Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор и сравнительный анализ оптических методов и средств контроля характеристик импульсных дисперсных потоков 26
1.1. Объект исследования и основные характеристики импульсных дисперсных потоков 26
1.2. Анализ методов контроля характеристик двухфазных потоков 42
1.3. Средства и методы контроля дисперсного состава частиц в импульсных потоках 57
1.4. Средства и методы контроля скорости и пространственных параметров импульсных дисперсных потоков 66
1.5. Выбор и обоснование основных направлений диссертационных исследований 76
Глава 2. Теоретические основы разрабатываемых методов контроля импульсных дисперсных потоков 80
2.1. Математические модели импульсных дисперсных потоков 80
2.2. Взаимодействие светового излучения с дисперсными частицами 93
2.3. Распространение света в струе распыленной жидкости 105
2.4. Методы обработки изображений 113
2.5. Выводы по главе 119
Глава 3. Метод и стенд оптического контроля дисперсного состава импульсного потока распыленного топлива
3.1. Модель расчета траекторий движения капель распыленной жидкости в потоке воздуха 120
3.2. Оценка изменения траекторий капель и их размеров
за счет испарения 128
3.3. Метод контроля дисперсного состава струи распыленного топлива 133
3.4. Экспериментальный стенд контроля дисперсного состава струи распыленного топлива «ФАКЕЛ-Д» 137
3.5. Система регистрации оптического излучения на базе устройства усиления сигналов УСП-16 145
3.6. Результаты контроля дисперсного состава потока распыленного топлива 153
3.7. Выводы по главе 160
Глава 4. Методы и приборы контроля скоростных характеристик дисперсных потоков 161
4.1. Распыление жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания 161
4.2. Метод контроля скорости струи распыленного топлива 164
4.3. Метод контроля скорости массопереноса импульсного дисперсного потока 173
4.4. Оценка погрешностей при регистрации скоростных характеристик дисперсных потоков 179
4.5. Стенды контроля скоростных характеристик топливных струй 185
4.6. Результаты контроля скоростных характеристик струи распыленного топлива 193
4.7. Стенд контроля неравномерности подачи топлива по отверстиям в распылителе 206
4.8. Выводы по главе 209
Глава 5. Метод и стенд контроля качества распылителей 210
5.1. Особенности струйного смесеобразования в дизеле 210
5.2. Метод контроля качества распыливания потоков жидкости 215
5.3. Обоснование и выбор системы регистрации изображений импульсных дисперсных потоков 218
5.4. Стенд оптического контроля пространственно-временных характеристик топливных струй «ФАКЕЛ-КИТС» 224
5.5. Описание лабораторной установки регистрации параметров рабочего процесса ДВС 241
5.6. Результаты оптического контроля изображений струй распыленного
топлива и характеристик рабочего процесса ДВС 246
5.7. Выводы по главе 256
Глава 6. Контроль параметров импульсного дисперсного потока в процессе детонационно-газового напыления 258
6.1. Определение харектеристик системы ввода изображения VS-CTT-285 258
6.2. Метод контроля яркостной температуры объекта 266
6.3. Особенности пирометрии импульсных дисперсных потоков напыляемых частиц 270
6.4. Стенд контроля скоростей и яркостных температур частиц
в потоке ДГН 275
6.5. Контроль яркостных температур частиц в потоке ДГН 279
6.6. Контроль скоростей частиц в импульсном потоке детонационного напыления 282
6.7. Выводы по главе 290
Выводы по диссертации 292
Заключение 295
Литература
- Средства и методы контроля скорости и пространственных параметров импульсных дисперсных потоков
- Распространение света в струе распыленной жидкости
- Метод контроля дисперсного состава струи распыленного топлива
- Оценка погрешностей при регистрации скоростных характеристик дисперсных потоков
Средства и методы контроля скорости и пространственных параметров импульсных дисперсных потоков
Личный вклад автора. Автором формировались основные принципы и положения исследований по теме диссертации, он принимал непосредственное участие в постановке новых задач, планировании экспериментов, создании аппаратурных стендов, проведении натурных экспериментов. Автору принадлежит идея постановки основных теоретических задач, участие в анализе и интерпретации результатов расчётов, инициатива проведения и реализация ряда экспериментов, основная идея большинства изобретений.
