Введение к работе
Актуальность работы. Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пристеночном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования процессов в пристеночном слое жидкости.
Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло далеко вперед развитие интерферометрических методов, открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС- фотоприемников существенно повысило качество и скорость получения и обработки оптических изображений и позволило автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д.
Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это позволило визуализировать общую картину течения и измерять скорость потока по эффекту Доплера, а также наблюдать влияние оптически неоднородного потока на характер распространения в нем лазерного пучка. Также был предложен лазерный рефрактографический метод (ЛАРЕФ-метод) исследования оптически неоднородных потоков с использованием лазерных пучков специальной формы, при этом регистрация рефракционных картин ведется с помощью специализированных цифровых видеокамер с последующей компьютерной обработкой.
Эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НІШО), на котором основывается разработанный в данной работе метод, известен давно, и на нем базируются довольно чувствительные методы измерения показателей преломления различных сред. В работе предлагается использовать его для визуализации картины распределения показателя преломления в пристеночных слоях прозрачных жидкостей с оптическими неоднородностями.
В последнее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике и теплообмену в микросистемах, вызванный интенсивным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. Не потеряла своей актуальности и задача об испарении капли жидкости в окружающий газ, несмотря на большое количество выполненных по этой теме исследований. Возросший в последнее время интерес к процессам самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей привел к необходимости разработки и применения различных методов для диагностики этих процессов.
В данной работе для исследования процессов смешения жидкостей в микроканалах, а также для визуализации фазовых переходов и температурных градиентов в капле жидкости на горизонтальной подложке применяется метод, основанный на явлении НПВО.
Цель работы. Основной целью работы является разработка оптико- электронного комплекса визуализации оптически неоднородных пристеночных слоев жидкости на основе метода нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка и выявление особенностей протекания физических процессов в пристеночном слое жидкости. С этой целью необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих методов исследования оптически неоднородных сред и измерения показателя преломления.
-
Разработать метод визуализации физических процессов в пристеночных слоях жидкости на основе явления НІШО.
-
Создать экспериментальные установки для визуализации движения жидкости в микроканалах, а также для исследования физических процессов в капле жидкости на горизонтальной подложке.
-
Разработать алгоритмы и программы обработки картин визуализации.
-
Провести экспериментальные исследования и обработать полученные изображения.
Научная новизна работы.
-
-
Разработан новый метод исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, основанный на явлении нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка, позволяющий получать пространственное распределение показателя преломления и связанных с ним физических параметров жидкости в зависимости от времени, в отличие от известных оптических методов, основанных на использовании узких и сфокусированных пучков, которые позволяют получать локальное значение показателя преломления.
-
Впервые проведены экспериментальные исследования по изучению динамики физических процессов, таких как перемешивание, испарение, охлаждение, кристаллизация, в пристеночном слое жидкости толщиной несколько сотен нанометров с помощью нарушенного полного внутреннего отражения.
-
Разработаны оригинальные алгоритмы обработки картин визуализации процессов в пристеночных слоях жидкости для получения количественной информации о физических процессах в пограничных слоях прозрачной жидкости.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Созданный оптико-электронный комплекс, принцип работы которого основан на явлении НІШО, позволяет визуализировать оптические неоднородности на расстоянии порядка сотен нанометров от поверхности измерительной призмы.
-
Установка «Виджитек-1», входящая в состав созданного оптико- электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы течения и перемешивания жидкостей в микроканалах.
-
Установка «Виджитек-2», входящая в состав созданного оптико - электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации и перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке.
-
Реализованные алгоритмы обработки полученных картин визуализации позволяют получить численные характеристики исследуемых объектов и процессов.
Практическая ценность работы. Разработанный оптико-электронный комплекс может быть использован для исследования различных физических процессов, приводящих к изменению показателя преломления в пограничных слоях прозрачной жидкости, в частности, при появлении градиентов температуры, концентрации и др. Комплекс позволяет визуализировать развитие во времени процессов в пограничном слое жидкости толщиной порядка сотен нанометров, а также получать пространственное распределение показателя преломления жидкости по границе раздела.
Методика обработки полученных изображений может быть использована для других оптических методов исследования, использующих цифровые средства регистрации и обработки экспериментальных данных.
Реализация и внедрение результатов работы. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП "Научные и научно- педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0449 и № 14.740.11.0594), НИР, выполняемой в рамках госзадания № 7.3732.2011 «Закономерности распространения светового излучения в слоистых и случайно неоднородных трехмерных средах» и грантам РФФИ № 10-08-00936 «Диагностика пристеночного слоя жидкости методами лазерной рефрактографии и полного внутреннего отражения» и № 12-08-31208 «Лазерная диагностика кристаллизации растворов и фазовых переходов в пограничных слоях жидкости».
Достоверность полученных результатов
Теория разработанного метода основывается на известных положениях физической оптики и широко используемых принципах обработки изображений. Показана воспроизводимость результатов исследования при многократном повторении экспериментов. Результаты обработки полученных экспериментальных изображений с целью определения показателя преломления жидкостей сравнивались с результатами определения показателя преломления тех же жидкостей с помощью рефрактометра ИРФ-454 Б2М. Среднеквадратичное отклонение составило не более 0,5%.
Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на 11 конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011), 20-я Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт- Петербург, 2010), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (Москва, 2011), 15th International Symposium on Flow Visualization (Минск, 2012), 10-я и 11-я Всероссийские (с международным участием) конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011 и 2012), Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике (Москва, 2011 и 2013), Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» (Москва, 2011), XVII и XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 и 2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, в том числе 7 работ без соавторов. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 109 машинописных страниц, включая 72 рисунка, 1 таблицу, 63 наименования списка литературы.
Похожие диссертации на Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости
-
