СПОСОБ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА ХАРАКТЕРИСТИК ТОПЛИВНОГО ФАКЕЛА Российский патент 2005 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля параметров дисперсных сред.

Для оптимизации процесса распыливания топлива в камерах сгорания, при доводке существующих и создании новых типов распыливающих устройств, необходимо знать такие важнейшие характеристики топливного факела, как локальные распределения капель по размеру в различных точках топливного факела, которые легко позволяют находить любые моменты распределения и средние диаметры капель. В качестве таких распределений для описания структуры дисперсных сред часто используют двухпараметрическую зависимость Розин-Раммлера. В условиях проведения массовых экспериментов важным является также осуществление экспресс-анализа этих характеристик. Отсутствие способа, позволяющего эффективно решать вышеупомянутые задачи, существенно затрудняет создание новых типов распыливающих устройств.

Известен «Способ измерения размеров частиц с использованием поляризованного света», авторское свидетельство №1807338 от 14 января 1991 г., заключающийся в том, что формируют плоский поток света с равномерным распределением его интенсивности, освещают им среду со взвешенными частицами, ортогонально этому потоку регистрируют изображения среды в рассеянном частицами свете для двух его линейно поляризованных компонент, выделяют сходственные точки изображений, для которых определяют средние значения интенсивности компонент и вычисляют средний размер частиц по аналитическому выражению.

Недостатком данного способа является то, что он обеспечивает определение в точках лазерной плоскости лишь среднего поверхностного диаметра D₂₁ капель, но он не позволяет найти локальные распределения капель по размеру и выполнить экспресс-анализ этих распределений.

Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ определения размеров капель в лазерной плоскости в плотных факелах распыла топлива (см. Le Gal P., Farrugia N. and Greenhalgh, D.A.: Laser Sheet Dropsizing of Dense Sprays, «Optics & Laser Technology», 31, 1999, p.75-83), заключающийся в том, что формируют лазерную (световую) плоскость, освещают ею факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, регистрируют ортогонально лазерной плоскости цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и Ми-рассеянного на каплях света и по соотношению этих интенсивностей судят о средних размерах диаметров D₃₂ капель в точках изображения сечения факела распыленного топлива лазерной плоскостью.

Существенным недостатком данного решения является то, что он не позволяет выполнить в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью экспресс-анализ распределений капель по размеру, по которым легко вычисляются любые средние диаметры капель и моменты этих распределений.

Технической задачей изобретения является повышение информативности, расширение возможностей реализации и сокращение времени проведения экспериментов при определении характеристик распыла топливного факела.

Технический результат в заявляемом способе экспресс-анализа характеристик топливного факела достигается за счет определения распределений капель по размеру в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью, заключающийся в следующем:

- генерируют излучение на одной длине волны и дополнительно генерируют излучение на другой длине волны, образуя двухцветную лазерную (световую) плоскость с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации по каждой компоненте цвета;

- освещают ею исследуемый факел в импульсном режиме;

- производят регистрацию и измерение интенсивностей флуоресценции распыленного топлива и компонент Ми-рассеянного каплями света во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

- определяют параметры и n, характеризующие дисперсность расыленного топлива.

При этом параметры и n распределения Розин-Раммлера капель по размеру вычисляют по формулам

где I_F(х,у), I_S(x,y), I_P(x,y) - соответственно интенсивности флуоресценции распыленного топлива, вертикальной и горизонтальной поляризованных компонент Ми-рассеянного каплями света в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

x, y - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и по ширине лазерной плоскости;

- характерный средний диаметр капель;

n - константа распределения Розин-Раммлера капель по размеру;

α₁₁, α₁₂, α₂₁, α₂₂ - коэффициенты, определяемые расчетом по теории Ми в зависимости от комплексного показателя преломления топлива, длины волны излучения и приемной апертуры фоторегистратора;

β - константа, определяемая экспериментально для конкретной флуоресцирующей добавки;

Г(n) - гамма-функция.

Параметрами распределения распыленного топлива являются характерный средний диаметр капель и константа n распределения в формуле Розин-Раммлера для суммарной кривой распределения объемов капель по диаметрам D:

где Q -объемная доля капель в распределении, диаметр которых меньше D, а диаметр связан с модальным D_мод и медианным D_м диаметрами соотношениями

Величину и константу и распределения вычисляют из уравнений для интенсивностей рассеянного света через моменты <D^m> распределения

где I_0λ1 и I_0λ2 - соответственно интенсивности падающего излучения для двух длин волн (λ₁ и λ₂), образующие двухцветную лазерную плоскость;

N - концентрация капель;

<D^m> - начальный момент m-го порядка случайной величины D.

Моменты <D^m> распределения выражают через гамма-функции следующим образом:

а средние диаметры определяют как (<D^m>)^1/m.

Составив отношения интенсивностей I_F(x,y)/I_S(x,y) и I_F(х,у)/I_P(х,у) флуоресценции и компонент Ми-рассеянного каплями света с учетом уравнений (3-6), получим формулы (1,2) для определения параметров и n распределения Розин-Раммлера капель по размеру при условии равенства величин I_0λ1 и I_0λ2 в уравнениях (3-5).

На чертеже изображена принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ экспресс-анализа характеристик топливного факела с использованием флуоресценции и поляризованного света.

