Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Общая характеристика проблемы и обзор методов ее решения 11
1.1 Характеристики дисперсности частиц 11
1.2 Оптические методы 14
1.2.1.1 Метод спектральной прозрачности 20
1.2.1.2 Метод малоуглового рассеяния 21
1.2.1.3 Метод полной индикатрисы 23
1.2.1.4 Лидарный метод 25
1.2.2 Методы измерения среднего размера и концентрации частиц 27
1.2.2.1 Модифицированный метод спектральной прозрачности 27
1.2.2.2 Метод измерение среднего размера и концентрации частиц в осесимметричных двухфазных потоках 28
1.3 Сравнительная оценка и выбор метода измерения дисперсных параметров аэрозолей 30
1.4 Заключение по главе 1 33
Глава 2 Модифицированный метод малоуглового рассеяния 34
2.1 Математическая модель метода 34
2.2 Метод определения функции распределения 42
Глава 3 Аппаратура и методика исследований дисперсных параметров аэрозольного загрязнения 44
3.1 Лазерный измерительный комплекс диагностики аэрозоля ЛИД-2...44
3.1.1 Описание аппаратной части 44
3.1.2 Описание программного обеспечения 48
3.1.3 Методика исследований дисперсных параметров смоделированных аэрозольных загрязнений 53
3.2 Апробация разработанного метода на аэрозольных загрязнений различной природы 55
3.2.1 Система создания модельного облака аэрозоля 55
3.2.2 Измерение параметров частиц твердого аэрозоля и сравнение результатов ЛИД-2 с другими методами 58
3.2.3 Результаты исследования жидкокапельного аэрозоля и сравнение с результатами других методов 66
3.3 Перспективы развития разработанного метода 69
3.4 Заключение по главе 3 71
Заключение 1 72
Список использованных источников 73
Приложение А 80
Приложение Б 84
- Метод спектральной прозрачности
- Метод измерение среднего размера и концентрации частиц в осесимметричных двухфазных потоках
- Описание аппаратной части
- Результаты исследования жидкокапельного аэрозоля и сравнение с результатами других методов
Введение к работе
Актуальность работы
На всех стадиях своего развития человек тесно связан с окружающим миром Гидросфера, атмосфера и литосфера Земли в настоящее время подвергаются нарастающему антропогенному воздействию Наиболее масштабным и значительным является загрязнение среды не свойственными ей веществами природы Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения Во многих технологических процессах образуются мелкие твердые или жидкие частицы, которые могут оказывать вредное воздействие на человека
Часто в лабораторной практике требуется в реальном времени измерять процессы зарождения пылевого облака и его изменение во времени в ограниченном объеме (1 3 м ) Требования к оперативности контроля уровня загрязненности исключают применение известных методов оценки размеров частиц путем отбора проб
Актуальность работы, таким образом, заключается в разработке оптического метода измерения дисперсного состава техногенного аэрозоля, что позволит создать мобильный экспресс-анализатор оценки динамики запыленности атмосферы жидкими и твердыми микрочастицами, способный провести анализ в заданном месте без влияния на измеряемый объект в любой момент времени
Цель работы
Разработка бесконтактного метода измерения дисперсного состава аэрозоля во всем контролируемом объеме на основе закономерностей рассеяния излучения и создание лазерной установки для исследования генезиса техногенных загрязнений
Задачи исследований
Обосновать выбранный за основу метод малоуглового рассеяния - метод анализа измеренной индикатрисы рассеяния
Разработать математическую модель рассеяния зондирующего излучения в слое аэрозоля и на ее основе разработать метод определения функции распределения частиц по размерам
Обеспечить аппаратурную и программную оснащенность метода выбор источника зондирующего излучения, разработка блока регистрации излучения и создание программного обеспечения автоматизированной обработки измерительной информации
Выбрать аппаратуру и устройства для апробации разработанной установки и имитаторов аэрозолей со стандартизированными свойствами
Разработать методику проведения экспериментов
Обеспечить экспериментальную проверку работоспособности метода и методики для оценки параметров аэрозолей различной природы
Объектом исследования является метод измерения дисперсного состава аэрозоля, позволяющий без влияния на исследуемую среду в процессе ее генезиса производить оценку распределения частиц по размерам с высоким временным разрешением
Методы исследования. Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы Тео-
ретические исследования проводились путем математического моделирования взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием измерительного микроскопа и ситового анализа Исследования проводились в одной из экспериментальных лабораторий ИПХЭТ СО РАН (г Бийск) Научная новизна
