подключения 1000/100 Ethernet interface Размеры камеры 63×63×65 мм Вес камеры 0,28 кг Условия эксплуатации +5° до +35°C Источник питания 10 – 30 В, DC внешний источник питания Потребляемая мощность 7,5 Вт Наравне с видеокамерой большое значение в получении качественных экспериментальных изображений имеет объектив приемной системы. Выбор объектива осуществляется на основе подбора значений таких характеристик, как рабочее расстояние, увеличение, поле зрения, разрешение, глубина резкости. Необходимо также учитывать совместимость камеры и объектива, так как различия в значениях их рабочих отрезков могут негативно повлиять на характеристики всей приемной системы – уменьшить угла обзора и снизить освещенность на изображении. 65 б а а) – камера Hispec1; б) – камера piA2400-17gm Рисунок 42 – Экспериментальные изображение метода АИЧ для стеклянных сфер диаметром 5,4 мкм в воде. Исследования по поиску оптимальной модели объектива регистрирующей системы комплекса были проведены для двух объективов: микроскопа фирмы «Альтами», модель СМ1065 и объектива, представляющего собой сборку из оптических деталей фирмы «NAVITAR». Внешний вид микроскопа СМ1065 представлен на рисунке 43. Технические характеристики микроскопа приведены в таблице 5. Оптическая система микроскопа основана на схеме Грену, при которой достигается большая глубина резкости изображаемого пространства за счет применения двух независимых оптических каналов, расположенных под некоторым углом друг к другу. Однако в такой конструкции невозможно устранить кривизну поля изображения. Комплект подсветки позволяет выполнять съемку и в проходящем, и в отраженном свете. Так для работы с непрозрачным фоновым экраном в экспериментах по теневому фоновому методу применялся внешний кольцевой волоконный осветитель ОВ-БО0600 с галогеновой лампой 150 Вт (рисунок 44) и встроенный боковой осветитель на светодиодах общей мощностью 3 Вт, что обеспечивало достаточную яркость регистрируемых изображений. 66 Рисунок 43 – Микроскоп «Альтами» СМ1065 с цифровой видеокамерой PixeLink PL-B621 MF, подключенной к персональному компьютеру Таблица 5 – Спецификация микроскопа Альтами СМ1065 [76] Объективы (рабочее расстояние) Без объектива (118 мм) 0,37X*(275 мм) 0,5X*(200 мм) 0,7X*(145 мм) 1,5X*(50 мм) 2,0X*(35 мм) Габариты Увеличение Видимое поле, мм 10-65 23-3,5 3,7-24,1 62,2-9,6 5-32,5 46-7 7-46 32,9-5 15-98 15,3-2,3 20-130 11,5-1,8 154 (Д) × 182 (Ш) × 230 (В) мм Рисунок 44 – Внешний кольцевого волоконного осветителя ОВ-БО0600 Однако особенности конструкции осветительных приборов не позволили получить равномерное освещение исследуемой области, что отрицательно повлияло на результат обработки экспериментальных данных. получаемых с помощью микроскопа изображений показан на рисунке 45. Пример 67 Изображения светодиодов боковой подсветки и колец волоконного осветителя хорошо видны на экспериментальных картинах (рисунок 45,а). При обработке информация о смещениях деталей изображения фонового экрана в области отраженных изображений источников освещения сильно искажается (рисунок 45,б). В исследованиях процессов испарения также применяются наклонные поверхности, расположенные под различными углами. При этом предпочтительно ориентировать оптическую ось системы регистрации перпендикулярно рабочей поверхности с жидкостью. В конструкции микроскопа эта возможность не предусмотрена, а его вес и габариты делают затруднительной фиксацию в необходимом положении. Возможность регистрации изображения с помощью цифровой камеры PixeLink PL-B621 MF, поставляемой с микроскопом, также ограничена по диапазону скоростых режимов съемки от 30 до 109 кадров/с. а б а) – изображение ТФМ; б) – результаты обработки изображений фона и кадра, зарегистрированного через 4,4 c после начала перемешивания Рисунок 45 – Перемешивание жидкостей на полированном стекле Использование высокоскоростной видеокамеры Hispec1 с объективом микроскопа не позволяет получить качественные экспериментальные изображения: рабочий отрезок микроскопа меньше рабочего отрезка камеры. Это 68 приводит к значительному снижению освещенности изображений и ограничению поля зрения. Приемная система комплекса должна обеспечивать скорость съемки до 700 кадров/с, что возможно при использовании высокоскоростной видеокамеры Hispec1. Требуемое увеличение, при котором изображения элемента фонового экрана в теневом фоновом методе и визуализирующей частицы в методе анемометрии по изображениям частиц будут занимать около 2 пикселей на матрице видеокамеры, может быть получено не только с объективом микроскопа, но и с помощью сборного объектива NAVITAR. Его внешний вид представлен на рисунке 46. Рисунок 46 – Сборный объектив NAVITAR Объектив содержит множество элементов, комбинации которых позволяют получать значения поля зрения, увеличения и глубины резкости в широком диапазоне. В таблице 6 представлены возможные комбинации и соответствующие им характеристики сборного объектива. Выбранный для комплекса объектив состоит из трех элементов: соединительного кольца для фиксации на камере, адаптера рабочего отрезка, трансфокатора «Zoom 6000» с возможностью масштабирования изображения 6,5:1 и кратностью увеличения от 0,7х до 4,5х. Значения основных характеристик для данной сборки приведены в таблице 7. Оптимальный размер пикселя, при котором изображение минимально разрешаемого оптической системой объекта займет два пикселя на матрице 69 видеокамеры, для данного увеличения и разрешающей способности может быть найден по формуле (1) [77]: l пикс = 1 (d − β ) , 2 (2) где lпикс. – размер пикселя; d – размер объекта; β – увеличение системы. На рисунке 47 представлена кривая соответствия полезного увеличения системы размеру исследуемого объекта для камеры Hispec1 и объектива NAVITAR. Адаптер Основной объектив Насадка Длина объектива, см Минимальное поле зрение, мм2 Минимальный коэффициент увеличения Максимальное поле зрение, мм2 Максимальный коэффициент увеличения Таблица 6 – Характеристики сборного объектива нет 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus 6.5х zoom with fine focus нет 11,0 4,0х3,0 1,63 - - нет нет 1x adapter 1x adapter 1x adapter 2x adapter 2x adapter 2x adapter 2х adapter + 1x adapter 2х adapter + 1x adapter 2х adapter + 1x adapter 0.5x attachment 12,0 9,0х7,0 0,72 - - 1.5x attachment 12,5 2,2х1,9 2,95 - - нет 24,0 1,5х1,0 4,33 10х8 0,65 0.5x attachment 25,0 3,0х2,5 2,17 23х18 0,28 1.5x attachment 25,5 1,0х0,8 6,50 6,2х4,9 1,05 нет 26,5 0,8х0,5 8,13 5,0х4,0 1,30 0.5x attachment 27,5 1,5х1,2 4,33 10,5х8,0 0,62 1.5x attachment 28,0 0,38х0,33 17,11 3,0х2,5 2,17 нет 39,0 2,0х1,3 3,25 0,27х0,22 24,07 0.5x attachment 40,0 3,0х2,0 2,17 0,49х0,43 13,27 1.5x attachment 40,5 1,2х0,9 5,42 0,21х0,14 30,95 70 4,5 0,7 Рисунок 47 – Полезное увеличение оптической системы с цифровой камерой Hispec1 для различных диаметров визуализирующих частиц Таблица 7 – Спецификация сборного объектива NAVITAR [77] Наименование деталей объектива Рабочее расстояние Увеличение Соединитель C-Mount; адаптер 1,0х; трансфокатор «Zoom 6000», насадка 0,5х 92 мм от 0,7 до 4,5 Предельная разрешающая способность системы от 7,25 мкм до 2,35 мкм Размер пикселя, при котором изображение минимально разрешаемого объекта занимает два пикселя от 5,08 мкм до 10,55 мкм Глубина резкости Поле зрения Габариты от 0,10 мм до 0,95 мм 21×25 мм2 Длина 240 мм, диаметр 41 мм Согласно приведенной зависимости увеличение сборного объектива от 0,7 до 4,5 не приводит к ограничению разрешающей способности при использовании с данной видеокамерой, если минимальный диаметр частиц составляет более 6 мкм. В оптической системе трансфокатора минимизированы хроматическая аберрация и дисторсия. Величины дисторсии, рассчитанные для некоторых значений увеличения системы NAVITAR «Zoom 6000» приведены на рисунке 48 [77]. Каждая точка на графике характеризует отклонение линейного увеличения системы по краю поля зрения от увеличения идеальной оптической системы. 71 Дисторсия вносит вклад в погрешность определения смещений как в теневом фоновом методе, так и при определении мгновенных скоростей в сечении потока методом анемометрии по изображениям частиц. Объектив NAVITAR «Zoom 6000» обладает низким значением дисторсии, не превышающим 0,12 %. Рисунок 48 – Скорректированные значения дисторсии для различных увеличений трансфокатора NAVITAR «Zoom 6000» [77] Приемная система, состоящая из высокоскоростной видеокамеры Hispec1 и сборного объектива NAVITAR, успешно применялась для регистрации экспериментальных данных в оптико-электронном комплексе диагностики процесса испарения жидкости. С ее помощью были визуализированы как быстро протекающие процессы со скоростями регистрации изображений от 30 кадров/с до 400 кадров/с (испарение капли летучих жидкостей; перемешивание жидкостей с различной скоростью испарения; пленочное течение жидкости по наклонной подложке с подогревом), так и процессы, в которых скорость регистрации экспериментальных картин не превышала 1 кадра/с (испарение капли воды с гладкой горизонтальной подложки при комнатной температуре). 2.5 Блок обработки экспериментальных изображений Информацию об исследуемом объекте в ТФМ и в методе АИЧ получают из анализа смещений элементов изображения на двух снимках, выполненных в различные моменты времени. 72 В ТФМ первый снимок является опорным и представляет собой изображение фонового экрана в отсутствие неоднородности. В методе АИЧ обрабатываемые изображения выбирают через определенные интервалы времени, величина которых зависит от условий эксперимента. Сегодня существует множество компьютерных программ, предназначенных для анализа экспериментальных данных метода анемометрии по изображениям частиц (PIVview, ActualFlow, DaVis и др.). Некоторые из них находятся в открытом доступе (демоверсия). Обычно такие программы имеют ограниченные функциональные возможности. Например, в демоверсии часто отсутствует пакетная обработка изображений, что значительно затрудняет ее применение при работе с большим объемом данных, характерным для эксперимента по методу АИЧ. Коммерческое программное обеспечение с полным набором функций рассчитано на использование с научным оборудованием АИЧ-комплексов, применяемых для исследования потоков. Однако оно может быть адаптировано для обработки картин теневого фонового метода, в котором также необходимо рассчитывать кросскорреляционную функцию пары изображений. Процесс обработки изображений состоит из двух этапов. o Определение значений параметров кросскорреляционного анализа с помощью пары изображений из экспериментальной серии. o Обработка пакета экспериментальных изображений с заданными параметрами. На первом этапе в программу обработки загружается пара изображений и подбираются значения параметров для расчета смещений: - размер окна опроса и перекрытие, определяющие масштаб пространственного усреднения, с которым будут рассчитаны векторы смешений элементов в паре изображений; - алгоритм расчета кросскорреляционной функции; - метод интерполяции значений кросскорреляционной функции, - методы постфильтрации результатов расчета. 