Устройство для диагностики течения в вихревой камере Российский патент 2024 года по МПК G01P5/26 

Изобретение относится к области аппаратов для диагностики течений с помощью введенных трассерных частиц, а именно к устройствам для диагностики и визуализации вихревых структур с помощью техники трассерной визуализации (PIV).

Экспериментальная диагностика и визуализация закрученных потоков с образованием крупномасштабных вихревых структур представляет значительный интерес для различных технических приложений, например, в камерах сгорания, вихревых сепараторах и циклонах, вихревых химических реакторах.

Проведение детальных экспериментальных исследований на натурных объектах невозможно или представляет собой большую сложность. Выходом из этой ситуации является использование модельных (прозрачных) вихревых камер, выполненных из оптически прозрачного материала [Скрипкин С.Г., Куйбин П.А., Шторк С.И. Влияние инжекции воздуха на параметры закрученного течения в модели отсасывающей трубы TURBINE-99 // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 13. С. 48-55].

В закрученных потоках отдельный интерес представляют режимы течения с образованием двуспирального вихря и интервал его существования (т.е. условия распада вихря). Для изучения подобных явлений широко используются бесконтактные оптические устройства, такие как устройства лазерно-доплеровской анемометрии (ЛДА) и оптические устройства трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry - PIV), которые позволяют измерить поле скоростей (компоненты скорости течения) в модельной (оптически прозрачной) вихревой камере.

В патенте на полезную модель RU 121082 U1 описано устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики режимов вихревых течений, основанном на совместном использовании ЛДА и PIV и включающем: источник лазерного излучения (импульсный лазер), приемник изображений засеянных частиц (две CCD камеры с оптическими узкополосными фильтрами), процессор обработки изображений, лазерный анемометр (ЛДА) с оптическим зондом, выполненный на лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер. Причем расположение камер обеспечивается под углом к световому сечению, что позволяет обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости CCD (charge-coupled device) камер для регистрации изображения поля трассерных частиц). Недостатком способа является трудность объединения данных о поле скоростей в плоскости светового ножа от двух оптических методов (ЛДА и PIV).

Ближайшим прототипом является устройство и способ согласно патенту на изобретение RU 2647157 C1 (опубл. 2018.03.14). В документе изложен способ и устройство для диагностики периодического нестационарного вихревого течения, основанный на совместном использовании лазерной допплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), причем одновременно формируют сигнал скорости и акустические сигналы (опорные сигналы), с помощью которых отслеживают фазу пульсаций, и при этом прохождение прецессирующего вихревого ядра (ПВЯ) вызывает минимум в уровне опорного сигнала давления (отмечая факт прохождения вихревого ядра вблизи микрофона). Акустические сигналы генерируются гидрофонами и конденсаторными микрофонами. Недостатком способа является трудоемкость способа и низкая точность визуализации поля скорости.

Общим недостатком способов и устройств, известных из уровня техники, является высокий уровень шума в полученных полях скоростей, поскольку нестационарная природа прецессирующих вихрей не позволяет накапливать данные в достаточно протяженном интервале измерений. Кроме того, применение методов ЛДА требует сложного оборудования.

Широко распространенным оптическим способом бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа является цифровая трассерная визуализация - PIV (Particle Image Velocimetry), для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц. Использование PIV метода позволяет получать мгновенное распределение скорости в исследуемом сечении (лазерный нож) и наблюдать мгновенную картину течения в пределах двумерной плоскости.

Цель изобретения - оптическое устройство трассерной визуализации (PIV) для точной диагностики нестационарных режимов вихревых течений в плоскости измерения.

Указанная цель достигается тем, что устройство для PIV измерений реализует фазовое усреднения PIV-данных. Далее поле скоростей в плоскости измерения (или PIV-данные) означает двумерное поле проекции скорости потока на оптическую плоскость диагностики.

Устройство для PIV диагностики в вихревой камере включает следующие компоненты: прозрачная вихревая камера с тангенциальными соплами для генерации в камере закрученного потока; емкость и насос для подачи рабочей жидкости с трассерными частицами, расходомер, импульсный лазер, оптика для создания лазерного (светового) ножа, фотокамера для регистрации рассеянного излучения, PIV-анализатор, прецизионные цифровые датчики давления на внутренних стенках вихревой камеры, блок обработки сигнала давления. Такое устройство позволяет проводить фазовое осреднение (накопление PIV-данных) о вращающемся вихре.

Фазовое усреднение (отбор полей скорости, соответствующих одной пространственной фазе нестационарного спиралевидного вихря) достигается с помощью периодических опорных сигналов от прецизионного датчика давления на стенке вихревой камеры. Периодичность сигнала давления порождаются изменением давления на стенке камеры из-за прохождения ядра вихря.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена схема устройства.

На фиг. 2 представлена запись лазерных импульсов для PIV-анализа и сигнал давления от датчика давления на стенках вихревой камеры.

На фиг. 3 изображен пример диагностики двойного спирального вихря в вихревой камере с визуализацией.