Предложена новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от ограниченного слоя аэрозоля, позволяющая повысить информативность метода малоуглового рассеяния
Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозолей, что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния
Разработана и сконструирована схема лазерной измерительной установки, отличающаяся возможностью проведения анализа генезиса аэрозольных сред различной природы, начиная с момента их образования
Экспериментально доказана возможность применения разработанного метода для всех жидких и твердых сыпучих материалов
Практическая ценность состоит в возможности использования лазерной установки экспресс-анализа генезиса аэрозольных сред в лабораторной и промышленной практике для аналитического контроля техногенных загрязнений, а также для экологического мониторинга
Реализация и внедрение
Разработанный метод и лазерная установка определения дисперсных параметров аэрозолей применяется при выполнении тематических работ в ИПХЭТ СО РАН Модернизация лабораторной установки для малосерийного производства позволит внедрить установку для экспериментальных исследований в других организациях
К защите представлены
Математическая модель рассеяния коллимированного лазерного излучения в ограниченном аэрозольном слое
Метод и лазерная измерительная установка анализа генезиса дисперсного состава аэрозолей, позволяющая получить функцию распределения частиц различной природы по размерам в диапазоне от 1 до 100 мкм
Методика проведения измерений
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью,
применением современной высокоточной исследовательской техники, ее тщательной калибровкой,
хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных с помощью разработанного метода, с данными, полученными одновременно другими известными методами, а также воспроизводимостью полученных результатов
Публикации
По материалам исследований диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, разработана методика измерений
Апробация работы
Материалы работы обсуждались на научно-технических семинарах лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов и лаборатории материаловедения минерального сырья ИПХЭТ СО РАН, а также на различных конференциях, среди них XII Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics Atmospheric Phisics" (Tomsk Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2005), II International Workshop HEMs-2006, September 11-14, 2006, Beloku-nkha, II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г Бийск, сентябрь 2005 г), Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (г Бийск, сентябрь 2006 г), V Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г Томск, 3-5 октября 2006г), XIII рабочая группа "Аэрозоли Сибири" (г Томск, 28 ноября -1 декабря 2006 г)
Личный вклад
Автору принадлежат основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработка физико-математической модели взаимодействия лазерного излучения со слоем аэрозоля, метода и аппаратуры для экспресс-анализа дисперсности аэрозолей
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений Общий объем диссертации 86 страниц текста, диссертация содержит 29 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований
Метод спектральной прозрачности
Метод спектральной прозрачности основан на измерении спектрального коэффициента пропускания 7 аэрозольной системы в некотором диапазоне длин волн зондирующего излучения [36]. Исходным для данного метода является уравнение, выражающее закон Бугера для полидисперсной системы частиц nCJ 1( к) = 10(Х)-ехр -JQ(a,m)D2f(D)dD (17) Для случая, так называемых "мягких" частиц, модуль комплексного показателя преломления которых близок к единице (\т\; і), в работах К.С.Шифрина [37, 39] получено аналитическое решение C+/QO -±Т J (l + p)cos -y(p)D-?dp (18) /И с-ісо Ґ 4AJ где у(р)= JT(v$)v pdv, о v = AT1;p = 27t(/w-/). Метод спектральной прозрачности применим в области, где зависимость фактора эффективности ослабления от X наиболее сильно выражена (в области до первого максимума функции Q). Устойчивое решение возможно, если прозрачность (спектральный коэффициент пропускания) определена во всем интервале длин волн 0 X со. Тем не менее, если учитывать асимптотику поведения x(v3) (например, при vP 0 взаимодействие излучения со ере 21 дой описывается в приближении Рэлея, а при vj3 — оо ив приближении геометрической оптики), то требуемый интервал А можно сузить, руководствуясь соотношениями max=5pD0. ] При этом в интервале Amin А Атах достаточно произвести порядка 20 - 30 измерений на равноотстоящих значениях А.
