Устройство для определения неоднородности двухфазных потоков Российский патент 2023 года по МПК G01N21/53 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к бесконтактному определению степени неоднородного распределения капель жидкости в двухфазном потоке без внесения в него возмущений, в том числе в аэрохолодильных аэродинамических трубах (АХТ).

Известен способ определения неоднородности двухфазного потока в аэрохолодильной аэродинамической трубе, заключающийся в использовании металлической решетки, которую устанавливают перпендикулярно потоку, и исследуют нарастания льда на ее прутьях (Голубкин B.C., Гребеньков С.А., Горячев П.А. Определение параметров водяного облака в стендовых условиях. // Сборник тезисов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и специалистов "Авиационные двигатели и силовые установки", 28-30 мая 2019, С. 241.). Толщину льда измеряют штангенциркулем после остановки АХТ. Эксперимент можно проводить только в холодном потоке и для каждого режима обводнения (давление воды, скорость потока, включение - выключение форсунок) нужен отдельный продолжительный пуск.

Прототипом к заявленному техническому решению является способ определения концентрации дисперсной фазы в аэрозольном потоке методом лазерного листа (Василевский Э.Б., Безменов В.Я., Боровой В.Я., Горелов В.А., Жилин Ю.В., Казанский Р.А., Мошаров В.Е., Чирихин А.В., Яковлева Л.В. Экспериментальное исследование течения, теплообмена и электрооптических явлений при обтекании тел сверхзвуковым аэродисперсным потоком. // «ЦАГИ - основные этапы научной деятельности 1993-2003» - М.: Физматлит, - 2003. - С. 452-457). Пучок лазерного излучения с помощью цилиндрической линзы разворачивают в расходящуюся плоскость. В соответствии с расширением этой плоскости находят пространственное распределение интенсивности зондирующего излучения в пространстве вдали от источника. По интенсивности рассеянного частицами излучения на изображении лазерной плоскости определяют распределение концентрации дисперсной фазы вблизи обтекаемого тела в относительных величинах. Устройство для реализации способа содержит источник лазерного излучения, цилиндрическую линзу, фотоприемник и цифровую аппаратуру обработки изображения лазерного листа.

Недостатком прототипа является неизвестное распределение интенсивности зондирующего излучения в лазерной плоскости, что требует его измерения каким-то способом. Это усложняет алгоритм обработки изображений рассеянного излучения.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение точности определения неоднородности двухфазного потока и сокращение трудоемкости настройки измерительной системы аэрохолодильной аэродинамической трубы.

Решение задачи и технический результат достигаются тем устройство для определения неоднородности двухфазных потоков, содержащее источник лазерного излучения и матричный приемник рассеянного излучения, платформу, на которой укреплены источник лазерного излучения и привод с вращающемся зеркалом, обеспечивающим сканирование исследуемой области потока лазерным лучом, и вычислительно-управляющий модуль, соединенный линиями связи с приводом зеркала и матричным приемником излучения и вычисляющий поле неоднородности двухфазного потока.

Краткое описание фигур:

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для определения неоднородности двухфазных потоков.

На фиг. 2 приведен пример зарегистрированного рассеянного излучения от капель воды при определении оси вращения зеркала (лазерного луча).

На фиг. 3 приведена графическая интерпретация поиска положения оси вращения лазерного луча.

Устройство для определения неоднородности двухфазных потоков (Фиг. 1.) состоит из лазера 1, зеркала 2, установленного под углом 45° к падающему излучению от лазера, и прикрепленному к приводу зеркала 3, обеспечивающего непрерывное вращение зеркала и его установку с фиксированным шагом в упорных положениях, платформы 4, на которой укреплены лазер и привод, и которая обеспечивает соосность оси вращения зеркала и луча лазера, матричного приемника с объективом 5, который обеспечивает регистрацию двумерного поля рассеянного излучения от капель воды, которое можно представить в виде растрового изображения (каждый элемент двумерного поля с координатами {х, у} характеризуется числом пропорциональным интенсивности рассеянного излучения в соответствующей точке), вычислительно-управляющего модуля 6, который обеспечивает управление приводом зеркала, включением и выключением лазера, работой матричного приемника излучения путем передачи сигналов по линиям связи 7, обработку зарегистрированных полей рассеянного излучения, вывод результатов определения неоднородности двухфазного потока.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед началом определения неоднородности двухфазного потока необходимо определить положение оси вращения лазерного луча. Для этого необходимо создать аэрозольное облако в области исследования. В это время вычислительно-управляющий модуль 6 включает лазер 1. Пучок света от лазера 1 отражается от зеркала 2, наклоненного под углом 45° к пучку лазера, ось вращения которого совпадает с осью пучка лазера, и проходит через аэрозольное облако, где часть света рассеивается на каплях воды. Вычислительно-управляющий модуль, последовательно поворачивает зеркало на фиксированный угол с помощью привода 3, как на Фиг. 1, регистрирует рассеянное излучение с помощью матричного приемника излучения. Пример зарегистрированного рассеянного излучения приведен на Фиг. 2, откуда видно, что рассеянное излучение имеет вид прямой линии, по данному полю рассеянного излучения вычислительно-управляющий модуль 6 методом наименьших квадратов определяет уравнение, описывающее эту линию. Данную процедуру определения уравнения линии проводится в нескольких углах поворота лазерного луча, минимум два.

