Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Развитие оптических методов исследований высокотемпературных сред в задачах о тепло- и массобмене стимулируется важными техническими приложениями. Так, практически все современные технологические операции сопровождаются процессами тепло-и массообмена. При исследовании процессов тепло- и массообмена одной из основных задач диагностики является бесконтактное и безинерционное определение полей плотности, температуры, концентрации как в ламинарных, так и турбулентных течениях жидкости, газа н плазмы. В настоящее время отсутствуют универсальные методы таких измерений, поэтому разработка и компьютерный анализ новых оптических схем и методов применительно к высокотемпературным теплофизическим средам и объектам является актуальной научной задачей. При этом особой привлекательностью обладают методы, основанные на анализе результатаов взаимодействия лазерного излучения со средой. Такие методы являются высокоинформативными, бесконтактными и безинерционными и в большинстве случаев позволяют регистрировать информацию непосредственно в памяти ПЭВМ.
В настоящей работе анализируются два важных класса таких методов, основанных на регистрации как действительной, так и мнимой частей комплексного показателя преломления. Первый из этих методов основан на резонансном зондировании исследуемой среды лазерным излучением с частотой, совпадающей с одной из резонансных частот молекулярной среды (метод лазерного спектрографа). Второй метод основан на регистрации действительной части показателя преломления с использованием техники спекл-фотографии. Оба метода являются новыми и позволяют проводить бесконтактную диагностику различных современных технологических процессов. Актуальность этих методов обуславливается также быстрым развитием вычислительной техники и ПЗС-структур, позволяющих автоматизировать измерения в реальном времени, и накапливать и анализировать информацию непосредственно в ЭВМ.
Связь работы с научными программами, темами. Разработанные теоретические модели и полученные в диссертации результаты расчетов связаны с выполнением текущих бюджетных проектов АНК ИТМО (Энергетика -2.14 (1991-1995), Энергетика-13 (1996-2000), Механика (1996-2000), Плазма -3.23 (1991-1995), Плазмодинамика (1996-2000), Диагностика-23 (1996-2000)), а также проекта Международного научного центра RWB 000 (1991), совместного проекта Белорусского правительства и Международного научного центра RWB 300 ("Спекл-томография течений"), проекта TNTAS 93-0344 ("Развитие оптических методов диагностики полей температур и
скоростей") (1993-1996), проекта Отдела охраны окружающей среды НАТО HTECH.LG 961001 ("Расчетно-экспериментальное моделирование эффективности сжигания топлива в теплоэнергетических установках") (1996-1998), Совместного проекта INTAS и Белорусского правительства FNTAS-BELA 97 (проект № 83, "Спекл-фотография течений жидкостей и газов") (1998-2000), и проектов Фонда фундаментальных исследований РБ (ЖП4-166 "Разработка фундаментальных проблем численного моделирования и диагностики эффективности промышленного сжигания мазутов и газов на основе методов реконструктивной томографии" (1992-1994), № Ф95-149 "Разработка научных основ диагностики искажений волновых фронтов в лазерно-активных средах методами спекл-интерферометрии" и № Т97-291 "Спекл-томография плазменных течений").
Цель и задачи исследования. Целью настоящей диссертации является построение теоретической модели и численное моделирование на ее основе методов диагностики теплофизических состояний, основанных на регистрации взаимодействия зондирующего лазерного излучения с исследуемой средой. В работе ставились следующие задачи:
построение теоретической модели резонансного поглощения излучения СО2 - лазера в углекислом газе при высоких температурах и давлениях;
численное моделирование диагностики СОг содержащих сред с помощью лазерного спектрографа, работающего на преходах 001 - 100 , 01х1 - ll'0,00 - 101 (10,4 мкм), 001 - 020 (9,6 мкм);
определение передаточных коэффициентов и точности измерений теплофизических параметров в области высоких температур и давлений с использованием техники лазерного спектрографа;
построение расчетно-теоретической модели распространения лазерного излучения в неоднородных средах в приближении геометрической оптики;
численное моделирование методов спекл-фотографии на основе построенной модели и оценка точности определения теплофизических параметров;
- расчет трехмерных корреляционных функций теплофизических
величин по измеренным методами спекл-фотографии двумерным
функциям углов отклонения зондирующего излучения с использованием
интегральных преобразований Эрбека-Мерзкирша и определение
микромасштабов турбулентности.
Объект и предмет исследования. Объектом настоящего исследования
является процесс взаимодействия лазерного излучения с
высокотемпературными теплофизическими объектами с целью выяснения
возможностей диагностики теплофизических параметров методами спектрографа и спекл-фотографии. Предметом исследования являются теплофизические характеристики высокотемпературных теплофизическими объектов, получаемые в результате взаимодействия резонансного и нерезонансного лазерного излучения с исследуемой средой.
Методология и методы проведенного исследованя. Методология исследования основана на компьютерном моделировании физических процессов, протекающих при взаимодействии лазерного излучения с исследуемой средой. Для описания процессов резопапспого поглощения привлекалась модель прямого суммирования всех линий переходов (с учетом контура), вносящих вклад в поглощение на данной частоте зондирующей линии. Описание переноса нерезонансного излучения проводилось в рамках приближения геометрической оптики как для ламинарных, так и турбулентных течений исследуемых сред. В расчетах использовались трехмерные турбулентные поля теплофизических величин, полученные в результате прямого численного моделирования турбулентности д-ром Т.Герцем (Германия). В результате расчетов определялись двумерные поля углов отклонения световых лучей, прошедших через исследуемую среду, и по ним, с использованием интегральных преобразований Эрбека-Мерзкирша, определялись искомые трехмерные поля теплофизических величин.