Данный метод требует знание априорной информации о природе аэрозоля. Техническая реализация метода связана с использованием перестраивае-мых по длине волны лазеров на органических красителях, которые не позволяют покрыть требуемый диапазон длин.
Для прозрачных (п =0) крупных (а 30) частиц фактор эффективности рассеяния, который при этом является и фактором эффективности ослабления, стремится к постоянному значению Qp = Q = 2, то есть частица рассеивает в два раза больше лучистой энергии, чем попадает на ее поперечное сечение. Значения Qp (и соответственно Q) могут превышать единицу. Это означает, что частица рассеивает большую мощность, чем мощность падающего на ее геометрическое сечение излучения. Например, для капель водного аэрозоля {п = 1.33) при а = 6.5 (D = 2X) достигается максимальное значение Qp =5 = 3.48. Физическая причина этого парадокса заключается в том, что облучаемая частица вызывает возмущение электромагнитного поля падающего излучения на расстоянии большем, чем ее геометрический размер [39]. Наличие поглощения сглаживает осцилляции функции Q(a, т), но и для поглощающих частиц ?(а, т) —» 2 с увеличением а. Половина рассеянного излучения приходится на дифрагированную составляющую, которая не зависит от материала частицы и рассеивается в направлении распространения зондирующего излучения в угловом конусе тем меньшем, чем больше размер частицы.
Техническая реализация метода малых углов возможна двумя способами. С помощью конденсора формируется параллельный пучок, по всей длине которого происходит светорассеяние на частицах. Измерения проводятся в фокальной плоскости приемной линзы. В первом случае на оси системы в фокальной плоскости линзы устанавливается диафрагма с переменным диаметром отверстия; угол рассеяния 0 определяется диаметром отверстия и фокусным расстоянием приемной линзы. Изменяя диаметр отверстия, можно получить малоугловую "интегральную" индикатрису. Во втором случае приемник излучения с малым угловым разрешением перемещается в фокальной плоскости приемной линзы, обеспечивая тем самым измерение малоугловой "дифференциальной" индикатрисы. Пределы применимости метода малых углов по размерам частиц ограничены снизу условием корректности (а 1); для А, = 0.55 мкм, например, Dmin 2 мкм. Со стороны больших размеров ограничение определяется техническими возможностями оптико-электронного прибора. Для крупных частиц дифрагированная составляющая индикатрисы направлена вперед в узком конусе (8-а-1) и ее трудно отделить от зондирующего пучка; на практике Dmax =100 мкм.
Использование рассеяния излучения в обратном направлении (0 = 180) выделяется в отдельную группу методов, ввиду возможности построения схем дистанционной диагностики аэрозоля. Большой вклад в развитие ли-дарных методов внесли работы Института оптики атмосферы СО РАН, г. Томск [18]. Принцип действия лидара заключается в следующем. Короткий импульс, длительностью 10 с, узконаправленного (в телесном угле 10 рад) лазерного излучения направляется на исследуемый объект. Приемный телескоп, расположенный рядом с излучателем, собирает рассеянное в обратном направлении излучение на входе приемника излучения. По характеристикам полученного сигнала определяется расстояние R до исследуемого объекта.