73 Особенность применения статистических методов обработки данных заключается в том, что результаты расчета усреднены по выбранной области опроса (окну) и по времени регистрации пары изображений, для которых рассчитывается смещение. Размера окна опроса подбирается таким, чтобы с одной стороны максимальное количество частиц первого изображения оставалось в пределах этого окна на втором изображении, выполненном позже по времени, а с другой – окно можно было считать достаточно малым по сравнению с изображением исследуемой области. Такой подход позволяет снизить влияние эффекта потери пары. Возможность «отслеживать» движение частиц определяется также и шагом (или перекрытием), с которым окно опроса перемещается по изображению. В программном обеспечении также есть возможность выбора алгоритма расчета кросскорреляционной функции: прямой расчет или расчет с помощью преобразования Фурье. Первый вариант дает результат с меньшей погрешностью, но скорость обработки при этом достаточно невелика. Он используется в основном для небольшого объема экспериментальных данных. Алгоритм, основанный на преобразовании Фурье, позволяет значительно повысить скорость обработки, при этом возможно увеличение погрешности результатов. Уменьшение влияния нежелательных эффектов, возникающих при обработке изображений, можно получить с помощью выбора метода интерполяции кросскорреляционной функции. Часто для получения качественных результатов обработки необходимо применять методы постфильтрации уже рассчитанных векторных полей. Среди них: медианная фильтрация, ограничение по величине и направлению векторов в заданной области, замена ошибочного вектора с помощью повторного расчета пика кросскорреляционной функции или усредненным значением соседних векторов в некоторой области. Проведем сравнение результатов обработки нескольких тестовых изображений для двух распространенных программ DaVis и PivView. Для тестов используем сгенерированные в среде Matlab картины с вертикальным и 74 горизонтальным смещением на 4,35 пикселей и стандартное тестовое изображение вихревой структуры. В таблице 8 приведены сравнительные характеристики результатов обработки тестовых изображений для рассматриваемых программ. Обработка проводилась со следующими параметрами: окно опроса 32×32 пикселя, перекрытие 50%, аппроксимация корреляционной функции производилась с помощью трехточечной гауссовой интерполяции, без предварительной обработки изображений и без постфильтрации векторных полей. Таблица 8 – Сравнение обработки тестовых изображений для PivView и DaVis Вид смещения Теоретическое PivView DaVis 0 4,35 – 0,006 ± 0,449 4,292 ± 0,594 1,3 0,017 ± 0,499 4,238 ± 0,536 2,6 4,35 0 – 4,310 ± 0,570 0,001 ± 0,600 0,9 4,272 ± 0,631 0,019 ± 0,400 1,8 – – 0,095 ± 0,910 0,270 ± 1,190 0,077 ± 0,852 0,226 ± 1,129 Вертикальное смещение Xср, пикслей Yср, пикслей δY = (Yср теор - Yср)/ Yср теор, % Горизонтальное смещение Xср, пикслей Yср, пикслей δX = (Xср теор - Xср)/ Xср теор, % Вихревое течение Xср, пикслей Yср, пикслей Из приведенных в таблице 8 значений видно, что для обеих программ погрешность обработки составляет менее 3%. Несмотря на то что для программ PivView и DaVis результаты расчета погрешности различаются, выраженные в пикселях значения точности для PivView и для DaVis составляют порядка 0,1 пикселя, что является типичным результатом корреляционной обработки с субпиксельной интерполяцией. Для качественного анализа работы программ PivView и DaVis результаты обработки тестовых картин приведены на рисунке 49. При обработке тестовых изображений применялся наиболее простой алгоритм расчета. В то же время для реальных изображений этого не достаточно, так как велико влияние шумов на результат. 75 а б в г д д а – вертикальное смещение PivView; б – вертикальное смещение DaVis; в – горизонтальное смещение PivView; г – горизонтальное смещение DaVis; д – вихревая структура PivView; е – вихревая структура DaVis Рисунок 49 – Результаты обработки изображений с помощью программ PivView и DaVis Программа DaVis содержит более широкий спектр возможностей адаптации кросскорреляционного алгоритма и доступ к пакетной обработке данных, что необходимо для решаемых в оптико-электронном комплексе задач. В связи с 76 перечисленными обстоятельствами для работы в комплексе была выбрана программа DaVis (рисунок 50). Рисунок 50 – Внешний вид окна программы DaVis 8.1.1 PIV Программа состоит из трех модулей: захвата изображений с видеокамер (одна или две видеокамеры), импорта изображений из внешних источников, обработки импортированных изображений. Модуль захвата изображений с видеокамер содержит возможности управления скоростью съемки, величиной выдержки и т.д. Он предназначен в первую очередь для работы с промышленными PIV-системами, такими как FlowMaster. Модуль импорта DaVis позволяет работать также с любыми экспериментальными изображениями, загружаемыми из внешних источников. Таким образом модуль обработки изображений может работать как с данными промышленных PIV-систем, так и других источников. Внешний вид окна модуля обработки представлен на рисунке 51. В верхней части окна расположены элементы управления обработкой. Слева выбирается диапазон для обработки из серии загруженных изображений и интервал между обрабатываемыми кадрами. 77 В центре находится список операций, который будет последовательно применен к исходным изображениям. Имеется возможность произвольного выбора готовых операций над изображениями: пространственная и частотная фильтрация изображений, кросскорелляционная обработка, постфильтрация векторного поля и др. Также можно написать собственные операции с помощью макросов на встроенном языке. В правой верхней части окна находится панель параметров текущей операции. Рисунок 51 – Внешний вид модуля обработки программы DaVis 8.1.1 PIV В нижней части окна модуля обработки находится две панели: панель отображения текущего исходного изображения из серии обрабатываемых и панель для вывода результатов обработки. Панель вывода имеет большое количество настроек визуализации результатов: величина и цвет стрелок векторного поля, отображение различных полей, рассчитываемых при обработке (поля скорости, смещений, дивергенции и ротора для турбулентных процессов). Рассмотрим обработку пары 78 экспериментальных картин АИЧ на примере двух изображений тонкой пленки воды, стекающей по наклонной нагреваемой пластине (рисунок 52). Рисунок 52 – Пара изображений АИЧ Первый шаг заключается в выборе операции. Для данной пары изображений – кросскорреляция пары изображений («PIV time series»). В данном случае предварительная фильтрация не применяется. Второй шаг – подбор основных параметров операции, т.е. кросскорреляционной обработки. Выбираем размер окна опроса и шаг перекрытия так, чтобы построенное векторное поле характеризовало наилучшим образом движение частиц в исследуемой области. На рисунке 53 представлены результаты обработки исходных изображений с различной величиной окна опроса: 8×8 пикселей, 16×16 пикселей, 32×32 пикселя и 64×64 пикселя. Перекрытие при этом составило 50%. Результаты обработки с малыми размерами окон опроса (8×8 и 16×16 пикселей) содержат большое количество информации, в котором присутствует большое количество ошибочных векторов. В то же время увеличение окна опроса (32×32 и 64×64 пикселя) позволило получить представление об области распространения жидкости на пластине и характере ее движения. Однако при большом окне опроса 64×64 пикселя есть опасность потери данных о движении 79 воды вдоль краев потока, так как количество рассчитанных векторов значительно уменьшается. Оптимальное окно опроса для пары выбранных изображений – 32×32 пикселя. а б в г а) – 8×8 пикселей; б) – 16×16 пикселей; в) – 32×32 пикселя; г) – 64×64 пикселя Рисунок 53 – Результаты обработки пары изображений без фильтрации После локализации исследуемого процесса можно уменьшить объем обрабатываемой информации на изображениях путем нанесения геометрической маски. При этом неинформативные области не будут участвовать в обработке. 80 Важную роль в обработке экспериментальных изображений играет процесс минимизации ошибочных векторов, которые присутствуют в результатах при любом выбранном окне опроса. Одним из простейших видов борьбы с ошибочными векторами является постфильтрация, которая заключается в обработке полученного векторного поля различными способами. Медианная фильтрация – эффективное средство для устранения векторов, которые значительно отличаются от соседних в заданной области, как по направлению, так и по модулю. На рисунке 54 представлены результаты обработки исходных изображений с применением медианной постфильтрацией для различных величин окна опроса: 8×8 пикселей, 16×16 пикселей, 32×32 пикселя и 64×64 пикселя. Перекрытие при этом составило 50%. На результаты обработки с малыми размерами окон опроса (8×8 и 16×16 пикселей) медианная постфильтрация практически не повлияла. Это объясняется тем, что размер окна опроса не позволяет получить реальное смещение частиц, изза малой их концентрации. Обработка с окнами опроса 32×32 и 64×64 пикселя с применением медианного фильтра позволила получить удовлетворительный результат. При сравнении картин, обработанных без фильтра, количество ошибочных векторов заметно уменьшилось. Однако при окне опроса 64×64 пикселя становиться неразличимы движения жидкости на краях изучаемого потока. Это объясняется эффектом усреднения данных на большом окне опроса. Небольшие смещения частиц на крае потока подавляются большими смещениями в его центральной части. Для окна опроса 32×32 пикселя результаты с применением медианного фильтра значительно улучшились. 81 а б в г а – 8×8 пикселей; б – 16×16 пикселей; в – 32×32 пикселя; г – 64×64 пикселя Рисунок 54 – Результаты обработки пары изображений с медианной постфильтрацией Однако постфильтрация может негативно сказаться на результатах обработки вследствие замены большого количества правильно определенных векторов в мелко структурированных потоках. Поэтому наилучшим средством определения целесообразности применения того или иного фильтра является прежде всего визуальный контроль результатов. После определения оптимальных параметров обработки программа запускается на пакетную обработку всей серии изображений. Полученные 82 результаты могут быть выведены в виде файлов с изображениями, видео или файлов с численными данными для дальнейшего анализа. 2.6 Выводы по главе Разработанный оптико-электронный комплекс диагностики процессов испарения жидкости включает четыре структурные единицы: средства ТФМ, средства метода АИЧ, приемную систему и блок обработки экспериментальных данных. В ходе теоретических и экспериментальных исследований по реализации методов АИЧ и ТФМ для комплекса были выбрано следующее оборудование: • твердотельный импульсный лазер DTL-419QT; • двухлинзовая система формирования лазерной плоскости (сферическая линза с фокусным расстоянием 1,0 м и цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 0,2 мм); • высокоскоростная цифровая видеокамера Hispec1; • сборный объектив NAVITAR (Соединитель C-Mount; адаптер 1,0х; трансфокатор «Zoom 6000», насадка 0,5х); • программное обеспечение изображений DaVis. кросскорреляционной обработки 83 3. ТЕСТИРОВАНИЕ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ КОМПЛЕКСА 3.1 Параметры исследуемых процессов и границы применимости комплекса Разработанный комплекс предназначен для анализа процессов течения и испарения оптически прозрачных жидкостей. В ходе тестирования комплекса поверхностями обтекания служили плоская гладкая подложка и шероховатая плоская поверхность (рисунок 55). Материал гладкой подложки представляет собой стекло толщиной 2 мм, применяющееся для изготовления фотопластин. В качестве шероховатой поверхности применялся пластмассовый диск толщиной 4 мм. а) – стекло фотопластины; б) –пластмассовый диск с шероховатой поверхностью Рисунок 55 – Внешний вид рабочих поверхностей Комплекс позволяет исследовать испарение жидкости из капли, объем которой может изменяться в пределах от 1 мкл до 550 мкл (дистиллированная вода на плоской стеклянной подложке). Для конкретной жидкости и материала подложки пределы исследуемых с помощью комплекса объемов изменяются. Это обусловлено требованиями, предъявляемыми к качеству теневых картин (см. главу 2). На рисунке 56 представлены экспериментальные изображения фонового экрана (белая бумага плотностью 80 г/м2) и картины ТФМ для капли дистиллированной воды объемом 6 мкл при использовании подложек различной толщины (2 – 4 мм). 