Схема устройства на чертеже содержит лазерный импульсный источник 1 света, генерирующий двухцветный параллельный линейно поляризованный пучок 2 света с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации по каждой компоненте цвета, две цилиндрические линзы 3 и 4 для формирования параллельной двухцветной лазерной плоскости 5, распыливающее устройство 6, топливный факел 7, экран 8, цветной цифровой фоторегистратор 9, ЭВМ 10, X, Y - оси координат.

Способ экспресс-анализа характеристик топливного факела осуществляют следующим образом.

Первичный световой пучок 2 от лазерного импульсного источника 1 формируется двумя цилиндрическими линзами 3 и 4 в виде параллельной двухцветной лазерной плоскости 5 с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации по каждой компоненте цвета, при этом, например, вертикально поляризованная компонента - красного цвета с длиной волны λ₁=670,7 нм, а горизонтально поляризованная - синего с длиной волны λ₂=447,1 нм. Лазерную плоскость 5 пропускают через факел 7 распыленного топлива с флуоресцирующими добавками. Пройдя через факел 7 распыленного топлива, двухцветная лазерная плоскость частично рассеивается на каплях (Ми-рассеяние), при этом одновременно синяя компонента цвета с длиной волны λ₂=447,1 нм возбуждает флуоресценцию, например, в зеленом диапазоне спектра длин волн. Цветное изображение сечения топливного факела лазерной плоскостью регистрируется за один импульс света цветным цифровым фоторегистратором 9, оптическая ось которого расположена, например, ортогонально к оптической оси источника света.

Таким образом, в каждой точке изображения сечения факела лазерной плоскостью регистрируют интенсивность I_F флуоресценции - зеленый свет и две линейно поляризованные компоненты Ми-рассеянного на каплях света: вертикальную I_S - красный свет и горизонтальную I_P - синий свет, причем горизонтальная компонента лежит в плоскости измерений - плоскости рассеяния, в которой расположены оптические оси источника света 1 и фоторегистратора 9. Информация с фоторегистратора 9 поступает на ЭВМ 10, которая в темпе эксперимента обрабатывает полученную информацию в соответствии с формулами (1) и (2).

Экспериментальная проверка способа на устройстве для экспресс-анализа характеристик топливного факела подтвердила заложенные в него технические особенности и преимущества по сравнению с известными способами и устройствами, реализующими эти способы аналогичного назначения за счет выполнения экспресс-анализа распределений капель по размеру в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью, по которым легко вычисляют любые средние диаметры капель и моменты этих распределений.

Предлагаемый способ экспресс-анализа характеристик топливного факела осуществляемый путем определения в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью распределений Розин-Раммлера капель по размеру обеспечивает повышенную информативность, расширяет возможности реализации, например, при исследовании распыливания топлив форсунками и смесеобразования в первичной зоне камер сгорания, контроле качества распыливания топлив форсунками после их изготовления, в различных технологических процессах и существенно сокращает время проведения экспериментальных исследований.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к оптико-электронным способам контроля параметров дисперсных сред. Сущность: при осуществлении способа определяют распределение капель по размеру в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью. При этом генерируют излучение на одной длине волны и дополнительно генерируют излучение на другой длине волны, образуя двухцветную лазерную (световую) плоскость с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации по каждой компоненте цвета; освещают ею исследуемый факел в импульсной режиме; производят регистрацию и измерение интенсивностей флуоресценции распыленного топлива и компонент Ми-рассеянного каплями света во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью; определяют параметры, характеризующие дисперсность распыленного топлива. Технической задачей изобретения является повышение информативности, расширение возможностей реализации и сокращение времени проведения экспериментов при определении характеристик распыла топливного факела. 1 ил.

Способ экспресс-анализа характеристик топливного факела, заключающийся в том, что формируют лазерную (световую) плоскость с одной длиной волны, освещают ею факел распыленного топлива, содержащего флуоресцирующие добавки, регистрируют цветное изображение сечения факела, разделяют это изображение на характерные цвета, по которым определяют интенсивности флуоресценции топлива и компонент Ми-рассеянного на каплях поляризованного света, производят их измерения, и по соотношению интенсивностей определяют средние размеры капель, отличающийся тем, что дополнительно генерируют излучение с другой длиной волны, образуя двухцветную лазерную (световую) плоскость с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации по каждой компоненте цвета, освещают ею исследуемый факел в импульсном режиме, производят регистрацию и измерение интенсивностей флуоресценции распыленного топлива и компонент Ми-рассеянного каплями света во взаимно перпендикулярных плоскостях поляризации в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью, а параметры и n распределения Розин-Раммлера капель по размеру вычисляют по формулам:

где I_F(x,y), I_S(x,y), I_P(x,y) - соответственно интенсивности флуоресценции, вертикальной и горизонтальной поляризованных компонент Ми-рассеянного каплями света в точках изображения сечения факела лазерной плоскостью;

x, y - соответственно координаты каждой исследуемой точки вдоль и по ширине лазерной плоскости;

- характерный средний диаметр капель;

n - константа распределения Розин-Раммлера капель по размеру;

α₁₁, α₁₂, α₂₁, α₂₂ - коэффициенты, определяемые расчетом по теории Ми в зависимости от комплексного показателя преломления топлива, длины волны излучения и приемной апертуры фоторегистратора;

β - константа, определяемая экспериментально для конкретной флуоресцирующей добавки;

Г(n) - гамма-функция.