Метод измерение среднего размера и концентрации частиц в осесимметричных двухфазных потоках
Реальные закрученные потоки, как правило, неоднородны [42]; вследствие центробежных сил частицы разной массы "расслаиваются" и в ка 29 ждой радиальной зоне потока формируются свои значения концентрации и дисперсности частиц. В случае осесимметричного течения возможно определение лазерным методом радиальных распределений D32(r) и ст(г).
Если для рассматриваемого потока выполняется условие независимости Q от вида функции распределения (Q однозначно определяется величиной Оз2 при фиксированной Л), то из решения системы (30) можно найти искомые зависимости, D32(r) и ст(г). Данный способ легко распространить на случай монодисперсного потока (при этом с помощью сканирования на одной длине волны можно определить радиальное распределение концентрации частиц).
Таким образом, задача определения пространственного распределения параметров осесимметричного двухфазного течения сводится к решению интегрального уравнения Абеля. Данный метод тоже позволяет определить только Вз2(г) и ст(г). Оптические методы исследования являются наиболее удобными, поскольку они не требуют введения в исследуемый объект зондов и не искажают его, позволяют вести непрерывные дистанционные измерения по определению размеров и концентрации частиц непосредственно в потоке [18, 21,36]. Преимущество этих методов состоит в том, что для широкого диапазона интенсивностей оптического излучения отсутствуют возмущения в объек 31 те исследования. Кроме того, оптические методы измерения дисперсных характеристик могут быть легко автоматизированы как с точки зрения проведения эксперимента, так и обработки экспериментальных данных, при условии использования современной вычислительной техники.
Спектральной прозрачности Оценка функции распределения и концентрации. Требует определения коэффициента пропускания во всем интервале длин волн 0 X оо. Либо в интервале A,min ?t ?imax, где требуетсяпроизвести порядка 20-30 измерений на равноотстоящих значениях X. Техническая реализация метода затруднительна - требует применения перестраиваемых по длине волны лазеров.
Малоуглового рассеяния Оценка функции распределения и концентрации без предварительной информации о физических свойствах вещества Данный метод очень требователен к точности определения индикатрисы рассеяния, в связи с этим может быть некорректно решена задача восстановления функции распределения. Техническая реализация проста Продолжение таблицы 1 2 3 Полной индикатрисы Оценка функции распределения Требует проводить измерения почти во всем диапазоне углов рассеяния. Лидарный Оценка микроструктуры аэрозоля Обратное рассеяние очень мало. Требует применения особо чувствительного приемника излучения. Измерения радиального распределения параметров осе-симметричного двухфазного потока Оценка 1 з2 и концентрацииі Применимость метода ограничена размерами сканирующего механиз-ма. Данный метод тоже позволяет определить только Вз2(г) и ст(г). Из таблицы 1 следует, что для поставленной цели работы наиболее приемлемым является метод малоуглового рассеяния, достоинством которого является простота реализации, а также отсутствие требований к химическому составу анализируемого аэрозоля, что весьма полезно для универсальной измерительной установки исследования генезиса дисперсных потоков различной природы. Однако, данный метод требует обеспечения точности определения индикатрисы рассеяния, исключения ошибок измерения, появление которых может приводить к некорректному решению восстановления функции распределения частиц по размерам.
Обзор существующих методов показал, что наиболее приемлемым способом измерения параметров аэрозоля является модифицированный метод малоуглового рассеяния (МММР), поскольку в литературе известны только решения по восстановлению функции распределения частиц по размерам по обращению уравнения (20) интенсивности рассеянного излучения от элементарного объема частиц, требуется решить следующие задачи: 1. Разработать математическую основу метода, математическую мо-дель взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем дисперсной среды. 2. Разработать метод определения индикатрисы рассеяния для получения суммарной индикатрисы рассеяния от всей измерительной линии. 3. Разработать установку для использования в лабораторной и производственной практике для оценки аэрозольных полей с частицами любого агрегатного состояния. 4. Автоматизировать процесс измерения для возможности проведения исследований генезиса техногенных аэрозоля.