При участии автора выполнены и защищены три диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук (Карпов И.Е. «Исследование характеристик импульсных двухфазных потоков на основе эффектов распространения света в полидисперсных средах», Барнаул, 2002; Огнев И.В. «Улучшение показателей рабочего процесса дизеля интенсификацией впрыска топлива», Барнаул, 2003; Клочков А.В. «Разработка метода и комплекса экспресс регистрации дисперсности потока распыленной жидкости», Барнаул, 2005).
Диссертация состоит из введения, шести глав, списка используемой литературы и приложения. Общий объём работы составляет 332 страницы машинописного текста, 129 рисунков, 9 таблиц. Библиография включает 324 наименования.
В первой главе приводится описание импульсного дисперсного потока как объекта контроля. В начале главы рассмотрены основные зависимости, позволяющие описывать характеристики процесса распыливания топливной струи: скорость струи, средний диаметр и виды распределений капель по размерам.
Анализируются методы и устройства измерения и контроля параметров трехмерных ансамблей частиц в импульсных двухфазных потоках, составляющих предмет дисдрометрии, таких как скорость, дисперсный состав, применительно к струе распыленной жидкости; выбираются оптические методы, применение которых возможно к задаче контроля качества распыливания топлива. Приводится описание распространенных схем экспериментальных установок и стендов, реализующих измерение и контроль характеристик, как потоков напыляемых частиц, так и струй распыленного топлива.
При промышленном изготовлении топливных и других распылителей небольшие отклонения от паспортных размеров составляющих деталей, узлов, как правило, приводят к ухудшению качества распыливания. Согласно требованиям ГОСТ 10579-88, при визуальном наблюдении впрыскиваемое топливо должно быть туманообразным, без сплошных струек и легко различимых местных сгущений, что проконтролировать без специальных приборов практически невозможно.
При разработке методов и устройств контроля характеристик импульсных дисперсных потоков жесткие требования накладывают технологические условия протекания процессов. В процессе распыливания топлива дизельной форсункой в атмосфере - малая длительность процесса 6-10" с со средней скоростью от 20 до 300 м/с и дисперсным составом капель топлива от 5 до 120 мкм. В детонационно-газовом напылении - широкий разброс гранулометрического состава исходного порошка 10-120 мкм, а, следовательно, и разброс температур частиц в газовом потоке 700-2000С, фоновое излучение газового потока, нагретого до температуры порядка 2000-4000С, скорость частиц порошка 100-1000 м/с, время единичного цикла напыления 5-10" с.
В заключении главы сформулированы задачи исследования, стоящие перед автором, преимущества и недостатки рассмотренных методов для выработки методов оптического контроля характеристик импульсных дисперсных потоков.
Во второй главе рассматриваются модели импульсных дисперсных потоков как объектов контроля. Используя критериальный подход А.С. Лышевского к описанию аналитической модели процесса распыливания топлива, приведены математические формулы определения основных ее параметров. Топливный поток рассматривается как тело вращения конусообразной формы с соответствующим распределением концентраций, плотностей, интенсивностей и скоростей капель в зависимости от расстояния между сопловым отверстием и исследуемым сечением и расстояния от оси потока до исследуемой области или капли.