84 а б в г д е Изображение фонового экрана через стеклянную подложку толщиной: а – 2 мм; в – 3 мм; д – 4 мм. Картины ТФМ капли дистиллированной воды объемом 6 мкл на стеклянной подложке толщиной: б – 2 мм; г – 3 мм; е – 4 мм. Рисунок 56 – Картины ТФМ для капли дистиллированной воды объемом 6 мкл при использовании подложек различной толщины 85 При использовании подложки толщиной 2 мм (рисунок 56, б) в области расположения капли изображение структуры фонового экрана сохраняется. В тоже время при использовании подложек большей толщины (рисунок 56, г и 56, е) в рассмотренной области структура фонового экрана сильно искажена. Это делает невозможным успешную кросскорреляционную обработку. Таким образом, на подложки накладывается ограничения: изображение фона, формируемое подложкой и исследуемой каплей, должно оставаться в пределах глубины резкости изображаемого пространства оптической системы комплекса. Форма капли зависит как от свойств и объема жидкости, так и от свойств поверхности, на которую она наносится. Угол смачивания θ может принимать значения больше 90° в начале испарения жидкости, когда капля имеет близкую к сферической форму, и уменьшаться со временем до 0°, что соответствует тонкой пленке жидкости на подложке (рисунок 57). Форма капли изменяется в процессе испарения и может отличаться от сферической. θ1 < 90°; θ2 = 90°; θ3 > 90° Рисунок 57 – Схематическое изображение капли жидкости на твердой поверхности при различных значениях угла смачивания θ Капля воды объемом около 5 мкл при температуре 21°С на гладкой стеклянной подложке имеет высоту h = 0,8 мм; диаметр D = 2,2 мм. На рисунке 58 приведено экспериментальное изображение капли и схема оценки ее размеров. Размеры капли глицерина того же объема составляют h = 0,8 мм и D = 1,8 мм. Проведенный для разработанного комплекса анализ показывает, что диапазон объемов капель дистиллированной воды на стеклянной подложке (оптическое стекло из набора 5ФП для монохроматора УМ-2) составляет от 1 мкл до 550 мкл. Смачиваемость подложки ограничивает объемы исследуемых 86 жидкостей. Обязательным является требование, чтобы капля (поток в поперечном размере) не выходила за пределы поля зрения оптической системы 21×25 мм, а также высота капли не вносила существенной расфокусировки в изображение фонового экрана. а б а) по методу АИЧ; б) по методу ТФМ Рисунок 58 – Экспериментальное изображение капли жидкости на твердой поверхности с нанесенными размерами Лабораторное моделирование процессов перемешивания жидкостей, визуализируемых с помощью оптико-электронного комплекса, выполнялось для капли жидкости объемом 70 мкл, в центральную часть которой добавлялась при помощи шприца капля другой жидкости объемом 10 мкл. 87 На рисунке 59 представлен результат кросскорреляционной обработки изображений перемешивающихся капель с указанием схемы оценки области H L H L Рисунок 59 – Результат кросскорреляционной обработки изображений перемешивающихся капель жидкостей на твердой поверхности с нанесенными размерами растекания жидкости по подложке. Для каждой из исследуемых жидкостей одного и того же объема область растекания может быть различной, в предложенной схеме она характеризуется продольным H и поперечным L размерами. В данном случае для оценки не применяется экспериментальное изображение капель, так как по нему затруднительно определить контактное пятно жидкости на подложке. 88 Так 70 мкл воды при температуре 18°С занимают на горизонтальной стеклянной подложке область, ограниченную линейными размерами H = 3 см, L = 2 см. Исследования микропотоков для тестирования комплекса моделировались с помощью потока воды с объемным расходом 2 мл/с, стекавшего по стеклянной подложке, расположенной под углом 7° к горизонтальной плоскости. Ширина потока в исследуемой области составляла 3 мм. Схема измерения ширины потока приведена на рисунке 60. В течение эксперимента поток может сужаться в связи с интенсивным испарением жидкости. Определить ширину течения в различные моменты времени позволяют скопления частиц, образующиеся на границе раздела жидкость – твердое тело–газ. Рисунок 60 –Схема измерения ширины потока, где L0 – ширина течения в момент времени t0, L1 – в момент времени t1 Границы применимости оптико-электронного комплекса при исследованиях как по методу АИЧ, так и по методу ТФМ определяются полем зрения оптической системы комплекса (таблица 7, глава 2). 89 Лабораторное моделирование вихревых течений в жидкости выполнялось с помощью создания градиентов температуры на границе раздела твердое тело – жидкость. В эксперименте по наблюдению испарения капли жидкости с горизонтальной подложки, положка нагревалась до температуры 30°С, после чего на нее наносилась жидкость комнатной температуры, в течение эксперимента подложка остывала до температуры окружающей среды, которая составляла 21°С. В экспериментах по визуализации процесса испарения микропотока с нагретой стенки подложка подогревалась в течение всего эксперимента воздушной струей с температурой 50°С. На рисунке 61 представлена снимок поверхности подложки с помощью тепловизора (модель). Измерительная область Рисунок 61 – Термограмма подложки, подогреваемой воздушной струей с температурой 50°С На термограмме обозначены примерные границы измерительной области, температура в ней изменяется в пределах 1°С. Моделирование горизонтальной в лабораторных поверхности капли условиях летучей процессов жидкости испарения выполнялось с при температуре окружающей среды 20°С. Визуализация капли раствора жидкостей с различной скоростью испарения, паров над каплей, а также наблюдение перемешивания жидкостей с различной скоростью испарения выполнялось при температуре окружающей среды 18°С. 90 В общем случае температурный режим объекта исследования должен находиться в пределах рабочего диапазона оборудования комплекса (камера, кабель для передачи данных, объектив). 3.2 Определение разрешающей способности комплекса Основной вклад в погрешность измерений, выполняемых с помощью комплекса, вносят две составляющие: 1) погрешность нормировки; 2) погрешность цифровой обработки экспериментальных картин. Обсуждение погрешности цифровой обработки приведено в главе 2, разделе 2.5. В погрешности нормировки обычно учитывают искажения экспериментальных картин, вносимые оптической системой комплекса. Помимо качества объектива и приемной матрицы цифровой видеокамеры (см. главу 2) влияние на результаты обработки экспериментальных данных оказывает взаимное расположение фонового экрана и видеокамеры [70]. Для выявления оптимальной конфигурации элементов системы и установления разрешающей способности комплекса были проведены дополнительные исследования [78]. Схема экспериментальной установки для нахождения наилучшего расположения видеокамеры в оптической системе на основе теневого фонового метода представлена на рисунке 62. Фоновый экран 2 закреплен на координатном столике 1, снабженном микрометрическим винтом. Видеокамера 5 расположена под углом к фоновому экрану и закреплена на подвижной опоре 4. Угол между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана выставляют с помощью угломера. Модель оптически неоднородной среды между фоновым экраном и устройством регистрации реализуется здесь как смещение фонового экрана на некоторое расстояние, жестко регулируемое микрометрическим винтом и дополнительно контролируемое микрометрической измерительной головкой. Методика проведения эксперимента заключается в следующем. С помощью видеокамеры выполняются снимок фонового экрана без смещения и 91 последовательные снимки со смешением по горизонтали от 10 мкм до 1050 мкм. Серии снимков получают для углов 5°, 10°, 15°, 20° и 90°. 2 1 3 α ПО 5 4 1 – координатный столик; 2 – фоновый экран; 3 – ПК с программой для обработки изображений; 4 – подвижное крепление для видеокамеры; 5 – видеокамера Рисунок 62 – Экспериментальная установка для определения разрешающей способности комплекса Полученные последовательности изображений обрабатываются в программе PIVView, в которой определяют среднее значение смещений элементов изображения фонового экрана. Затем результаты сравнивают со смещением, которое устанавливали по микрометрическому винту координатного столика. Малая глубина резкости получаемых изображений приводит к ухудшению результатов обработки экспериментальных данных. Решение этой проблемы заключается в создании дополнительного мощного освещения фонового экрана, что позволяет работать с минимальными значениями диафрагменных чисел, т.е. получать большую глубину резкости на фиксируемых камерой изображениях. 92 Изображение структуры фоновых экранов камерой, расположенной под малыми углами, сильно искажено, что затрудняет обработку экспериментальных данных. Возникает необходимость в подборе оптимального рисунка фонового экрана, изображение которого наилучшим образом поддается дальнейшей обработке. Для решения указанных проблем необходимо выявить условия эксперимента, при которых теневой фоновый метод применим для регистрации смещений объектов на величины от 0 до 1000 мкм. Эти условия определяются углом между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана, а также рисунком фонового экрана. С помощью экспериментального исследования можно найти оптимальные значения данных параметров. На первом этапе проводились серии опытов с 5 фоновыми экранами различной структуры, изображения которых представлены на рисунке 63. Экран 1 Экран 2 Экран 4 Экран 3 Экран 5 Рисунок 63 – Изображения исследуемых фоновых экранов 93 Результаты обработки экспериментальных данных для угла между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана α = 5°. приведены на рисунке 64. 60 50 40 δd , % 30 20 Экран 2 α = 5° Экран 3 10 Экран 4 0 0 100 200 300 400 500 600 700 d 0 , мкм 800 900 1000 1100 Рисунок 64 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δd от величины реального смешения d0 В области малых смещений от 0 до 100 мкм наблюдается разброс значений относительной погрешности δd в диапазоне от 10% до 100%. Дальнейшее увеличение смещения приводит к стабилизации погрешности на уровне 40%. На рисунке 65 представлены результаты обработки экспериментальных данных для α = 10°. В области смещений от 0 до 300 мкм разброс значений погрешности велик, но при больших смещениях относительная погрешность для результатов со всеми экранами уменьшается. Зависимости относительной погрешности от величины реального смешения для результатов в экспериментах со значением угла α = 15 град. представлены на рисунке 66. 94 60 α = 10° 50 40 δd , % 30 20 10 0 0 100 Экран 1 200 300 400 Экран 2 500 600 d 0 , мкм Экран 3 700 800 900 1000 1100 Экран 4 Экран 5 Рисунок 65 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δd от величины реального смешения d0 60 α = 15° 50 40 δd , % 30 20 10 0 0 Экран 1 100 200 300 Экран 2 400 500 600 d 0, мкм Экран 3 700 800 Экран 4 900 1000 1100 Экран 5 Рисунок 66 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δd от величины реального смешения d0 95 Относительные погрешности, соответствующие экспериментам с фоновыми экранами 2, 3 и 5, в области смещений от 700 мкм до 1000 мкм уменьшаются до 10%÷20%. Результаты обработки экспериментальных данных для угла α = 20°. приведены на рисунке 67. Зависимости, полученные для результатов с фоновыми экранами 2, 3 и 5 имеют аналогичный характер: значения погрешностей, соответствующие смешениям в диапазоне от 700 мкм до 1000 мкм уменьшаются до 10%÷15%. 