Метод относится к обратным методам оптики аэрозолей, в данном методе функция распределения частиц по размерам определяется путем решения серии прямых задач оптики аэрозолей, что позволяет уменьшить требования к точности измерения индикатрисы рассеяния.
Для построения оптических моделей облаков аэрозолей и расчетов характеристик рассеяния выбирают соответствующие законы распределения частиц /(D) . Для различных состояний облака аэрозоля вычисляются полидисперсные коэффициенты рассеяния для данных функций распределения по размерам, которые затем сравниваются с экспериментально измеренными значениями.
Рассмотрим модель, основанную на теории переноса излучения в виде узкого коллимированного пучка лазера через туман, облака и другие сильно рассеивающие среды, на примере частного случая для рассеяния под малыми углами, представленную на рисунке 4. Предполагается, что концентрации и функции распределения частиц по размерам частиц в каждой точке слоя одинаковы.
Уравнения (35) и (36) описывают поток излучения, рассеянного под углом в из единичного объема dv облака частиц. В соответствии со схемой измерения (рисунок 4) необходимо учитывать излучение, рассеянное из каждой точки внутри аэрозольного облака вдоль зондирующего луча. При этом dv=Sdx, где S - площадь поперечного сечения луча лазера.
При решении обратных задач оптики грубодисперсных сред обычно [39] исходят из предположения однократности рассеяния. Но в силу некорректности обратной задачи [49], даже относительно малые отклонения от принятой модели приводят к значительным ошибкам восстановления функции распределения частиц взвеси по размерам. Одним из явлений, искажающих измеряемое световое поле, является многократное рассеяние.
Для учета интенсивности многократно рассеянного излучения и оценки условия применимости модели однократного рассеяния предполагается, что рассеивающая среда состоит из сферических частиц с параметром р»1 и образует плоский слой с оптической толщиной т « Тр{тр - оптическая тол 39 щина слоя, для которого реализуется глубинный режим излучения). Зондирующее излучение является параллельным монохроматическим потоком, нормальным к плоскости раздела; преломление и отражение на границе пренебрежимо мало, источники излучения в слое отсутствуют.
Описание аппаратной части
Измерительный комплекс ЛИД-2 предназначен для исследования генезиса параметров дисперсности полей аэрозолей с момента зарождения и последующего процесса развития и основан на регистрации суммарной интенсивности рассеянного лазерного излучения на дисперсных частицах.
В состав комплекса входят следующие приборы и устройства (рисунок 8) [52-55]: - измерительная камера объёмом 1 м ; - излучатель: гелий-неоновый лазер HRP050 с длиной волны 0,632 мкм мощностью 5 мВт или HRP120 мощностью 12 мВт (тип лазера выбирается в зависимости от оптической плотности объекта исследования); - регистрирующий блок, состоящий из 7 фотодиодов типа ФД-24К, смонтированных на одном основании; - измерительный 8-канальный усилитель марки У-8 ; - АЦП фирмы L-Card L783 и персональный компьютер; - программное обеспечение для регистрации и обработки измерительной информации для определения счётной и массовой функции распределения частиц по размерам. Частота записи измеренных данных - 100 кГц. Время выдачи расчетной функции - 10-И 20 секунд.
Излучение лазера ориентировано под углом 90 к одной из граней измерительного объема, модулировалось с частотой 80 Гц и направлялось через рассеивающую среду. Поток оптического излучения, рассеянного под разными углами, регистрируется линейкой фотодиодов, которая расположена в плоскости, перпендикулярной лучу лазера. Линейка позволяет регистрировать рассеянное излучение под углами 0,3-ь20 относительно луча лазера. Для длины волны 0,632 мкм использовались кремниевые фотодиоды ФД-24К с чувствительной площадкой порядка 50 мм2.