Начальный участок струи соответствует зоне, где происходит распад струи жидкости и дробление капель. Длина этого участка для струи дизельного топлива в атмосферных условиях составляет 4-6 см, где оптические методы и средства контроля параметров струи в рамках поставленных задач исследования не применяются. В дальнейшем, на основе литературных данных полагается, что капли на основном участке не дробятся и не сливаются, расстояние между каплями больше их среднего размера. При распространении пучка электромагнитного излучения (света) в слое частиц распыленной жидкости его мощность на выходе изменяется в соответствии законом Бугера-Ламберта-Бера (далее Бугера). В главе приводится обоснование применимости закона Бугера и на его основе приводится модель расчета концентраций капель в струе распыленного топлива. На основе изображений топливных струй, полученных на стенде «Факел-КИТС» (глава 5), проводился расчет функции оптической плотности по сечению струи, критерий согласованности которой с функцией плотности нормального распределения составил R2=0,992.
В третьей главе приводится описание метода и экспериментального стенда контроля дисперсного состава струи распыленного топлива. Метод основан на аэродинамической сепарации капель топлива по размерам и оптической регистрации относительной массы капель в заданных оптических сечениях.
Распространение света в струе распыленной жидкости
На рис. 1.7 приведена схема прибора, реализующего ММУ для определения функции распределения по размерам частиц в осесимметричной плазменной струе, содержащей напыляемые частицы [121]. Луч света от лазера 1, пройдя через коллиматор 2, рассеивается на частицах, вводимых в струю 3, собирается объективом 4 на неподвижной горизонтальной щели 5. С помощью вращающегося диска 6 с вырезанными в нем радиально расположенными щелями рассеянный на частицах свет сканируется по углу рассеяния (3. Линза 7 собирает свет, прошедший через щели 6 и 5 на катоде фотоумножителя 8, перед которым размещен узкополосный интерференционный фильтр 9, пропускающий свет на длине волны лазера. Регистрируемый аналоговый сигнал с помощью согласующего устройства поступает на вход модуля АЦП и интерфейс, находящиеся в блоке 10, и в ЭВМ 11. Для улучшения отношения сигнал/шум щель 5 имеет форму двух острых углов величиной 3 с общей вершиной, находящейся на оптической оси прибора. Ширина сканирующей щели 6 равна 0,4 мм. Такой подход позволяет за один оборот двигателя 13, регистрируемый датчиком оборотов 12, получать п пар симметричных индикатрис (п - число щелей на вращающемся диске 6). Типичный вид индикатрисы в запыленной плазменной струе приведен на рис. 1.8 [121]. Полученные экспериментальные данные для выбранного сечения гетерофазной плазменной струи обрабатываются в два этапа: во-первых, рассчитывается локальная индикатриса для каждой кольцевой зоны струи; во-вторых, решается обратная задача ММУ для каждой кольцевой зоны, в результате чего получаем локальную функцию распределения частиц по размерам.
Другим примером двухфазного быстропротекающего потока является поток частиц топлива, распыленного форсункой в камере сгорания двигателя. Сложность получения дисперсионной характеристики распыливания обусловлена большой быстротечностью процесса развития топливного факела (порядка 4-6 мс), большим числом образующихся капель (до нескольких десятков миллионов), большой скорости движения ( 100 м/с) и разбросом геометрических размеров (1-100 мкм) [13].
В устройстве для контроля качества распыливания дизельными форсунками, описанном в [156] (рис. 1.9) на основе ММУ, луч лазера 1 с длиной волны А,=0,6328 мкм и шириной луча 3 мм после диафрагмы 2 проходит через исследуемую область дисперсного потока 3 и регистрируется ФЭУ 5, на баллоне входного окна которого для исключения попадания не рассеянного излучения нанесена непрозрачная маска 4. Блок питания 9 вырабатывает необходимое для работы ФЭУ напряжение питания. Величина сигнала на выходе ФЭУ, регистрирующаяся запоминающим осциллографом 6, зависит от величины и количества капель. Этот же сигнал подается на пороговое устройство 7, дополненное исполнительным механизмом 8, что позволяет автоматизировать процесс селекции распыляющих устройств. Величина электрического сигнала ФЭУ относительна, и потому для контроля нестабильности работы прибора вместо исследуемого потока периодически помещают эталонное рассеивающее стекло, тем самым, калибруя прибор на известный показатель рассеяния.