50 α = 20° 40 30 δd , % 20 10 0 0 100 Экран 2 200 300 400 500 600 700 d 0 , мкм Экран 3 Экран 4 800 900 1000 1100 Экран 5 Рисунок 67 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δd от величины реального смешения d0 Обработка экспериментальных данных показала, что ни один из пяти фоновых экранов не дает удовлетворительных результатов для регистрации малых смешений (до 100 мкм), а малые значения угла α между оптической осью видеокамеры и плоскостью фонового экрана приводят к высокой относительной погрешности около 40%. При возрастании угла α относительная погрешность уменьшается. Меньшие значения погрешности 10%÷20% были получены при 96 смещениях от 700 до 1000 мкм с фоновыми экранами 2, 3 и 5 для углов α, равных 15° и 20°. Второй этап экспериментального исследования проводился с фоновыми экранами 2, 3 и 5. Для определения стабильности получаемых значений относительной погрешности с каждым из фоновых экранов проводилось по 5 серий измерений для значений углов α, равных 5°, 10°, 15° и 20°. Относительную погрешность результатов, полученных при обработке экспериментальных данных, рассчитывали по следующей формуле: δd сл = ∆d сл ⋅ 100%, d ср (3) где ∆dсл – случайная погрешность результатов обработки данных эксперимента; dср – среднее значение смещения фонового экрана, полученное при обработке экспериментальных данных. На рисунке 68 представлены результаты эксперимента при значении α = 5°. 60 α = 5° 50 δd сл, % 40 30 20 10 0 100 Экран 2 Экран 3 Экран 5 300 500 700 d 0 , мкм 900 1100 Рисунок 68 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δdсл от величины реального смешения d0 97 В опыте с экраном 3 на всем диапазоне смещений наблюдается плохая повторяемость результатов с погрешностью около 70%. Для экранов 2 и 5 погрешность убывает и в интервале смещений от 900 мкм до 1000 мкм составляет 20%÷ 35%. Результаты обработки экспериментальных данных при значении α = 10°. приведены на рисунке 69. 50 α = 10° 45 40 δd сл, % 35 Экран 2 Экран 5 30 25 20 15 10 5 0 100 300 500 700 d 0, мкм 900 1100 Рисунок 69 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δdсл от величины реального смешения d0 Для экранов 2 и 5 относительная погрешность убывает и при смещении в 300 мкм составляет не более 30%. Однако для экрана 3 приемлемую погрешность получить не удалось, так как все значения погрешности составили более 100%. При значении угла α = 15° были получены результаты, представленные на рисунке 70. Результаты для всех трех экранов обладают хорошей повторяемостью на интервале смещений от 300 мкм до 1000 мкм, где погрешность составила не более 25%. Вместе с тем в области до 300 мкм в эксперименте с экраном 2 наблюдаются высокие значения относительной погрешности смещения, достигающей 70%. 98 50 α = 15° 45 40 Экран 2 Экран 3 Экран 5 35 δd сл, % 30 25 20 15 10 5 0 100 300 500 700 d 0, мкм 900 1100 Рисунок 70 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δdсл от величины реального смешения d0 Обработка экспериментальных данных для значения угла α = 20° показала следующие результаты (рисунок 71). На всем диапазоне смещений относительная погрешность для экранов 2 и 5 не превысила 10%, что говорит о высокой стабильности значений, получаемых при обработке экспериментальных данных. На рисунке 72 представлены результаты для экспериментальных серий с экраном 2 под различными углами α. Согласно полученным зависимостям относительных погрешностей от реального смещения минимальное значение погрешности не более 5% соответствует относительно фонового экрана под углом α = 20°. расположению видеокамеры 99 50 α = 20° 45 40 δd сл, % 35 Экран 2 Экран 3 Экран 5 30 25 20 15 10 5 0 100 300 500 700 d 0, мкм 900 1100 Рисунок 71 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δdсл от величины реального смешения d0 Рисунок 72 – Графики зависимости относительной погрешности величины смещения экранов δdсл от величины реального смешения d0 100 По результатам экспериментального исследования установлено: 1) увеличение угла наклона α оптической оси видеокамеры к плоскости фонового экрана приводит к снижению относительной погрешности смешения экрана, получаемой при обработке экспериментальных данных. Минимальное значение относительной погрешности δd =20% получено при угле α = 20°; 2) В области малых смещений от 0 до 100 мкм (0,5 пикселей) обработка экспериментальных данных не позволяет получить удовлетворительные результаты из-за большого разброса значений погрешности δd в диапазоне от 10% до 100%. 3) Среди исследуемых фоновых экранов наилучшая повторяемость результатов с погрешностью менее 10% наблюдается при угле α = 20° для экранов 2 и 5 (черные точки на белом фоне). Проведенные исследования показали, что оптимальным расположением видеокамеры относительно фонового экрана является такая установка, при которой реализуется угол 90° между направлением обзора видеокамеры и фоновым экраном. Оптимальное значение относительной погрешности результатов измерений не более 2% можно получить при смещениях элементов фонового экрана на величину более 100 мкм. 3.3 Выводы по главе Основным ограничивающим фактором для параметров исследуемых процессов является поле зрения и глубина резкости изображаемого пространства (ГРИП) оптической системы. Смачиваемость подложки ограничивает объемы исследуемых жидкостей. Изображение исследуемого процесса не должно выходить за пределы поля зрения оптической системы 21×25 мм, а также не вносить существенной расфокусировки в изображение фонового экрана в случае исследований с помощью ТФМ. Так, для капель дистиллированной воды на стеклянной подложке, диапазон допустимых 101 объемов составляет от 1 мкл до 550 мкл. Для типов других жидкостей и подложек границы указанного диапазона могут изменяться. Лабораторное моделирование процессов перемешивания жидкостей, визуализируемых с помощью оптико-электронного комплекса, выполнялось для капли жидкости объемом 70 мкл, в центральную часть которой добавлялась при помощи шприца капля другой жидкости объемом 10 мкл. В общем случае диапазон объемов перемешиваемых жидкостей также определяется полем зрения оптической системы. Проведенные исследования по определению разрешающей способности комплекса показали, что оптимальным расположением видеокамеры относительно плоскости регистрации является такая установка, при которой реализуется угол 90° между направлением обзора видеокамеры и данной плоскостью. Оптимальное значение относительной погрешности результатов измерений можно получить при смещениях элементов экспериментальных изображений более 100 мкм (0,5 пикселей). Максимальная погрешность определения смещения элементов экспериментальных картин при минимальном угле наблюдения 20° составляет не более 10% в диапазоне смещений 100÷300 мкм и не более 5% для смещений более 300 мкм; а при оптимальном угле 90° не более 2 % для смещений больше 100 мкм (0,5 пикселей). 102 4 ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МИКРОПОТОКОВ ЖИДКОСТИ 4.1 Испарение капли жидкости с горизонтальной подложки Пленочное течение жидкости находит широкое применение в технологиях химической промышленности, энергетике и других отраслях. Эффективность аппаратов, разрабатываемых на основе этого физического явления, связана с изучением характерных для него процессов. Основным источником информации о параметрах течения пленки жидкости являются экспериментальные исследования. Оптико-электронный комплекс позволяет проводить наблюдения за изменением состояния жидкости во время ее испарения с поверхности. В работах [79, 80] представлена визуализация процесса испарения капель различных жидкостей: воды, этанола и ацетона, – на основе теневого фонового метода. Схема установки оптико-электронного комплекса для регистрации экспериментальных изображений по методу ТФМ представлена на рисунке 73. 1 3 4 5 2 6 1 – камера; 2 – капля жидкости; 3 – прозрачная подложка; 4 – фоновый экран; 5 – предметный столик с прозрачной поверхностью; 6 - лампа Рисунок 73 – Схема регистрации картин ТФМ для пленки жидкости на горизонтальной подложке 103 Камера 1 установлена над фоновым экраном 4. Капля жидкости 2 находится на гладкой горизонтальной подложке (стекле фотопластины) 3, размещенной на фоновом экране. Стеклянный стол 5 позволяет подсвечивать фон в проходящем свете с помощью светодиодной лампы 6. Регистрация изображений ТФМ проводилась следующим образом. Камера фокусировалась на фоновый экран, расположенный под гладкой горизонтальной подложкой (стеклом фотопластины) и первый кадр сохранялся на компьютер. Затем на подложку наносилась капля жидкости, изображения которой записывались на камеру. Съёмка проводилась в проходящем свете для уменьшения влияния бликов на последующую обработку экспериментальных изображений. Температура окружающей среды во время проведения эксперимента составляла 20°С. Жидкость с подложки испарялась в свободное пространство. На рисунке 74 приведены экспериментальные изображения капель воды, этанола и ацетона объемом 5 мкл, зафиксированные на 1секунде и на 20 секунде регистрации процесса испарения. Данные изображения получены с помощью фонового экрана с нанесенным на него рисунком в виде чередования темных и светлых квадратов, распечатанном на принтере. На них заметны изменения, происходящие с жидкостью в процессе испарения. Площадь контактного пятна капли воды с подложкой практически не изменилась через 20 с, в то время как для капель двух других жидкостей: этанола и ацетона, - контактное пятно значительно увеличилось сразу после нанесения капель на подложку. Для кросскорреляционной обработки рассмотренные выше изображения не пригодны, так как рисунок фонового экрана имеет слишком крупную структуру по сравнению с размером изображения исследуемого объекта. Это приводит к потере информации об изменениях, происходящих с каплей в процессе ее испарения. 104 а б в а) – вода; б) – этанол; в) – ацетон Рисунок 74 – Примеры экспериментальных изображений капель различных жидкостей в объеме 5 мкл 105 Экспериментальные изображения, пригодные для кросскорреляционной обработки были получены с применением фонового экрана, представляющего собой чистый лист бумаги плотностью 80 г/м2. Структура, образованная внутренней неоднородностью листа в проходящем свете, обладает достаточным масштабом, чтобы визуализировать процесс испарения капель микролитрового объема. На рисунке 75 показаны экспериментальные изображения капель разного объема, испаряющихся с гладкой плоской подложки: вода – 2 мкл, ацетон – 3 мкл и этанол – 2 мкл. Обработка экспериментальных изображений проводилась с квадратным окном опроса размером 64 пикселя и шагом 16 пикселей с расчетом кросскорреляционной функции за две итерации. В качестве метода расчета максимума кросскорреляционной функции был выбран метод гауссовой трехточечной интерполяции. Из методов постфильтрации для векторного поля были применены ограничение на различие между модулями соседних векторов, равное 5 пикселям, медианная фильтрация и замена ошибочных значений векторов на среднее из соседних векторов. Примененная постфильтрация не внесла существенных изменений в результаты обработки, но с ее помощью были устранены несколько ошибочных векторов. Поля коэффициента корреляции, приведенные на рисунке 76, характеризуют область локализации капель на подложке. Значения коэффициента корреляции отображаются с помощью цветовой шкалы, в которой синий цвет соответствует нулю, а красный – единице. Согласно теоретическим основам обработки экспериментальных данных ТФМ равенство корреляционного коэффициента единице означает отсутствие смешений между рассматриваемыми областями обрабатываемых изображений. Отличные от единицы значения говорят о наличии смещений. 