Для построения фотодиодной линейки использовались близкие по чувствительности фотодиоды. Для учета отклонений уровня сигналов введены поправочные коэффициенты для каждого фотодиода.
Калибровка фотодиодов в линейке осуществлялась с помощью разработанной системы измерения отклика на калибровочный сигнал. Схема калибровки представлена на рисунке 11. Запись и обработка измерительной информации осуществлялась с помощью специального программного обеспечения для АЦП и разработанного программного обеспечения, использующего модель, описанную в главе 2. 3.1.2 Описание программного обеспечения
Для восстановления функции распределения из зарегистрированного сигнала на фотодиодную линейку было разработано программное обеспечение [57 - 59] на основе физико-математической модели, представленной в главе 2 (основные формулы (37) и (52)).
Для прямого поиска задаются два диапазона параметров распределения a, b и количество шагов перебора данных диапазонов. На рисунке 13 представлено основное окно ввода данных программы. Основные вводимые данные: - диапазон [alfamin,alfamax] - параметр а функции распределения; - диапазон [bmjn,bmax] - параметр Ъ функции распределения; - длина волны зондирующего излучения; - задаются точки измерения на плоскости Д расстояния от оси луча до соответствующей точки. Окончив перебор в заданном диапазоне параметров, программа выдает значения а и Ъ гамма-распределения, при которых функционал (52) минимален. Проверка работоспособности программного обеспечения проходила путем задания функции распределения, нахождения для данной функции расчетной индикатрисы рассеяния, наложения на индикатрису случайного шума и восстановления функции распределения методом прямого поиска.
Расхождение результата связано с размером шага перебора: чем меньше шаг перебора параметров, тем меньше отклонение от заданной функции распределения. В данном случае ошибка в определении параметров перебора составляет менее 1%, а ошибка определения размерных характеристик распределения - менее 0,2%.
Теперь рассмотрим случай, когда в индикатрису внесены отклонения от заданной величины. Было проведено по 20 расчетов для каждого значения вероятности разброса, ниже приведены средние значения вычислений. 1. На индикатрису рассеяния наложен шум, вероятность разброса в ка ждой точке ±1%. а= 0,0152; о=1,3894; 6=0,1894; Дг=7,33; i2=23,17; 2) =28,45. Ошибка в определении параметров перебора составляет в среднем 6,3%). При этом ошибка определения размерных характеристик распределения в среднем 3,2%. 2. На индикатрису рассеяния наложен шум, вероятность разброса в ка ждой точке ± 5%. а=0,0161; #=1,3442; 6=0,1857; 0=7,24; DJ2=23,40; «=28,78. Ошибка в определении параметров перебора составляет в среднем 8,8%, а ошибка определения размерных характеристик распределения — в среднем 4,3%. 3. На индикатрису рассеяния наложен шум, вероятность разброса в каждой точке ± 10%. а= 0,0168; «=1,1784; 6=0,1593; Дг=7,40; 32=26,23; Аз=32,51. Ошибка в определении параметров перебора составляет в среднем 20%, а ошибка определения размерных характеристик распределения - в среднем 17%. Данные результаты показывают требования к точности измерения индикатрисы рассеяния: ошибка измерения индикатрисы рассеяния не должна превышать ± 5% от истинного значения.
Результаты исследования жидкокапельного аэрозоля и сравнение с результатами других методов
Измерения проводились в измерительной камере объемом 1 м , заполненном аэрозолем, полученным с помощью импульсного пиротехнического распылительного устройства, использовалась та же схема эксперимента, что и для твердых частиц, представленная на рисунке 16. Применимость метода для исследования жидко-капельного аэрозоля проверена на воде, в создании модельной аэрозольной среды использовался распылитель, схема которого приведена на рисунке 14. Так как жидкость способна испаряться со временем, вместо предметных стекол взята белая бумага, а распыляемая жидкость подкрашивалась красителем [63]. Эксперимент с жидко-капельным,аэрозолем дублировался с помощью разработанного сотрудниками ИПХЭТ СО РАН метода отпечатков измерения дисперсности (приложение Б). Были проведены исследования облака жидко-капельного аэрозоля, получены гистограммы распределения частиц по размерам, представленные на рисунке 26. Метод измерения отпечатков является приблизительным и дает завышенные размеры частиц, поскольку предметные экраны воспринимают поток интегрально за все время развития процесса, и возможно взаимное наложение частиц.