После определения нескольких уравнений прямых линий вычислительно-управляющий модуль 6 попарно перебирая уравнения прямых линий, находит точки их пересечения. В результате вычислительно-управляющий модуль 6 получает массив координат их точек пересечения, путем усреднения координат определяется положение оси вращения лазерного луча {Х₀, Y₀} и запоминает в своей энергонезависимой памяти. На Фиг. 3 приведена графическая интерпретация определения положения оси вращения лазерного луча, где 8 - наложенные друг на друга двумерные поля рассеивания лазерного излучения при разных углах поворота зеркала, 9 - прямые линии, уравнение которых определяет вычислительно-управляющий модуль, 10 - ось вращения лазерного луча, определенная как усредненная точка попарных взаимопересечий прямых линий.

После определения координат {Х0, Y0} положения оси вращения лазерного луча устройство готово к определению неравномерности двухфазного потока. Во время эксперимента по команде оператора или измерительной системы экспериментальной установки устройство переводят в режим определения неравномерности двухфазного потока, после этого вычислительно-измерительный модуль 6 включает лазер 1 и подает команду приводу 3 зеркала 2 на начало вращения. Привод начинает вращать зеркало с частотой, обеспечивающей многократное сканирование (например, более 100 раз) за время интегрирования сигнала матричным приемником. При достижении определенного режима (скорость потока, давление воды в коллекторе) подается команда оператором или измерительной системой экспериментальной установки на вычислительно-управляющий модуль 6, который начинает интегрировать (регистрировать) поле рассеянного излучения с помощью матричного приемника излучения 5. После регистрации двумерного поля рассеянного излучения вычислительно-управляющий модуль 6 корректирует величину сигнала каждого элемента матричного приемника излучения с координатой {х, у} на расходимость лучей по следующей формуле:

где I₀ - зарегистрированное приемником значение величины сигнала элемента с координатой {х, у}. Результатом пересчета является поле неоднородности двухфазного потока. Вычислительно-управляющий модуль 6 полученное поле записывает в свою энергонезависимую память как растровое изображение, и в последующем оно может быть переписано на персональный компьютер для последующего анализа.

Принцип сканирования путем вращения зеркала, в отличии от развертывания излучения в плоскость с помощью цилиндрической линзы, позволяет легко учесть и скомпенсировать различие в экспозициях по исследуемому пространству (обратно пропорционально расстоянию от оси вращения зеркала).

Регистрация с помощью матричного приемника рассеянного излучения от лазерного луча, который поворачивается с фиксированным шагом, позволяет в автоматическом режиме вычислительно-управляющему модулю определить положение оси вращения зеркала.

Применение вычислительно-управляющего модуля позволяет в автоматическом режиме проводить процедуру определения неравномерности двухфазного потока и выводить результат в темпе эксперимента.

Созданное устройство позволяет увеличить точность определения неоднородности двухфазного потока и значительно сократить время проведения исследования неравномерности потока, за один эксперимент могут быть исследованы все режимы.

Изобретение относится к области исследования многофазных потоков, в частности к технике определения параметров жидкой или твердой фазы потока оптическими средствами, и может быть использовано для определения неравномерности водной фазы в потоке. Устройство содержит источник лазерного излучения, матричный приемник рассеянного излучения, вращающееся зеркало с приводом, обеспечивающее сканирование измерительного объема лазерным излучением, и вычислительно-управляющий модуль, выполненный с возможностью управления приводом зеркала и матричным приемником излучения, осуществляет корректировку зарегистрированного приемником излучения рассеянного излучения на расходимость лучей и выводит информацию для анализа о неравномерности двухфазных потоков. Технический результат - увеличение точности определения неоднородности двухфазного потока и сокращение времени работы аэрохолодильной трубы при проведении исследования неравномерности потока, за один эксперимент могут быть исследованы все режимы работы трубы. 3 ил.

Устройство для определения неоднородности двухфазных потоков, содержащее источник лазерного излучения и матричный приемник рассеянного излучения, отличающееся тем, что содержит платформу, на которой укреплены источник лазерного излучения и привод с вращающимся зеркалом, обеспечивающим сканирование исследуемой области потока лазерным лучом, и вычислительно-управляющий модуль, соединенный линиями связи с приводом зеркала и матричным приемником излучения и вычисляющий поле неоднородности двухфазных потоков.