Введение к работе
В нястоящсіі работе, выполненной автором в 1987 - 1996 годах, гредложены полые методы лазерного зондирования аэрозольных ютоков для контроле параметров таких потокоп как в аэрозольных ехнологиях, так и в охране окружающей среды. Разработаны, пготовлены и проведены исследования лабораторных макетов для ізмереппя скорости, концентрации н распределения частиц по размерам ; воздушном потоке реального цементного аэрозоля. В основу [редлагаемых методов и систем контроля положено дистанционное азерное зондирование потока с помощью лазерного доплеровского иемомегра, лазерно - искрового анализатора частиц и аэрозольного ндпра.
Актуальность темы
Аэрозольные потоки широко распространены п природе и [грают важную ролі, во многих современных технологиях. Течение аза плп жидкости со взвешенными в них дисперсными частицами [аходнт и уже нашло практическое применение в деятельности еловска.
Аэрокосмическая техника и двигатслестроенне, атомная
иергетпка и метеорология, химические технологии п охрана
кружающей среды н многие другие области используют законы
пнамнкн двухфазных сред. Физика гетерофазных потоков
резкычайпо сложна - в основные уравнения йходнт, как правило, ;слый ряд эмпирических зависимостей и констант. Поэтому при селсдовапин таких потоков важную ролі» играют экспериментальные [етоды. Экспериментальная информация об основных параметрах онденспровапных частиц - концентрации, дисперсности, скорости и емпературе - не только позволяет оценить степень адекватности сальному процессу принятой для его описания физической модели, о п в большинстве случаев является необходимой в качестве сходных данных для проведения расчетов рабочих процессов в отсрешых устройствах. Поэтому многообразие существующих [етодов диагностики в физике гетерофазных систем трсЗуст щатсльнон оценки пх возможностей и границ применимости, и лавнос, правильного выбора н экспериментальной реализации птималыюго метода измерения для решения конкретной задачи.
Все экспериментальные методы можно разделить на два больших
класса - бесконтактные и зондовые методы. Бесконтактные методы
сегодня являются наиболее перспективными, так как их основное
преимущество перед зондовыми - отсутствие возмущений исследуемого
потока. Применимость зондовых методов для диагностики
высокотемпературных потоков вообще представляется
проблематичной.
Бесконтактные методы объединяют три группы, различающиеся
по длине волны используемого излучения - оптические, рентгеновские и
радиоактивные. Мощным импульсом для широкого внедрения
оптических бесконтактных методов и разработки новой
измерительной техники стало освоение промышленного производства лазеров различных типов с уникальными свойствами его излучения.
Из всего многобразня методов и систем для исследования аэрозольных потоков для. решения проблемы контроля параметров воздушного потока реального цементного аэрозоля в технологических условиях или условиях рассеяния в атмосфере были ^ выбраны лазерный доплеровский анемометр, аэрозольный лпдар и лазерно - искровой анализатор частиц.
Проведенный анализ состояния этой проблемы показывает, что применяемые для такого контроля устройства и метода требуют детального исследования их метрологических характеристик и влияния на них условий эксплуатации. Проведение таких исследований позволит уменьшить погрешность измерений п повысить их достоверность, а применение автоматизированных измерительных комплексов увеличить производительность и сократить ручной труд в рутинном контроле воздушных потоков цементных частиц.
Цель работы
Общей задачей настоящей работы было создание на основе лазерного зондирования бесконтактных дистанционных методов и систем контроля параметров аэрозольных потоков.
Для этого необходимо:
1. Выполнить теоретический аналіз проблемы измерения
параметров аэрозольных потоков методами лазерного
дистанционного зондирования - лазерным доплеровекпм
анемометром, аэрозольным лидаром и лазерно - искровым анализатором частиц.
2. Разработать и изготовить лабораторный макет этих систем
и проведение на них экспериментальных исследовании модельных
объектов н воздушных потоков реального цементного аэрозоля.
3. Разработать и изготовить автоматизированную
измерительную системы для экспериментальной работы.
4. Разработать оптимальные алгоритмы процедуры измерений.
5. Сделать анализ полученных результатов и их оценку.
Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Экспериментальные исследования режимов измерений ЛДА
показали возможность определения скорости, концентрации частиц
и их распределения по размерам в воздушном потоке цементного
аэрозоля с высокой точностью. Причем измерения скорости и счетной
концентрации частиц являются абсолютными, не требуют калибровки
и их точность зависит лишь от параметров ЛДА.