На фиг. 1 изображена схема устройства, реализующего PIV-диагностику течения. Рабочая жидкость из емкости с помощью насоса (не показано) через расходомер 9 и через набор тангенциальных сопел 3 в вихревую камеру 1, где создают закрученное течение рабочей жидкости (воды) с трассерными частицами. Вихревая камера 1 выполнена из прозрачного материала (например, из полиметакрилата или стекла). Тангенциальные сопла имеют регулируемый угол γ входа в вихревую камеру 1. Трассерные частицы в жидкости служат для отражения излучения импульсного лазера 4. Импульсный лазер 4 с помощью лазерного ножа 2 образует световую плоскость для оптической диагностики течения в вихревой камере 1. Например, лазерный нож 2 образует горизонтальную плоскость для зондирования рабочей жидкости по отражению света от частиц микронного размера. Исходя из геометрии камеры и угла ориентации лопаток в соплах 3, вычисляют параметр крутки потока S для вихревой камеры. Конструктивный параметр крутки для осесимметричной камеры вычисляют по формуле: S = D²sin(γ)/(N⋅s), где D - диаметр камеры, N - количество сопел, s - площадь одного сопла, а γ - угол поворота направляющих лопаток сопел относительно центральной оси камеры.

Поток жидкости выходит через верхнее выпускное отверстие и возвращается в емкость с рабочей жидкостью. При определенной величине параметра крутки S в вихревой камере генерируется когерентная вихревая структура, которая имеет пространственную периодичность (спиралевидные вихри). Прохождение вихря (или нескольких вихрей) вблизи стенки камеры вызывает изменение давления, что регистрируют с помощью, по меньшей мере, одного прецизионного датчика давления 5. Данные с датчиков давления поступают на устройство обработки сигнала давления 6, который включает многоканальный АЦП. Устройство обработки сигнала давления вычисляет периодичность сигнала давления. Например, это реализуется с помощью быстрого фурье-анализа частот сигнала и выявления основной частоты осцилляций.

PIV-данные в выбранной плоскости измерения получают с помощью импульсного лазера 4 с оптикой, цифровой фотокамеры 7 для регистрации отраженного излучения и PIV-анализатора 6. В блоке PIV-анализа 6 сохраняют первичные PIV-данные, полученные при обработке изображений от пары лазерных импульсов в плоскости лазерного ножа. Первичные PIV-данные вычисляют в виде поля скоростей трассерных частиц, которые получают из координат частиц для двух последовательных снимков картины течения (это принцип PIV-метода).

При течении в вихревой камере, кроме вихревого течения, существуют шумы, связанные с турбулентными флуктуациями в потоке. Задача повышения соотношения сигнал/шум решается с помощью фазового усреднения полей скоростей, полученных для мгновенных PIV-данных.

Схема отбора первичных PIV-данных иллюстрируется на фиг. 2. На фиг. 2 (в относительных единицах) показана кривая 10 сигнала давления от одного датчика давления. Кривая давления 10 имеет максимумы 11 и 12, которые соответствуют моментам прохождения вихря вблизи датчик давления. Разница времени между моментами 11 и 12 есть время вращения вихря Тв. Частые пики 13 на фиг. 2 описывают сигнал с фотодетектора, соответствующий регулярным вспышкам лазера (время между световыми импульсами Δt_PIV. Для фазового осреднения картины течения выбираются только те поля скоростей (мгновенные PIV-данные), которые близки к моментам времени 11 и 12, отвечающим максимумам на кривой давления 10. На фиг. 2 разница времен 11 и 12 обозначена как время вращения вихря Тв, которое задает интервал для фазового усреднения PIV-данных.

Из совокупности полей скоростей для сечения в плоскости лазерного ножа (которые уже записаны в памяти PIV-анализатора 3) программа обработки данных отбирает только PIV-данные с периодом Тв. Выбранные с интервалом Тв поля скоростей суммируют в памяти PIV-анализатора 3 и усредняют по количеству измерений. Это дает усредненное поле скорости, которое соответствует одной фиксированной пространственной фазе вихревой структуры. Фазово-пространственное осреднение поля скоростей позволяет выделять когерентные вихревые структуры за счёт увеличения соотношения сигнал/шум. Далее фазоосредненные данные о поле скоростей (первичные PIV-данные) выводят на монитор для визуального анализа картины скоростей.

В другом варианте осуществления изобретения, PIV-данные в PIV-анализаторе проходят математическую обработку для выявления когерентных вихревых структур. В одном варианте, производят обсчет первичных PIV-данных по критерию Г₁ (приведенный в работе [Graftieaux, L., Michard, M., & Grosjean, N. (2001). Combining PIV, POD and vortex identification algorithms for the study of unsteady turbulent swirling flows. Measurement Science and Technology, 12(9), p. 1422-1425]). Это безразмерный скаляр, описываемой формулой для выбранной окрестности точки P в поле скорости U:

где S - окрестность точки P, M - произвольная точка внутри S, N - количество точек внутри окрестности S, n - единичный вектор нормали к области измерения.

При этом PIV-анализатор содержит интерфейс для визуализации поля скоростей либо в виде векторов скоростей или в виде безразмерных скаляров, описывающих локально степень завихренности потока.