Из графика видно, как происходит уравновешивание изменения дисперсного состава созданного аэрозольного облака со временем. Особый интерес представляет случай, когда аэрозоль способен быстро менять свое дисперсное состояние, что не позволяет использовать методы отбора и накопления капель. К таким веществам относятся быстроиспаряю-щиеся жидкости. Разработанная установка использовалась в ИГТХЭТ СО РАН для исследования дисперсных параметров аэрозольного облака, созданного в заданном объеме. Дальнейшее развитие метода связана в возможности определение концентрации частиц в облаке аэрозоля по ослаблению излучения и рассчитанной функции распределения частиц по размерам по формуле т \.5-l-Q(D32y Здесь D32 определяется из найденной разработанным методом функции распределения частиц по размерам; х - рассчитывается по измеренным данным ослабления лазерного излучения; / - длина взаимодействия лазерного излучения с аэрозолем; Q - усредненные фактор эффективности ослабления. - лазер; 2 - сканирующее устройство; 3 - оптическая система; 4 - исследуемый поток; 5 - фотодиодная линейка; 6 - приемник излучения. Рисунок 29 - Схема измерения факела распыла Дополнение установки сканирующей системой (рисунок 29) позволит применить разработанный метод и установку для исследования факела распыла в различных сечениях. 3 А Заключение по главе З 1 Разработана лазерная измерительная установка ЛИД-2 для определения дисперсных параметров аэрозоля в объеме. Проведена настройка аппаратурной части установки. 2 Разработан метод и программное обеспечение, реализующее метод определения функции распределения частиц по размерам методом прямого поиска. 3 Проведена оценка работоспособности метода и проведена апробация на мелкодисперсных аэрозольных частицах различной природы.
Показано, что разработанный метод и аппаратура малоуглового рассеяния позволяет с достаточной точностью определять параметры аэрозоля, генезис распределения частиц в объеме, включая момент образования аэрозоля и его изменение при длительном времени существования, обеспечивая таким образом мониторинг.
Схема метода обладает повышенной информативностью, поскольку используется рассеянное излучение на аэрозоле со всего объема взаимодействия луча с двухфазным потоком. 1. Разработана новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от слоя аэрозоля, обладающая большей информативностью за счет регистрации рассеянного излучения от всего объема, взаимодействующего с лазерным излучением. 2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозо-лей,1 что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния. 3. Сконструирована и реализована лабораторная лазерная измерительная установка, позволяющая проведение экспресс-анализа генезиса аэрозольных потоков различной природы в заданном объеме. 4. На основе разработанного программного обеспечения автоматизирован процесс измерения динамики изменения аэрозольного поля с частотой 100 кГц, позволяющий определять параметры аэрозоля, генезис распределения частиц в объеме с момента образования аэрозоля и его изменение при длительном времени существования. 5. Проведены экспериментальные исследования разработанным методом дисперсного состава мелкодисперсных порошков алюминия, песка, мела и органических частиц. Сравнение с другими методами доказало работоспособность разработанного модифицированного метода малоуглового рассеяния по определению дисперсных параметров аэрозольных облаков в заданном объеме с погрешностью 54-15%. 6. Применение метода для исследования генезиса жидких и легкоиспа-ряющихся аэрозолей показало возможность использования метода для контроля и мониторинга аэрозолей различной природы.