-
Полученные результаты исследований ОП в воздушном потоке цементных часищ показывают возможность использования пороговых параметров ОП, таких как пороговая мощность, вероятность ОП и интенсивность свечения плазмы ОП для измерения концентрации частиц в таких потоках. Результаты исследований динамики лазерной искры в аэрозольном потоке свидетельствуют, что плазма ОП локализована в прост])апстве, хотя точка пробоя можег случайным, образом изменять свое положение. Спектр излучения плазмы состоит из двух компонет: сплошной и интенсивной с временем свечения 50 не и линейчатой слабосветященея, но долгоживущей ( до 2000 не ) компоненты, характер которой зависит от химического состава аэрозоля.
-
Для аэрозольного лндара получена линейная зависимость между счетной концентрацией частиц цементного аэрозоля и коэффициентом обратного рассеяния Мн, что подті^>ждается н результатами расчетов по лндярному уравненшо. Кроме того, экспериментальные исследования показали, что по измеренному значению коэффициента обратного рассеяния можно определить и
величину мощности источника частиц цементного аэрозоля, по эта зависимость носит квадратичный характер.
-
Разработан и изготовлен лабораторный макет для дистанционного исследования зависимостей параметров ОП и коэффициента обратного рассеяния Ми от характеристик воздушного потока частиц реального цементного аэрозоля. Макет включает в себя аэрозольный лидар и лазерно - искровой анализатор частиц, а также независимый от них пылевой стенд с генератором часі ни и ЛДА для контроля аэрозольного потока. Для регистрации и обработки сигналов лидара, анализатора и ЛДА была разработана и изготовлена измерительных системы на базе ПК типа IBM PC AT/ 486.
-
Отдельные части и узлы этого макета могуч4 служить прототипом экспериментального образца, что подтверждено использованием аэрозольного лпдара для экспериментального зондирования атмосферы над промышленным районом в г. Новороссийске с метеорологической дашлюспло видимости 30 км в приземном слое на высоте 20 м.
Основные положения, выносимые ип защиту
-
Анализ п экспериментальные исследования доплсровского сигнала в рассеянном частицами реального цементного аэрозоля излучения Не Ne лазера показали, что скорость и счетная концентрация частиц могут быть измерены по амплитудным и частотным параметрам этого рассеянного излучения.
-
Измерения концентрация частиц возможны по измеренным параметрам ОП в воздушном потоке цементного аэрозоля в поле интенсивного (до IО18 Вт/м2) лазерного импульса длительностью !0 не на длине волны 1.06 мкм, а именно пороговой мощности, вероятности пробоя и интенсивности свечения плазмы ОП в видимой ( 350 - 550 нм ) области спектра, причем динамика спектра этого свечения несет информацию об элементном составе частиц аэрозоля.
3. Аэрозольный лидар может служить для измерения счетной
концентрации цементных частиц в аэрозольном потоке, а также
мощности источника этих частиц, на расстояниях зондирования до 2 км
с пространственным разрешением 7.5 м ( время измерешш - 50 пс).
7 Приоритет результатов
Основные результаты, по которым сформулированы научные положения, получены впервые.
Апробации работы
Результаты настоящей работы докладывались: па Всесоюзной конференции " Фундаментальные исследоваїгая и новые технологии в строительном материаловедении " в Белгороде в 1989 г.,
на 14 и 15 Всесоюзных конференциях " Высокоскоростная фотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов " в Москве, ВНИИОФИ.в 1989и 1991 гг.,
на Научно - технической Конференции " Экологические проблемы застройки Крыма" в Севастополе в 1990 г.,
на Международной Конференции по измерительной технике "MERA-91" в Москве в 1991.,
на 9 Научно - технической Конференции "Фотометрия и се метрологическое обеспечение" в Москве, ВНИИОФИ, и 1992 г., на Российской Аэрозольной Конференции в Москве в 1993 г., на Международных Аэрозольных Симпозиумах в Москве в 1994,1995 и 1996 гг.,
на Первой Международной Конференцій! по коммерциализации экологических технологий и Москве в 1994 г.,
па Международной Школе - Семинаре - Выставке "Лазеры и современное приборостроение" в Санкт-Петербурге в 1993 и 1995 г.
Публикация результатов диссертации
Основное содержание диссертации отражено в 8 статьях, 2 авторских свидетельствах и 14 тезисах докладов.
Объем и структура диссертации