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна результатов, полученных в настоящей диссертационной работе, заключается в следующем:
построена модель резонансного поглощения в углекислом газе в области высоких температур и давлений, основанная на прямом суммировании вкладов отдельных линий поглощения;
на основе построенной модели впервые проведено численное моделирование поглощения зондирующего излучения лазерного спектрографа, работающего на преходах 001 - 100 , 01'l - ll'o, 002 -101 (10,4 мкм), 001 - 020 (9,6 мкм);
впервые определены передаточные коэффициенты измерений теплофизических параметров в области высоких температур и давлений с использованием техники лазерного спектрографа;
построена расчетно-теоретическая модель распространения лазерного излучения в неоднородных средах, как в ламинарных, так и в турбулентных течениях, в приближении геометрической оптики. Для турбулентных течений такой подход использован впервые;
впервые проведено численное моделирование методов спекл-фотографии на основе построенной модели и оценка точности определения теплофизических параметров;
проведены расчеты трехмерных корреляционных функций
теплофизических величин и определены микромасштабы турбулентности
по измеренным методами спекл-фотографии двумерным функциям углов
отклонения зондирующего излучения с использованием интегральных
преобразований Эрбека-Мерзкирша. Для турбулентных течений с
ударными волнами такие расчеты проведены впервые в мире.
Практическая значимость полученных результатов. Полученные результаты исследования нашли следующее научное применение. Расчетно-теоретическая модель резонансного поглощения в углекислом газе использовалась в АНК ИТМО НАНБ при проведении плановых исследований лазерно-активных сред по программе "Лазер - 2", а также в Институте проточных машин Польской академии наук (г. Гданьск) при исследовании мощного проточного лазера на углекислом газе с элетроразрядным способом возбуждения (см [9] ). Расчетно-теоретическая модель распространения нерезонансного излучения в неоднородных средах использовалась в Университете г. Эссен, Германия, при обработке экспериментально полученных спеклограмм турбулентных течений с ударными волнами (см. [12-17,22,25] ).
Экономическая значимость полученных результатов. Экономическая значимость полученных результатов заключается в том, что разработанные компьютерные программы позволяют рассчитать характеристики взаимодействия зондирующего лазерного излучения с высокотемпературными теплофизическими объектами, значительно сократив таким образом затраты на натурные эксперименты.
Основные положения диссертации, выносимые на зашиту. На защиту выносятся следующие положения:
модель резонансного поглощения в углекислом газе в области высоких температур и давлений;
результаты численного моделирования поглощения зондирующего излучения лазерного спектрографа, работающего на переходах 00 1 - 100, Ol'l - ll'O,002 - 101 (10,4 мкм), 001 -020 (9,6 мкм);
передаточные коэффициенты измерений теплофизических параметров в области высоких температур и давлений с использованием техники лазерного спектрографа;
расчетно-теоретическая модель распространения лазерного излучения в неоднородных средах, как в ламинарных, так и в турбулентных течениях, в приближении геометрической оптики;
результаты численного моделирования методов спекл-фотографии на основе построенной модели и оценка точности определения теплофи-зических параметров;
методика и результаты расчетов трехмерных корреляционных функций теплофизических величин и микромасштабов турбулентности по измеренным методами спекл-фотографии двумерным функциям углов отклонения зондирующего излучения с использованием интегральных преобразований Эрбека-Мерзкирша.
Личный вклад соискателя. Изложенные в диссертации результаты получены автором лично на основе разработанных ею моделей и компьютерных кодов. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель принимала участие как в постановке задачи исследования, так и в проведении конкретных вычислений, анализе и обсуждении результатов.
Апробация результатов диссертации. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на
Ш Int. Conference «Plasma Physics and Plasma Technology» (Минск, Интситут молекулярной и атомной физики НАНБ, 2000), V Научно-технической конференции «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 1999), SPIE'99 Conference «Optical Diagnostics for Fluids/ Heat/Combustion and Photomechanics for Solids», (Denver, 1999), 17th ICDERS'99 (17th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems), (Heidelberg, 1999), Международной конференции "ICMAR'98" (Новосибирск, ИТПМ РАН, 1998), 8th Int. Symposium on Flow Visualization (Sonento, Italy, 1998), IV Int. Conference «Optical Methods and Data Processing in Heat and Fluid Flows» (London, 1998), II Int. School-Seminar «Modem Problems of Combustion and its Applications» (Минск, 1997), II Международной конференции «Физика плазмы и плазменные технологии» (Минск, 1997), I Всес. научно-практической конференции «Методы диагностики двухфазных и реагирующих потоков» (Харьков, 1988), 4-ой Всес. конференции «Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах» (Москва, МГУ, 1988).
Опубликованность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 статьях и препринтах, докладывались на 13 конференциях, в т.ч. 11 международных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, трех оригинальных глав, заключения, списка использованных источников и содержит 106 страниц, включая 46 рисунков и 20 таблиц, 128 наименований использованных источников.