Известны устройства, применяющие в качестве приемников рассеянного светового излучения различные датчики на основе фотодиодных и Госструктур в виде линеек или матриц [4, 154, 194]. Так в устройстве для определения функции рассеяния капель в топливном потоке, описанном в [310], детектор состоит из тридцати концентрически расположенных полукольцевых фотоэлементов.
Для энергоустановок с несколькими распыляющими устройствами в камере сгорания применяют методы многолучевого селективного зондирования [125]. Через пространство топки пропускается несколько пересекающихся световых пучков так, что они одновременно проходят через несколько потоков распыленного топлива. В качестве фотоприемников здесь так же рассмотрена возможность применения фотодиодных матриц, ПЗС линеек.
На основе ММУ с применением фоточувствительных эмульсий разработана установка [38], осуществляющая съем и обработку информации о количественном и качественном составе импульсного потока топлива, распыленного дизельной форсункой. Здесь рассеянный световой поток от импульсного лазера регистрируется на фотопленку, которую после проявления просвечивают сфокусированным непрерывным световым потоком и регистрируют ФЭУ. Сигнал с ФЭУ заносится в память ЭВМ синхронно с движением фотопленки на координатном столике, управляемым специальным блоком. Тарировка описанного способа проводилась на абразивных порошках [60]. На рис. 1.10 изображены три функции распределения водных суспензий порошка М40П при различных концентрациях и эталонная функция распределения. Точность вычислений по описанной методике - 10%.
Функции распределения частиц по размерам: 5 - диаметр частицы; N - общее число частиц; ns - число частиц диаметра 5; х -концентрация N=103 шт/см3; А - концентрация N=104 шт/см3; о -концентрация N=10 шт/см ; - эталонная функция распределения.
На рис. 1.11 представлена оптическая схема двухлучевой голографической установки с боковым опорным пучком [193]. Импульсный луч лазера 1 длительностью 30 не полупрозрачным зеркалом 2 разделяется на сигнальный 3 и опорный 11 лучи. Отраженный от зеркала 4 луч 3 расширяется коллиматором 5, проходит через дисперсный поток 6, объектив 7 и точечную диафрагму 8, после чего попадает на фотопластинку 9, на которую через коллиматор 10 попадает и опорный луч 11, отразившийся от зеркал 12 и 13. В результате на фотопластинке 9 фиксируется голограмма. Синхронизация момента пуска лазера и требуемой фазы развития дисперсного потока осуществляется специальным блоком. С помощью описанной установки была получена характеристика распыливания дизельного топлива в атмосферу четырехдырчатой форсунки ЯМЗ-238Н с диаметром сопла dc=0,36 мм и давлением впрыска Рвпр ІВ МПа (рис. 1.12). Общее число измеренных капель 550, погрешность измерения составляет 5 мкм.
Метод контроля дисперсного состава струи распыленного топлива
Для не поглощающих частиц (%«0) усредненный фактор эффективности ослабления полидисперсной среды не зависит от функции распределения f(5), а определяется р32 [310].
Описание световой волны, прошедшей через среду, делится в зависимости от свойств среды на три больших раздела волны в средах, представляющих собой распределение в пространстве множества частиц, называемых случайными облаками дискретных рассеивателей. Примером могут служить дождь, град, туман, смог. волны в средах, свойства которых непрерывно меняются случайным образом во времени и в пространстве, то есть волны в сплошных случайных средах: выхлопные струи двигателей, турбулентность атмосферного воздуха, океана и т. д. рассеяние волн на шероховатой поверхности: поверхность океана, планет, границы раздела между различными средами.