106 а б в а) – вода (2 мкл); б) – ацетон (3 мкл); в) – этанол (2 мкл) Рисунок 75 – Примеры экспериментальных изображений капель, испаряющихся с гладкой плоской подложки 107 а б 108 в а) – вода (2 мкл); б) – ацетон (3 мкл); в) – этанол (2 мкл) Рисунок 76 – Примеры обработки экспериментальных изображений капель, испаряющихся с гладкой плоской подложки (поле коэффициента корреляции) В рассматриваемом эксперименте наблюдение капли жидкости выполнялось при температуре окружающей среды и в отсутствие локальных нагревателей на подложке, поэтому показатель преломления жидкости можно считать постоянным. Следовательно, смещения элементов фона будут определяться геометрией растекания капли по подложке. На рисунке 76 в центре капли наблюдается увеличение коэффициента корреляции, что вызвано наличием на поверхности капли области, на которой граница раздела жидкость-газ параллельна границе раздела жидкость-подложка. Изображения элементов фонового экрана через эту область расфокусированы, но не смещаются относительно первоначального положения, поэтому значение коэффициента корреляции приближается к единице, как и в случае отсутствия слоя жидкости на подложке. Таким образом, нахождения одного коэффициента корреляции не достаточно для получения количественных характеристик испаряющейся капли. 109 Более полную информацию об исследуемом процессе можно получить с помощью построения векторного поля, в котором модули векторов пропорциональны смещениям элементов фона на обработанных изображениях. На рисунке 77 представлены векторные поля смещений, полученные при обработке экспериментальных изображений капель, испаряющихся с гладкой плоской подложки. В приведенных результатах обработки модули векторов пропорциональны величине смещения элементов фонового экрана, а направления совпадают с соответствующими направлениями смещений фона в области локализации капли. а 110 б в а) – вода (2 мкл); б) – ацетон (3 мкл); в) – этанол (2 мкл) Рисунок 77 – Примеры обработки экспериментальных изображений капель, испаряющихся с гладкой плоской подложки (векторное поле смещений) 111 Рассмотрим преломление света на границе раздела капля-воздух в приближении геометрической оптики (рисунок 78). n=1 t f(x) O f(x0) n2 i A x0 B x1 Рисунок 78 – Схема преломления света на границе раздела капля-воздух Под каплей расположен структурированный фоновый экран, изображение которого регистрируется матрицей цифровой камеры, снабженной объективом. Найдем смещения элементов изображения фона, вызванные наличием капли в данной оптической системе. Поверхность капли описывается функцией f(x). Показатель преломления капли равен n, показатель преломления окружающей среды (воздуха) примем равным 1. Рассмотрим формирование изображения точки А фонового экрана на матрице цифровой камеры. Координата падающего на границу раздела каплявоздух луча (точка А) – (x0, 0), этот луч выходит из капли в точке О с координатой (x0, f( x0)). 112 Обозначим угол падения луча i, угол преломленного луча – t. Продолжение преломленного луча пересекает ось X в точке В с координатой (x1, 0). Таким образом, смещение изображения точки А фонового экрана в связи с наличием капли в оптической системе характеризуется отрезком АВ с величиной x1 - x0 = ∆. Согласно закону преломления света sin(t ) = n sin(i ) . (4) Из прямоугольного треугольника АОВ имеем tan(t − i ) = ∆ . f ( x0 ) (5) Так как угол наклона касательной к границе раздела капля-воздух в точке О также равен i как угол со взаимно перпендикулярными сторонами к углу падения луча (см. рисунок 6), то справедливо следующее равенство: tan(i ) = − f ′( x 0 ) . (6) Объединим уравнения (4 – 6) в систему tan(i ) = − f ′( x 0 ), ∆ , tan(t − i ) = f ( x ) 0 sin(t ) = n sin(i ). (7) которая описывает взаимосвязь высоты капли f(x0) в некоторой точке и смещения ∆ элемента фонового экрана в соответствующей точке. В результате преобразования второго уравнения системы (7), получим следующее выражение: 113 ∆ . t = i + arctan ( ) f x 0 (8) Так как угол t находится в пределах интервала (0; π/2), взяв синус от обеих частей (8), получим ∆ . sin(t ) = sin i + arctan ( ) f x 0 (9) Из (4) и (9) следует, что ∆ = n sin(i ) . sin i + arctan f ( x ) 0 (10) Выполним замену ∆ , k = arctan f ( x ) 0 (11) sin [i + k ] = n sin(i ) . (12) тогда (10) примет вид Раскрыв синус суммы, получим следующее выражение: sin(k ) cos(i ) + sin(i ) cos(k ) = n sin(i ) , – и разделив на cos(i), приведем выражение к виду (13) 114 tan(i ) = sin(k ) . n − cos(k ) (14) sin(k ) . cos(k ) − n (15) Подставив (14) в (6), получим f ′( x 0 ) = В результате обратной замены имеем ∆ sin arctan f ( x0 ) . f ′( x 0 ) = ∆ − n cos arctan f ( x0 ) (16) Преобразуя тригонометрические функции получим f ′( x 0 ) = ∆ f ( x0 ) 2 . (17) ∆ + 1 1 − n ⋅ f ( x ) 0 Таким образом, восстановить значения высоты в капле в каждой точке можно, зная величины смещений элементов фонового экрана в реальных единицах измерения. Векторные поля, полученные при обработке изображений ТФМ в ходе испарения капли ацетона, показаны на рисунке 79. 115 а б в Рисунок 79 – Результаты обработки ТФМ изображений капли воды на стеклянной подложке в процессе испарения На рисунке 80 представлены результаты восстановления высоты поверхности капли воды объемом 2 мкл над подложкой. Высота капли уменьшается со временем, при этом величина контактного пятна капли с подложкой значительно не изменяется. По полученным количественные результатам характеристики можно испаряющейся также капли, определить как такие площадь поверхности, площадь контактного пятна капли с подложкой, объем капли. ее 116 а б в а) – t = 0 с; б) – t = 500 с; в) – t = 600 с Рисунок 80 – Результаты восстановления высоты поверхности капли воды над подложкой в процессе испарения 117 На рисунке 81 показана зависимость объема испаряющейся капли воды от времени, а на рисунке 82 зависимость площади поверхности той же капли от времени. Характер данной зависимости согласуется с результатом, полученным для испаряющейся капли воды большего объема в [81]. Характерные векторные поля, полученные при обработке экспериментальных изображений ТФМ в ходе испарения капли ацетона, показаны на рисунке 83. На рисунке 84 представлены результаты восстановления высоты поверхности капли ацетона объемом 3 мкл над подложкой. В процессе испарения наблюдаются значительные флуктуации поверхности капли. На рисунке 85 показана зависимость объема испаряющейся капли ацетона от времени, а на рисунке 86 зависимость площади поверхности той же капли от времени. Особенностью процесса испарения, как капли воды, так и ацетона является небольшой промежуток времени, в котором происходит резкое уменьшение объема и площади поверхности. Соответствующий участок зависимостей хорошо заметен для воды. В случае с ацетоном резкое уменьшение площади поверхности капли происходит при малом объеме, поэтому на графике для объема этот процесс почти не заметен. Второй особенностью, теперь только в случае ацетона, является увеличение площади поверхности капли. Это увеличение объясняется тем, что площадь контактной поверхности рассчитывается по внешней границе капли, в то время как в процессе испарения наблюдается образование поверхности капли с четырьмя ярко выраженными максимумами. Приведенные расчетные зависимости были получены путем решения дифференциального уравнения (17) методом Рунге-Кутты 4-ого порядка с нулевым начальным приближением в среде Matlab. 118 Рисунок 81 – Зависимость объема испаряющейся капли воды от времени Рисунок 82 – Зависимость площади поверхности испаряющейся капли воды от времени 119 а в б г а) t = 8,2 с; б) t = 9,6 с; в) t = 10,4 с; г) t = 12,0 с Рисунок 83 – Зависимость площади поверхности испаряющейся капли ацетона от времени 120 а) б) в) г) а) t = 8,2 с; б) t = 9,6 с; в) t = 10,4 с; г) t = 12,0 с Рисунок 84 – Зависимость площади поверхности испаряющейся капли ацетона от времени 121 Рисунок 85 – Зависимость объема испаряющейся капли ацетона от времени Рисунок 86 – Зависимость площади поверхности испаряющейся капли ацетона от времени 122 4.2 Визуализация капли на нагретой подложке Модификация оптико-электронного комплекса на основе теневого фонового метода не позволяет проводить исследования процессов испарения в средах с градиентом температуры и изменением геометрических параметров самой среды. Это вызвано тем, что несколько параметров исследуемого процесса влияют на величину смещения элементов фонового экрана, и их сложно разделить. Исследование таких процессов проводилось с помощью модификации комплекса, основанного на методе анемометрии по изображениям частиц с применением скоростной видеокамеры [82]. Внешний вид установки комплекса приведен на рисунке 87. 1 2 3 4 5 1 – высокоскоростная камера; 2 – оптическая система формирования лазерного «ножа»; 3 – генератор горячего воздуха; 4 – наклонная подложка; 5 – твердотельный лазер Рисунок 87 – Фотография экспериментальной установки 123 Источником излучения служит импульсный твердотельный Nd:YAG лазер DTL-419QT (5). Оптическая система (2), состоящая из поворотной призмы, длиннофокусной сферической и короткофокусной цилиндрической линзы, формирует лазерную плоскость, называемую лазерным «ножом». Наклонная стеклянная подложка (4) нагревается снизу с помощью генератора горячего воздуха (3). Устройством регистрации служит скоростная видеокамера (1) фирмы FASTEC IMAGING, модель Hispec 2G Mono. С помощью данного комплекса проводилось исследование конвекции в капле жидкости. Методика эксперимента заключалась в следующем. Подложка 4 устанавливалась в горизонтальном положении. Лазерная плоскость с помощью оптической системы 2 формирования лазерного «ножа» ориентировалась вертикально (рисунок 36, б глава 2). Подложка нагревалась с помощью генератор горячего воздуха 3 до температуры 30°С при температуре окружающей среды 21°С. Температура подложки определялась с помощью тепловизора. Капля жидкости с разведенными в ней светоотражающими частицами наносилась на подложку в пределах измерительной области. С помощью видеокамеры выполнялись снимки сечения капли лазерной плоскостью. На рисунке 88 приведен пример экспериментального изображения капли воды по методу АИЧ и результаты кросскорреляционной обработки двух последовательных кадров, выполненных с интервалом 1 с. На изображении 88, б наблюдаются несколько вихревых течений, образующихся в капле. Векторные поля, построенные в результате обработки изображений, характеризуют направление движения жидкости в сечении капли лазерной плоскостью. Результаты качественно согласуются с математическим моделированием движения жидкости в капле [83]. На рисунке 89 приведены графики зависимости горизонтальной Vx, вертикальной Vy и модуля скорости V жидкости в капле воды объемом 5 мкл для трех различных значений вертикальной координаты. 