Пример

Была проведена экспериментальная диагностика вихревого течения в прозрачной вихревой камере с тангенциальными соплами в нижней части камеры.

Вне вихревой камеры размещают емкость с водой (рабочая жидкость), содержащей суспензию полиамидных частиц (трассерные частицы) плотностью 1030 кг/м³ со средним размером частиц около 30 мкм. Жидкость с помощью насоса (через расходомер) подают в тангенциальные сопла (парные сопла в три яруса), расположенные в нижней части вихревой камеры.

Устройство для диагностики течения включает высокоскоростную PIV систему в составе: двухканальный лазерный модуль Vlite-hi-100 (частота повторения импульсов 100 Гц, энергия в импульсе до 100 мДж, длительность импульса до 15 нс, длина волны 532 нм); оптический манипулятор для доставки лазерного излучения в плоскость лазерного ножа с потерями на излучение не более 10%; скоростная монохромная камера JAI SP-5000M-CXP2 c частотой съёмки 211 Гц при максимальном разрешении 2560 x 2048 (5Мп) (размер сенсора 1”, размер пикселя 5 мкм); объектив Nikon SIGMA 50мм f/2.8D; синхронизирующий PIV-процессор «Полис-Стерео». В устройстве использовалась камера JAI SP-5000M-CXP2 и программное обеспечение ActualFlow (от компании Сигма-Про, Россия), в котором реализуется проведение PIV экспериментов. Толщина лазерного ножа, образованного цилиндрической линзой, составляла около 0,8 мм в горизонтальной плоскости измерения. В каждом исследуемом режиме набиралась статистика по 5000 пар мгновенных кадров. Расчет двумерных полей скорости (PIV-данных) проводился с помощью программного обеспечения ActualFlow.

Для изучения когерентной составляющей вихревого течения в верхней области рабочего участка были вмонтирован пьезоэлектрический датчик давления, сигнал с которых посредством АЦП записывался в блоке обработки сигнала давления. Одновременная реализация сигнала давления после соответствующей обработки позволила из набора мгновенных PIV полей скорости получить усредненное поле, соответствующие одной пространственной фазе вихревой спирали.

Одним из варьируемых параметров при диагностике вихревого течения является число Рейнольдса Re=D⋅U/ν, где U = Q/A, среднерасходная скорость при объемном расходе Q и сечении камеры A = (πD²)/4, ν - кинематическая вязкость, D - диаметр камеры. Среднерасходная скорость потока на входе в камеру измерялась с помощью ультразвукового расходомера. Число Рейнольдса Re меняли в пределах от 6000 при расходе Q = 3м³/ч и до 52000 (при Q = 25м³/ч). Исходя из фазоосредненных PIV-данных, было установлено, что устойчивые вихревые структуры возникают в потоке с Re > 15000.

Было установлено, что для настоящей геометрии вихревой камеры устойчивая двойная вихревая спираль наблюдается, начиная с параметра закрутки S = 4.65 вплоть до параметра S = 13.2 (реализуемого путем перекрытия двух диаметрально противоположных блоков сопел). При параметре крутки S < 4.65 двойная спираль также начинает терять свою устойчивость, и наблюдают непериодические переходы между двойной и одинарной модами вихревого течения.

Этот пример показывает, что устройство PIV-диагностики позволяет провести быстро и с высокой точностью диагностику вихревых структур (режима течения) в вихревой камере.

Использование: для диагностики течения в вихревой камере. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для диагностики течения в вихревой камере, основанное на цифровой трассерной визуализации (PIV), включает емкость для рабочей жидкости, включающей трассерные частицы, насос, расходомер, вихревую камеру с тангенциальными соплами для создания в вихревой камере закрученного потока, импульсный лазер, оптику для создания лазерного ножа, камеру для регистрации рассеянного излучения, PIV-анализатор, датчики давления на внутренних стенках вихревой камеры, блок обработки сигнала давления, при этом блок обработки сигнала давления измеряет периодичность сигнала давления, а PIV-анализатор проводит усреднение полей скорости согласно измеренной периодичности сигнала давления. Технический результат: обеспечение возможности повышения отношения сигнал/шум и визуализации картины вихревого течения. 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для диагностики течения в вихревой камере, основанное на цифровой трассерной визуализации (PIV) и включающее:

емкость для рабочей жидкости, включающей трассерные частицы, насос, расходомер, вихревую камеру с тангенциальными соплами для создания в вихревой камере закрученного потока, импульсный лазер, оптику для создания лазерного ножа, камеру для регистрации рассеянного излучения, PIV-анализатор, датчики давления на внутренних стенках вихревой камеры, блок обработки сигнала давления, отличающееся тем, что блок обработки сигнала давления измеряет периодичность сигнала давления, а PIV-анализатор проводит усреднение полей скорости согласно измеренной периодичности сигнала давления.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что датчики давления на стенках вихревой камеры являются пьезоэлектрическими датчиками.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что блок обработки сигнала давления содержит АЦП.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что периодичность сигнала давления в блоке обработки сигнала давления вычисляют с помощью быстрого преобразования Фурье.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что PIV-анализатор содержит интерфейс для визуализации поля скоростей.