Логично предположить, что дисперсный поток, образующийся в результате распыливания жидкости в окружающей среде (газе), представляет собой случайное облако дискретных рассеивателей - капель жидкости. Рассматривая световую волну в среде, содержащей случайное облако дискретных рассеивателей, переходят к двум предельным случаям: разряженное и плотное облако. В разряженных облаках, когда плотность частиц мала, используют приближение однократного рассеяния (рис. 2.5.а). В этой ситуации полагается, что очень небольшое число частиц находится на пути световой волны и рассеянная волна описывается однократным рассеянием на частицах. При увеличении плотности частиц (рис. 2.5.6) необходимо учитывать затухание вдоль пути распространения волны из-за поглощения и рассеяния. Здесь используется первое приближение многократного рассеяния. Таким образом, при распространении световых монохроматических волн в случайных средах с невысокой плотностью частиц используют либо приближение однократного рассеяния, либо теорию многократного рассеяния в первом приближении, либо приближение Рытова. С увеличением плотности среды случайных рассеивателей возрастает роль некогерентной интенсивности рассеянного излучения по сравнению с когерентной при малой плотности частиц, и начинают сказываться эффекты многократного рассеяния (рис. 2.5.в) [34, 139, 288].
Теорию многократного рассеяния рассматривают с двух сторон: аналитической и теории переноса энергии в среде. Аналитический подход строится на основе дифференциальных уравнений Максвелла и волнового уравнения с характеристиками рассеяния и поглощения частиц, учитывая эффекты дифракции и интерференции волн. Теория переноса эвристически построена на непосредственно переносе энергии в среде со случайными рассеивателями. Случай, изображенный на рис. 2.5.г, относится к рассеянию волны на шероховатой поверхности. Однако практически невозможно построить теорию, учитывающую все эффекты.
При прохождении через среду часть световой энергии рассеивается, а часть поглощается, и световая волна с оставшейся энергией выходит из среды и регистрируется фотоприемником. Измеряя ослабление световой волны средой, можно измерить и концентрацию частиц. На рис. 2.6 представлена оптическая схема прибора для измерения ослабления. Чтобы быть уверенным, что рассеянный свет не попадает на фотоприемник, у источника помещается линза 3, однако, полностью этого достичь не удается: любым прибором, применяемым на практике, измеряется ослабленное излучение и некоторое количество излучения, рассеянного под малыми углами. Эти углы определяются диафрагмами 2, 5 перед источником 1 и входными щелями 8, 9 перед приемником излучения 10.
Для частиц, размеры которых больше длины волны, дифрагированный или рассеянный свет концентрируется вблизи направления падающего излучения и часть его попадает на входной зрачок фотоприемника. Увеличивая размер частиц до размеров апертуры фотоприемника, видимый коэффициент ослабления уменьшается от двойного геометрического сечения до значения этого сечения. Подробнее этот эффект описывается в соответствующей литературе по распространению излучения в дисперсных средах [29, 39, 301]. Если размер апертуры фотоприемника значительно больше размера частиц, тогда видимый коэффициент ослабления равен удвоенному значению геометрического сечения частиц, для тех, размер которых больше длины волны зондирующего излучения.
Оценка погрешностей при регистрации скоростных характеристик дисперсных потоков
Рассеивание капель по сечению потока происходит по следующим причинам: турбулентность потока и топливной струи; случайные отклонения в начальных условиях; слабое продувание потоком начального участка струи. Представляя распределение капель с заданным диаметром как диффузию капель от точечного источника в виде нормального распределения, авторы [235] рассчитали из экспериментальных данных среднеквадратичное смещение капель а с различным диаметром (рис. 3.6). Как видно из графика, смещение капель увеличивается с увеличением координаты х (рис. 3.2) и слабо убывает с увеличением б. Для прямоструйной форсунки характер рассеяния подобный, и для 8=100 мкм и х=0,5 м С7ктахда5 см, что учитывается при расчете максимального количества оптических сечений в разработанном методе ( 3.4).
При распылении топлива форсункой образуется спектр капель, который разобьем на группы со средним диаметром 8; в интервале каждой группы. В результате движения капель и рассеяния их относительно средних расчетных траекторий будем иметь в сечении у набор кривых распределения (рис. 3.7).