124 а б а) – изображения капли с частицами; б) – результаты обработки последовательных пар изображений Рисунок 88 – Капля воды объемом 5 мкл с частицами (стеклянные сферы диаметром 5,4 мкм) на полированном стекле (время между кадрами составляет 1 с) На рисунке 90 приведен пример экспериментального изображения капли глицерина по методу АИЧ и результаты обработки двух последовательных кадров, выполненных с интервалом 1 с. На рисунке 91 приведены графики зависимости горизонтальной Vx, вертикальной Vy и модуля скорости V жидкости в капле глицерина объемом 5 мкл для трех различных значений вертикальной координаты. 125 Рисунок 89 – Графики зависимости горизонтальной Vx, вертикальной Vy и модуля скорости V жидкости в капле воды объемом 5 мкл 126 а б а) – изображения капли с частицами; б) – результаты обработки последовательных пар изображений Рисунок 90 – Капля глицерина объемом 5 мкл с частицами (полиамидные сферы диаметром 20 мкм) на полированном стекле (время между кадрами составляет 1 с) 127 Рисунок 91 – Графики зависимости горизонтальной Vx, вертикальной Vy и модуля скорости V жидкости в капле глицерина объемом 5 мкл 128 4.3 Визуализация процессов перемешивания жидкостей в малых объемах Перемешивание жидкостей является распространенным процессом в химической промышленности, биологии, медицине и других промышленных и наукоемких отраслях. Разработанный оптико-электронный комплекс был применен для визуализации перемешивания оптически прозрачных жидкостей [84]. Перемешивание капель осуществлялось при температуре 18°С в открытом пространстве на плоской гладкой подложке из стекла, расположенной горизонтально. Установка комплекса при этом была собрана по схеме, приведенной на рисунке 36, а в главе 2. Съемка проводилась в отраженном свете. В качестве фонового экрана применялся пластмассовый диск с шероховатой структурой поверхности. На рисунке 92 приведен пример экспериментального изображения перемешивания капель жидкостей с различными скоростями испарения: воды и этанола,– полученного с помощью модификации комплекса по методу ТФМ, а также результаты обработки. а б а) – экспериментальное изображение ТФМ; б) – результаты обработки изображений Рисунок 92 – Капля этанола объемом 10 мкл добавлена в каплю воды объемом 70 мкл на полированном стекле (скорость регистрации 47 кадров/с) 129 Показанные на рисунке 92, б результаты содержат векторное поле, характеризующее смещение элементов фонового экрана, а также поле коэффициента корреляции, отображающееся с помощью цветовой шкалы. В данном эксперименте, основанном на обработке изображений ТФМ, смещение элементов фона зависит от нескольких параметров исследуемого процесса, а именно, от градиента показателя преломления и от изменения формы поверхности перемешивающейся кросскорреляционной обработки капли. можно Таким судить образом, только о по данным локализации исследуемого процесса. Возникающие при перемешивании жидкостей потоки в капле были визуализированы с помощью модификации комплекса по методу анемометрии по изображениям частиц. На рисунке 93 приведены примеры экспериментального изображения и результатов его обработки для перемешивания капель жидкостей с различными скоростями испарения: воды и этанола,– полученного с помощью модификации комплекса по методу АИЧ. а б а) – экспериментальное изображение АИЧ; б) – результаты обработки изображений Рисунок 93 – Капля этанола объемом 10 мкл добавлена в каплю воды объемом 70 мкл на полированном стекле (интервал между парой обрабатываемых изображений 5 мс) 130 Так как движение микропотоков жидкостей при перемешивании достаточно интенсивное, то съемка картин АИЧ осуществлялась со скоростью 200 кадров/с. В качестве светоотражающих частиц применялись стеклянные микросферы диаметром 5,4 мкм. Векторное поле на рисунке 93, б характеризует направления и скорости движения светоотражающих частиц, добавленных и в воду, и в этанол. 4.4 Наблюдение паров летучих веществ Применение в промышленности загрязняющих веществ, как известно, наносит вред окружающей среде и при несоблюдении определенных норм экологической безопасности на производстве может угрожать здоровью человека. Особую опасность представляют пары токсичных соединений. Однако, в большинстве случаев, данные пары являются совершенно прозрачными и без специального оборудования их диагностика затруднена. С помощью разработанного комплекса была выполнена визуализация паров ацетона [85, 86]. В данном эксперименте применялась модификация комплекса по методу ТФМ. Схема экспериментальной установки комплекса соответствовала схеме, приведенной на рисунке 38, б в главе 2. В качестве фонового экрана применялся тот же пластмассовый диск, что и при исследовании процессов перемешивания жидкостей по методу ТФМ. Подсветка экрана осуществляется в режиме съемки в отраженном свете. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Видеокамера фокусируется на фоновом экране, и выполняется его снимок. Затем между камерой и фоном помещается исследуемая жидкость, через пары которой осуществляется запись искаженных изображений фонового экрана. Были проведены серии экспериментов с ацетоном, испаряющимся как с горизонтальной подложки, так и из некоторой емкости. В первой экспериментальной серии наблюдалось испарение ацетона с подложки, на поверхность которой наносили Эксперимент проводился при следующих параметрах: исследуемую жидкость. 131 • скорость съемки – 35 кадров в секунду, • угол наклона пластины к горизонтали составил 0 град., • объем испаряемой жидкости 125 мкл. На рисунке 94 представлены результаты обработки для t = 1,42 c и t = 1,71 c кадров при съемке испарения пленки ацетона с плоской поверхности стеклянной пластинки. Пленка ацетона Пленка ацетона а б а) – векторное поле (t = 1,42 c от начала испарения); б) – векторное поле (t = 1,71 c от начала испарения) Рисунок 94 – Результаты обработки изображений для паров ацетона в начале процесса испарения жидкости Полученные картины векторных полей отображают динамику процесса испарения капли с горизонтальной плоской поверхности. Изображение на рисунке 94, а получено при обработке 50 кадра, соответствующего началу испарения. Можно наблюдать скопление векторов над поверхностью жидкости, что соответствует образованию паров ацетона в данной области пространства. С течением времени пары исследуемой жидкости распространяются на некоторую высоту над поверхностью испарения. Пример картины визуализации 132 этого процесса приведен на рисунке 94, б. В дальнейшем ацетон полностью испаряется с плоской стеклянной подложки, а его пары заполняют область пространства над этой поверхностью на некоторой высоте. Картины векторных полей, полученные для данного случая, приведены на рисунке 95. Пленка ацетона Пленка ацетона а б а) – векторное поле (t = 2,29 c от начала испарения); б) – векторное поле (t = 14,29 c от начала испарения) Рисунок 95 – Результаты обработки изображений для паров ацетона в финальной стадии процесса испарения жидкости Изображения на рисунке 95, а и на рисунке 95, б практически не отличаются. Это связано с тем, что вся жидкость испарилась, и в пространстве над стеклянной подложкой образовалось облако из паров ацетона. Во второй экспериментальной серии наблюдалось испарение ацетона из стеклянной кюветы, на дно которой наносили исследуемую жидкость. Кювета использовалась для устранения влияния потоков воздуха в помещении на наличие паров ацетона в исследуемой области. Эксперимент проводился при следующих параметрах: • скорость съемки – 35 кадров в секунду, 133 • угол наклона кюветы к горизонтали составил 0 град., • объем испаряемой жидкости 5 мкл. Результаты, полученные для t = 7,97 c и t = 12,57 c при съемке испарения капли ацетона со дна стеклянной кюветы, приведены на рисунке 96. Пленка ацетона Пленка ацетона а б а) – векторное поле (t = 7,97 c от начала испарения); б) – векторное поле (t = 12,57 c от начала испарения) Рисунок 96 – Результаты обработки изображений для паров ацетона, распространяющихся в стеклянной кювете Векторные поля, представленные на рисунке 96, характеризуют начало процесса испарения. Вектора на данных изображениях присутствуют не во всей области над поверхностью дна кюветы, так как капля занимает площадь основания этой кюветы не полностью, а пары ацетона образуются лишь в пространстве над поверхностью испарения. На рисунке 97 приведены результаты для t = 13,51 c и t = 13,71 c при съемке испарения капли ацетона со дна стеклянной кюветы. Наблюдается полное рассеяние паров жидкости (рисунок 97, б), несмотря на сокращение времени записи по сравнению с первой серией экспериментов. Это связано с меньшим объемом испаряющегося ацетона. Наличие кюветы не оказало значительного влияния на исследуемый процесс. 134 Пленка ацетона Пленка ацетона а б а) – векторное поле (t = 13,51 c от начала испарения); б) – векторное поле (t = 13,71 c от начала испарения) Рисунок 97 – Результаты обработки изображений для паров ацетона, распространяющихся в стеклянной кювете 4.5 Визуализация микропотока жидкости Пленочные течения жидкости широко распространены в различных промышленных аппаратах. Особенностью таких течений является значительный градиент температуры в жидкости, связанный с тем, что жидкость в основном применяется для охлаждения рабочих поверхностей устройств. Модификация оптико-электронного комплекса по методу АИЧ также была применена для визуализации пленочного течения жидкости по нагретой наклонной поверхности [87–92]. Схема экспериментальной установки комплекса приведена на рисунке 36, а в главе 2. Методика проведения эксперимента заключалась в следующем. Дистиллированная вода с добавленными сферическими частицами диаметром 20 мкм из полиамида стекает по наклонной подложке (угол наклона 6º), разогретой до температуры 50ºС. Температура воды и окружающей среды составляет 22ºС. Толщина потока не превышает 1 мм. Частицы подсвечиваются лазерной плоскостью с длинной волны 532 нм. Рассеянное частицами излучение регистрируется с помощью скоростной видеокамеры с микроскопическим 135 объективом, работающим на больших расстояниях. Поле зрения объектива составляет 2×2 см2. Расстояние от объектива до пластины составляет 85 мм. Параметры видеокамеры, применяемые для регистрации изображений в экспериментах: скорость 100 ÷ 300 кадров в секунду; разрешение 1600x900 пикселей. Примеры экспериментальных изображений приведены на рисунке 98. В исследуемой области водяной пленки наблюдаются два вихревых течения, образующиеся по краям стекающего по подложке потока (на фотографиях положения вихрей обозначены желтыми прямоугольниками). а б Области вихревого течения а) – фотография в момент времени t1; б) – фотография в момент времени t1+0.01c; Рисунок 98 – Примеры экспериментальных изображений частиц в пленке дистиллированной воды Съемка со скоростью до 100 кадр/с дает возможность определить области существования вихрей, вызванных конвекцией. Однако для обработки такие данные непригодны из-за наличия треков частиц на изображениях. Для дальнейшего анализа была проведена съемка выделенной области со скоростью 300 кад/с (рисунок 99). 136 Рисунок 99 – Экспериментальными изображениями частиц в пленке дистиллированной воды Для обработки выбирались два последовательно зарегистрированных кадра (время между парой изображений составило 3,3 мс). В результате были построены 2D векторные поля, характеризующие движение жидкости в пленке дистиллированной воды в различные моменты времени (рисунок 100). 137 Рисунок 100 – Результаты обработки экспериментальных изображений частиц в пленке дистиллированной воды Направление векторов в центральной части потока указывает направление стекания воды по плоской нагреваемой подложке. На краях пленки направление векторов изменяется, так как в этих областях возникает вихревое движение жидкости. На рисунке 101 представлено векторное поле (увеличенный фрагмент из красного прямоугольника рисунка 100). Направление векторов в рассматриваемой области не соответствуют направлению движения основного потока, что свидетельствует о наличии вихревого движения жидкости по краям течения пленки жидкости. 138 Рисунок 101 – Вихревое движение жидкости на краях пленки (увеличенный фрагмент) На рисунке 102 представлен график горизонтальной составляющей скорости, а на рисунке 103 вертикальной составляющей скорости в области вихревого движения жидкости на краю пленки. Рисунок 102 – Графики зависимости горизонтальной составляющей скорости в области вихревого движения жидкости на краю пленки 139 Рисунок 103 – Графики зависимости вертикальной составляющей скорости в области вихревого движения жидкости на краю пленки 4.6 Выводы по главе Разработанный оптико-электронный комплекс на основе методов АИЧ и ТФМ позволяет визуализировать процессы в оптически прозрачных жидкостях: перемешивания, испарения в пленочном течении жидкости по гладкой нагретой подложке и распространения паров над поверхностью жидкости. Разработанная методика экспериментального исследования на основе АИЧ позволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачной жидкости по серии двухмерных изображений и восстанавливать временные зависимости скорости течения жидкости внутри капли. Разработанный алгоритм цифровой обработки изображений на основе ТФМ позволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачной жидкости по серии двухмерных изображений и восстанавливать временные зависимости формы поверхности капли, площади контактного пятна, площади поверхности и объема жидкости в капле. 140 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В первой главе были рассмотрены основные направления в оптических методах исследования потоков. Кратко даны сведения о методах, позволяющих визуализировать с пространственным и временным разрешением характерные для гидро- и аэродинамических течений процессы: классические теневые методы, интерферометрия, лазерная рефрактография, теневой фоновый метод, анемометрия по изображениям частиц. Проведен обзор работ по практическому применению перечисленных 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 (методы основаны на одних и тех же алгоритмах цифровой обработки информации), 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. Разработанный комплекс включает четыре структурные единицы: средства ТФМ, средства метода АИЧ, приемную систему и блок обработки экспериментальных данных. Для следующее реализации оборудование: оптико-электронного твердотельный комплекса импульсный было лазер выбрано DTL-419QT; двухлинзовая система формирования лазерной плоскости (сферическая линза с фокусным расстоянием 1,0 м и цилиндрическая линза с фокусным расстоянием 0,2 мм); высокоскоростная цифровая видеокамера Hispec1; сборный объектив NAVITAR (Соединитель C-Mount; адаптер 1,0х; трансфокатор «Zoom 6000», насадка 0,5х); программное обеспечение кросскорреляционной обработки изображений DaVis. В третьей главе рассмотрены параметры исследуемых с помощью разработанного комплекса процессов. Основным ограничивающим фактором, 141 определяющим границы применимости комплекса, является поле зрения и глубина резкости изображаемого пространства (ГРИП) оптической системы. Смачиваемость подложки ограничивает объемы исследуемых жидкостей. Изображение исследуемого процесса не должно выходить за пределы поля зрения оптической системы 21×25 мм, а также не вносить существенной расфокусировки в изображение фонового экрана в случае исследований с помощью ТФМ. Так для капель дистиллированной воды на стеклянной подложке диапазон допустимых объемов составляет от 1 мкл до 550 мкл. Для типов других жидкостей и подложек границы указанного диапазона могут изменяться. Лабораторное моделирование процессов перемешивания жидкостей, визуализируемых с помощью оптико-электронного комплекса, выполнялось для капли жидкости объемом 70 мкл, в центральную часть которой добавлялась при помощи шприца капля другой жидкости объемом 10 мкл. В общем случае диапазон объемов перемешиваемых жидкостей также определяется полем зрения оптической системы. Проведенные исследования по определению разрешающей способности комплекса показали, что оптимальным расположением видеокамеры относительно фонового экрана является такая установка, при которой реализуется максимальный угол между направлением обзора видеокамеры и фоновым экраном. Оптимальное значение относительной погрешности результатов измерений можно получить при смещениях элементов фонового экрана более 100 мкм (0,5 пикселей). Максимальная погрешность определения смещения элементов экспериментальных картин при минимальном угле наблюдения 20° составляет не более 10% в диапазоне смещений 100÷300 мкм и не более 5% для смещений более 300 мкм; а при оптимальном угле 90° не более 2 % для смещений больше 100 мкм (0,5 пикселей). Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям процессов испарения жидкостей с помощью разработанного оптико-электронного комплекса. На основе методов АИЧ и ТФМ были визуализированы процессы в оптически 142 прозрачных жидкостях: перемешивания, испарения в пленочном течении жидкости по гладкой нагретой подложке и распространения паров над поверхностью жидкости. Разработанная методика экспериментального исследования на основе АИЧ позволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачной жидкости по серии двухмерных изображений и восстанавливать временные зависимости скорости течения жидкости внутри капли. Разработанная методика цифровой обработки изображений на основе ТФМ позволяет визуализировать процесс испарения для капли оптически прозрачной жидкости по серии двухмерных изображений и восстанавливать временные зависимости формы поверхности капли, площади контактного пятна, площади поверхности и объема жидкости в капле. 143 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Алексеенко С.В., Куйбин П.А., Окулов В.Л. Введение в теорию концентрированных вихрей. Издательство: Институт теплофизики СО РАН, 2003. – 504 с. 2. Бэтчелор Дж. Введение в динамику жидкости. Москва: Мир, 1973. – 760 с. 3. Алексеенко С.В., Накоряков В.Е., Покусаев Б.Г. Волновое течение пленок жидкости. Новосибирск: Наука, 1992. – 255 с. 4. Ринкевичюс Б.С. Оптичекие методы исследования потоков // Информационный бюллетень лазерной ассоциации, январь 2009. №2(401), с. 1 – 6. 5. Дубнищев Ю.Н., Арбузов В.А., Белоусов П.П., Белоусов П.Я. Оптические методы исследования потоков. Новосибирск: Сибирское университетское изд-во, 2003. – 418 с. 6. Васильев Л.А. Теневые методы. М: «Наука», 1968. – 400 c. 7. Борн М., Вольф Э.Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского – М.: «Наука», 1973. – 720 с. 8. Зверев П.Г., Ринкевичюс Б.С. Роль лазеров в развитии оптических методов исследования потоков жидкости, газа и плазмы // CD-ROM Оптические методы исследования потоков: XI МНТК ОМИП 2011: труды конференции. М.: МЭИ (ТУ), 2011. 9. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. – М: Физматлит, 2008. – 176 с. 10. Вест Ч. Голографическая интерферометрия: Пер. с англ. – М.: Мир, 1982. – 504 с. 11. Современные оптические методы исследования потоков: Коллективная монография / под ред. Б.С. Ринкевичюса – М.: Оверлей. 2011 – с. 360, ил. 32 с. 12. Информационная оптика / Под ред. Н.Н.Евтихиева. М.: МЭИ, 2000, – 612 с. 13. Markus Raffel, Christian E. Willert, Steve T. Wereley, Jürgen Kompenhans, Particle Image Velocimetry, Springer, 2007. 144 14. Мошаров В.Е., Радченко В.Н. Новый метод визуализация течений на поверхности аэродинамических моеделй // Датчики и системы. 2010. № 5. С. 4853. 15. Афанасьев Г., Маслов В., Минеев Б., Шехтман М. Методы измерения в исследовательском эксперименте // Двигатель. 2005. № 5. С. 9. 16. Settles G.S. Schlieren and shadowgraph techniques: vsualizing phenomena in transparent media, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. 17. Васильев Л.А. Теневые методы. М: «Наука», 1968. – 400 c. 18. F. N. Glazyrin, I. A. Znamenskaya, I. V. Mursenkova, N. N. Sysoev, and J. Jin. Study of Shock-wave Flows in the Channel by Schlieren and Background Oriented Schlieren Methods // Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing, 2012. Vol. 48, No. 3, pp. 303–310. 19. Atef Alshabu, Viktor Hermes, Igor Klioutchnikov, Herbert Olivier. Experimental and Numerical Investigation of Unsteady Transonic Airfoil Flow // Notes on Numerical Fluid Mechanics and Multidisciplinary Design, 2010. Vol. 109, pp. 137– 151. 20. A. N. Semenov, M. K. Berezkina, I. V. Krassovskaya. Classification of pseudo-steady shock wave reflection types // Shock Waves, 2012. Vol. 22, Issue 4, pp. 307–316. 21. J. Gerold, P. Vogl, M. Pfitzner. New correlation of subsonic, supersonic and cryo gas jets validated by highly accurate schlieren measurements // Experiments in Fluids, 2013. Vol. 54, pp. 1542–1556, Springer, 2013. 22. Joachim Klinner, Christian Willert. Tomographic shadowgraphy for threedimensional reconstruction of instantaneous spray distributions // Experiments in Fluids, 2012. Vol. 53, pp. 531–543, Springer, 2012. 23. Cyril Mauger, Loïc Méès, Marc Michard, Alexandre Azouzi, Stéphane Valette. Shadowgraph, Schlieren and interferometry in a 2D cavitating channel flow // Experiments in Fluids, 2012. Vol. 53, Issue 6, pp. 1895-1913. 145 24. Chen-li Sun, Tzu-hsun Hsiao. Quantitative analysis of microfluidic mixing using microscale schlieren technique // Microfluid Nanofluid, 2013. Volume 15, pp. 253–265. 25. Springer Handbook of Lasers and Optics / Editor Frank Träger. SpringerVerlag Berlin Heidelberg, 2012. – 1694 p. 26. М. Борн, Э. Вольф Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. М.: «Наука», 1973. – 720 с. 27. H. Kleine, H. Olivier, K. Tsuji, K. Etoh, K. Takehara, and T.G. Etoh TimeResolved Mach-Zehnder Interferometry of ShockWaves // 28th International Symposium on Shock Waves 2012, pp 577-583. 28. A. Cecere at al. Observation of Marangoni flow in ordinary and self-rewetting fluids using optical diagnostic systems // Eur. Phys. J. Special Topics 192, pp. 109–120, Springer-Verlag 2011. 29. A.P. Kuznetsov, K.L. Gubskii, E.D. Protsenko, I.P. Shapovalov, A.S. Savjolov Measuring Pressure of Pulsed Plasma Flows by Quadrature Interferometry Techniques // Technical Physics Letters, 2012, Vol. 38, No. 12, pp. 1066–1069. Pleiades Publishing, Ltd., 2012. 30. K. G. Kostarev, A. V. Shmyrov, A. L. Zuev, A. Viviani Convective and diffusive surfactant transfer in multiphase liquid systems // Exp Fluids. Vol. 51, pp. 457–470. Springer-Verlag 2011. 31. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. – М: Физматлит, 2008. – 176 с. 32. Расковская И.Л., Евтихиева О.А., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В., Есин М.В. Принципы лазерной рефрактографии // Оптические методы исследования потоков: труды X Межд. науч-технич. конференции. М.: Изд-во МЭИ, 2009. С. 66 – 71. 33. Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Structured Beams in Laser Refractography Applications. In books: Laser Beams Theory. Properties and Applications. Nova Science Publishers. Inc. New York, pp.399-414, 2011. 146 34. Ринкевичюс Б.С., Расковская И.Л., Толкачев А.В. Исследование теплофизических процессов в жидкости методом лазерной рефрактографии // XIV Минский международный форум по тепло- и массообмену, 10-13 сентября 2012 г.: тезисы докладов и сообщений. Т.1, ч.1 / [редколл.: О.Г.Пенязьков и др.]. Минск: Институт тепло- и массообмена НАН Беларуси, 2012, с. 271-274. 