Количество капель диаметром 8; зависит от доли капель в функции распределения С(8). Регистрируя количество капель известного диаметра в заданных сечениях оптическим способом, можно получить гистограмму распределения капель по размерам в сечении струи, что составляет основу предложенного метода контроля дисперсного состава капель струи распыленного топлива [69, 73].
Теория диффузионного испарения капли рассматривалась многими авторами и в наиболее общей форме была разработана Варшавским Г.А. В настоящее время нет надежного метода расчета испарения капли. Различные подходы к описанию процессов испарения во внешней среде связаны как с числом Кнудсена для пара, так и с механизмом переноса массы, импульса и энергии около микросферы. Перенос массы может быть в зависимости от интенсивности испарения и условий во внешней среде диффузионным или газодинамическим. В настоящее время опубликовано большое число работ, посвященных изучению процессов испарения и конденсации микросфер в различных режимах, например, проблемы испарения неподвижных или движущихся капель [36, 37]. Задача испарения одиночной микросферы в среде с заданными параметрами впервые была рассмотрена Максвеллом в 1877г. В сферически симметричной задаче в предположении, что пар отводится в окружающую среду за счет диффузии с учетом непрерывности потока молекул, плотность потока пара с поверхности jm записывается в следующем виде где np n - концентрации пара в близи поверхности сферы и на бесконечности.
При такой постановке предполагается, что пар у поверхности капли всегда насыщен. Однако подобное предположение справедливо, только если скорость поступления пара с поверхности капли достаточно велика по сравнению со скоростью диффузии. Кроме того, поверхности испарение наиболее активных молекул приводит к тому, что капля охлаждается относительно температуры окружающей среды. Поэтому концентрация насыщенного пара вблизи будет определяться не температурой окружающего газа, а неизвестной температурой ее поверхности Ts.
Поскольку зависимость ns(T) экспоненциальная, то погрешность в определении температуры приводит к значительной погрешности при расчете массового потока. Для большей реалистичности модели испарения необходимо учесть кинетику процесса взаимодействия молекул пара с поверхностью жидкой фазы [285]. Используя для пара уравнение состояния идеального газа и принцип детального равновесия, можно записать соотношение для плотности потока молекул пара с поверхности (формула Герца-Кнудсена) jm(T)=- MEL, (з.і2) где: ps(T) = nskT- давление насыщенных паров при температуре Т; М-масса испаряющихся молекул; осс- коэффициент конденсации, равный вероятности захвата жидкой поверхностью молекулы пара. Расчет испарения капли в атмосфере горячих газов наиболее правильно проводить по количеству подведенной к жидкости теплоты, затраченной на испарение. Расчет испарения по скорости диффузии паров ненадежен из-за невозможности точного определения давления паров у поверхности жидкости.
В предположении о сферичности капли и неподвижности окружающего газа, для теплового потока от сферической внешней зоны к поверхности жидкости можно записать балансовое уравнение QnoB=-4 r2 —=-[гисп+спр(Т-Тпов)]Оп, (3.13) где Qn0B-тепловой поток к поверхности; Gn- поток паров с поверхности капли; гисп-удельная теплота испарения жидкости с - теплоемкость паров, Тпов- температура поверхности. В соотношении (3.13) учтен расход теплоты, как на испарение, так и на нагрев пара до окружающей температуры. После интегрирования (3.13) в пределах сферической пленки с учетом Gn = const и Qn0B = const, в случае постоянных X, гисп, и спр, с и выражения для
По существу данный вывод относится к случаю сравнительно больших скоростей обтекания капель потоком. Однако полученные формулы дают правильный порядок величины и при неподвижной среде, когда Nu=2. Уравнение (3.15) выражает закон Срезневского - линейную зависимость квадрата диаметра испаряющейся капли по диффузному механизму от времени.
Для решения уравнения (3.15) необходимо знать давление насыщенного пара жидкости при температуре, значение которого в зависимости от рода жидкости определяется либо непосредственно в справочной литературе, либо рассчитывается теоретически исходя из термохимических характеристик исследуемой жидкости [12].