35. Rinkevichyus B.S., Raskovskaya I.L., Tolkachev A.V. Dynamic processes in liquids and gases visualization using of laser refractography technique // 15th International Symposium on Flow Visualization June 25-28, 2012, Minsk, Belarus 36. Пудовиков Д.Е., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. , Толкачев А.В. Исследование естественной конвекции около шара в жидкости методом лазерной рефрактографии. В кн. Современные оптические методы исследования потоков./ Под ред. Б.С. Ринкевичюса. М.:, Изд-во Оверлей, 2011. С. 291-306. 37. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М., Толкачев А.В. Экспериментальная и компьютерная визуализация рефракции структурированного излучения. Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012. Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике 25 - 27 января 2012 года. Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2012, С. 20-22 38. Yesin M.V., Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Physical processes in liquid visualization using of laser refractography technique // PSFVIP-8: The 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing, 2012. 39. Krikunov A.V., Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S. Refraction of an Astigmatic Laser Beam in a Transition Layer of Stratified Liquid. Optics and Spectroscopy.Vol.111, No.6, pp. 956-981, 2011 40. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Диагностика конвективных процессов в пограничном слое жидкости методом лазерной рефрактографии. // ИФЖ, 2010, Т. 83, № 6. С. 1149-1156. 41. Markus Raffel, Christian E. Willert, Steve T. Wereley, Jürgen Kompenhans, Particle Image Velocimetry, Springer, 2007. 147 42. Токарев М.П., Маркович Д.М., Бильский А.В. Адаптивные алгоритмы обработки изображений частиц для расчета мгновенных полей скорости // Вычислительные технологии. Том 12, № 3, 2007. 43. Сайт компании, производящей оборудование для оптической диагностики потоков – www.polis-instruments.ru. 44. Сайт компании, разрабатывающей оптические системы и компоненты для научных и промышленных исследований – www.lavision.de. 45. Сайт компании, разрабатывающей системы и компоненты для оптической диагностики потоков – www.dantecdynamics.com. 46. Rye M. Waldman, Kenneth S. Breuer, Accurate measurement of streamwise vortices using dual-plane PIV // Experiments in Fluids, 2012. Volume 53, Issue 5, pp 1487-1500. 47. Sina Ghaemi, Daniele Ragni, Fulvio Scarano, PIV-based pressure fluctuations in the turbulent boundary layer // Experiments in Fluids, 2012. Volume 53, Issue 5, pp 1487-1500. 48. М.В. Алексеенко, А.В. Бильский, В.М. Дулин, Л.А. Козинкин, Д.М. Маркович, М.П. Токарев Диагностика струйных течений томографическим методом измерения скорости в объеме потока // Оптические методы исследования потоков: ХII Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. – Электрон. дан. – М.: МЭИ (ТУ), 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Доклад №2_3, 10 с. 49. Byung-Ju Jinб, Jung Yul Yoo, Visualization of droplet merging in microchannels using micro-PIV // Experiments in Fluids, 2012. Volume 52, Issue 1, pp 235-245. 50. M. Oishi, H. Kinoshita, T. Fujii and M. Oshima Simultaneous measurement of internal and surrounding flows of a moving droplet using multicolour confocal micro-particle image velocimetry (micro-PIV) // Meas. Sci. Technol. 22 (2011) 105401 (13pp). 148 51. Kyosuke Shinohara, Yasuhiko Sugii, Arata Aota, Akihide Hibara, Manabu Tokeshi, Takehiko Kitamori and Koji Okamoto High-speed micro-PIV measurements of transient flow in microfluidic devices // Meas. Sci. Technol. 15 (2004) 1965–1970. 52. С.Ю. Колесников, Н.М. Скорнякова PIV-диагностика вихревых потоков в модели топочной камеры // Оптические методы исследования потоков: ХII Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. – Электрон. дан. – М.: МЭИ (ТУ), 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Доклад №2_7, 6 с. 53. C. Lacour, D. Durox, S. Ducruix, M. Massot Interaction of a polydisperse spray with vortices // Experiments in Fluids, 2011. Volume 51, pp. 295–311. 54. Бобылев А.В. экспериментальное исследование гидродинамики пленок жидкости с контактной линией: Автореф. … дис. кан. физ.-мат. наук. – Новосибирск, 2009. – 32 с. 55. Meier G.E.A. Computerized background-oriented schlieren // Experiments in Fluids. 2002. Volume 33, pp. 181 – 187. 56. Скорнякова Н.М. Применение теневого фонового метода // Оптические методы исследования потоков: труды X Межд. науч-технич. конференции. М.: Изд-во МЭИ, 2009. С. 66 – 71. 57. Venkatakrishnan, L., Meier, G.E.A. Density measurements using the background oriented schlieren technique // Exp. Fluids, 2004. Volume 37 (2), pp. 237– 247. 58. Современные оптические методы исследования потоков: Коллективная монография / под ред. Б.С. Ринкевичюса – М.: Оверлей. 2011 – с. 360, ил. 32 с. 59. Скорнякова Н.М. Теневая фоновая визуализация испарения жидкости с твердой поверхности // ХI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. – Электрон. дан. – М.: МЭИ (ТУ), 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Доклад №16, 12 с. – ISBN 978-5-9902974-1-8 – № гос. регистрации 0321101669. 149 60. Mizukaki T. et al. Quantitative visualization of open-air explosions by using background-oriented schlieren with natural background // 28th International Symposium on Shock Waves, 2012. Pp 465-470. 61. Hargather M. J., Settles G. S. Natural-background-oriented schlieren imaging // Exp. Fluids, 2010. Volume 48, pp 59–68. 62. Kirmse T. et al. Application of particle image velocimetry and the background-oriented schlieren technique in the high-enthalpy shock tunnel Göttingen // Shock Waves, 2011. Volume 21, issue 3, pp 233-241. 63. Hargather M. J. Background-oriented schlieren diagnostics for large-scale explosive testing // Shock Waves, 2013. Volume 23, pp 529–536. 64. L. Venkatakrishnan, P. Suriyanarayanan, G. Jagadeesh Density field visualization of a Micro-explosion using background-oriented schlieren // Journal of Visualization, August 2013, Volume 16, Issue 3, pp 177-180 65. T. Mizukaki Visualization of compressible vortex rings using the backgroundoriented schlieren method // Shock Waves, December 2010, Volume 20, Issue 6, pp 531-537 66. Frédéric Moisy, Marc Rabaud, Kévin Salsac A synthetic Schlieren method for the measurement of the topography of a liquid interface // Experiments in Fluids, June 2009, Volume 46, Issue 6, pp 1021-1036 67. Зайцев Д.В. Термокаппилярный разрыв стекающей пленки жидкости: Автореф. … дис. кан. физ.-мат. наук. – Новосибирск, 2003. – 24 с. 68. Tokgoz S. et al. Temperature measurements inside a thin fluid layer with background-oriented schlieren method // 15th International Symposium on Flow Visualization. June 25-28, 2012. Minsk, Belarus. 69. Шашкова И.А., Скорнякова Н. М. Программа для фильтрации изображений «Image Editor 2». РОСПАТЕНТ. Cвидетельство №2014663117 от 16.12.2014. 70. Удалов А.В. Аппаратно-программный комплекс теневого фонового метода для натурных исследований: диссертация кандидата технических наук: 05.11.07. – Москва, 2010. – 112 с. 150 71. Markus Raffel, Christian E. Willert, Steve T. Wereley, Jürgen Kompenhans, Particle Image Velocimetry, Springer, 2007. 72. М. Борн, Э. Вольф Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. М.: «Наука», 1973. – 720 с. 73. Сайт компании по разработке систем визуализации «CANIMPEX Enterprises» http://candigicam.cpx-solutions.com. 74. Сайт компании по производству цифровых камер для применения в различных отраслях промышленности «Basler» http://www.baslerweb.com. 75. Сайт компании по производству высокоскоростных видеокамер «Fastec Imaging» http://www.fastecimaging.com. 76. Сайт компании по производству лабораторного оборудования «Альтами» http://altami.ru. 77. Сайт компании по производству оптических компонентов «Navitar» http://www.navitar.com. 78. Поройков А.Ю., Boden F., Kirmse T., Ринкевичюс Б.С., Скорнякова Н.М., Шашкова И.А. Исследования точности измерений динамических деформаций методом корреляции фоновых изображений // Автометрия, Т. 50, №5 2014. С. 56 – 65. 79. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Экспериментальные исследования процесса испарения горизонтальной пленки жидкости // Восемнадцатая Междунар. науч.- технич. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: Тез. докл. В 4 т. Т. 1. М.: МЭИ, 2012. – С. 178. 80. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Визуализация процесса испарения капель жидкости теневым фоновым методом // Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – С. 130 – 131. 81. Павлов И.Н. Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости: диссертация кандидата технических наук: 05.11.07 – М., 2013 . – 109 с. 151 82. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Визуализация вихрей Марангони в капле жидкости // II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. – С. 38 – 39. 83. Коренченко А.Е., Илимбаева А.Ж., Бескачко В.П. Численное исследование поведения лежащей капли на нагретой плоскости // Вестник ЮУрГУ, № 34, 2012. С. 92–97. 84. Шашкова И.А. Оптико-электронный комплекс диагностики процесса испарения жидкости // Актуальные вопросы развития науки: сборник статей Международной научно-практической конференции в 6 ч. Ч.1 / отв. ред. А.А. Сукиасян. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2014, С. 214-220. 85. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Визуализация паров жидкости теневым фоновым методом // Глобальный научный потенциал. № 12(45), 2014. С. 99 – 103. 86. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Оптическая визуализация загрязняющих атмосферу веществ // Лазеры. Измерения. Информация. Т. 3. СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2011. – С. 306–313. 87. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Визуализация течения тонкой пленки жидкости на наклонной поверхности // 8-ая всероссийская конференция с элементами молодежной научной школы "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение". Саранск: Изд-во Морд. ун-та, 2009. С. 95-96. 88. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Оптимизация визуализации быстропротекающих процессов на основе теневого фонового метода // XVI МНТКСА "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Т. 1. М.: Изд-во МЭИ, 2010. С. 190. 89. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Экспериментальная визуализация пленочного течения жидкости на основе теневого фонового метода // Лазеры, измерения, информация. Труды конференции 1-3 июня 2010 года. С-Пб.: Издательство Политехнического ун-та, 2010. С. 90. 90. Шашкова И.А., Скорнякова Н.М. Моделирование картин теневого фонового метода для пленочного течения жидкости по наклонной поверхности // 152 XVII МНТКСА "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Т. 1. М.: Издво МЭИ, 2011. С. 179. 91. Шашкова И.А. Моделирование изображений теневого фонового метода через пленку жидкости \\ Оптические методы исследования потоков: ХI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. – Электрон. дан. – М.: МЭИ (ТУ), 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Доклад №10, 6 с. – ISBN 978-5-9902974-1-8 – № гос. регистрации 0321101669. 92. Шашкова И.А. Визуализация пленочного течения жидкости методом анемометрии по изображениям частиц \\ Оптические методы исследования потоков: ХII Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. – Электрон. дан. – М.: НИУ «МЭИ», 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Доклад № 2-10, 5 с. – ISBN 978-5-91940-663-1 – № гос. регистрации 0321302584. 153 ПРИЛОЖЕНИЕ А 154