RU2498319C1

RU2498319C1 - Method for non-contact optic-laser diagnostics of non-stationary modes of eddy flows, and device for its implementation

Info

Publication number: RU2498319C1
Application number: RU2012118960/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Владимирович Наумов; Валерий Леонидович Окулов; Владимир Генриевич Меледин
Priority date: 2012-05-05
Filing date: 2012-05-05
Publication date: 2013-11-10

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention is based on mutual use of LDA and PIV. A device includes a pulse laser with pulse energy of not less than 120 mJ, actuation frequency of not less than 16 Hz, two CCD chambers with frequency resolution of 8 to 16 Hz, which are located at an angle of 30÷120° to each other and at an angle of 15÷60° to a channel axis after a rotor, optic prisms, an image processing processor, a laser anemometer with an optic probe, which is made on an argon laser and a Doppler signal processing processor, and a personal computer. The method involves measurements by means of LDA at two and more points of non-stationary eddy flux after the rotor of a wind or hydraulic unit for determination of a time interval, illumination of flux with a laser knife, recording of images of sown particles with two CCD chambers and recording at the specified time interval, statistical averaging of instantaneous velocity fields for n=2÷16 of moments inside of a full period of pulsations of vortex structure T by sampling of velocity fields obtained with time delay t=0, T, 2T,… and (m-1)T, where m - number of measurements of instantaneous velocity fields for statistical averaging.

EFFECT: essential reduction of a random measurement error and almost full elimination of a systematic error related to non-stationary changes of flux structure.

2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидро-, аэро- и газодинамике. Возможно применение в экологии, технологии химических и каталитических реакций, океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологий, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений и контроля.The invention relates to a measurement technique and allows you to explore the flow of liquid and gas. The invention can be used in basic and applied research in experimental hydro-, aero- and gasdynamics. It is possible to use in ecology, technology of chemical and catalytic reactions, oceanology, the study of atmospheric phenomena, as well as a number of other areas of science and industrial technologies related to the need for precision, non-disturbing measurements and control.

Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости различных течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys М., Damascke N., Tropea С.Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.] и цифровая трассерная визуализация - PIV (particle image velocimetry), для анализа поля скорости потока в фиксированном сечении по трекам частиц [M.Raffel, СЕ. Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 269 p.].Widespread optical methods of non-contact velocity measurement of various fluid and gas flows are laser Doppler anemometry (LDA), which allows measuring the velocity of particles accompanying the flow at a fixed point in the flow [Albrecht N.-E., Borys M., Damascke N., Tropea C. Laser Doppler and Phase Doppler Measurement Techniques. Berlin: Springer. 2003. 738 p.] And digital tracer imaging - PIV (particle image velocimetry), for analyzing the field of flow velocity in a fixed section along particle tracks [M.Raffel, CE. Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001.269 p.].

Недостатком ЛДА является то, что этот способ позволяет проводить только последовательные измерения скорости в пространстве, переходя от точки к точке исследуемого течения. При наличии в потоке крупномасштабных пульсаций с периодом колебаний, превосходящим длину реализации, данные измерений в разных точках обычно не совпадают по фазе, за счет этого появляются дополнительные паразитные флуктуации, искажающие профиль или поле скорости. Кроме того, ЛДА диагностика требует обеспечения стабильности условий эксперимента и сохранения режимных параметров течений неизменными длительное время, что иногда технически трудно осуществить.The disadvantage of LDA is that this method allows only consecutive measurements of speed in space, passing from point to point of the investigated flow. If there are large-scale pulsations in the flow with an oscillation period exceeding the realization length, the measurement data at different points usually do not coincide in phase, due to this additional parasitic fluctuations appear, distorting the velocity profile or field. In addition, LDA diagnostics requires ensuring the stability of the experimental conditions and maintaining the regime parameters of flows unchanged for a long time, which is sometimes technically difficult to implement.

Использование PIV (Particle Image Velocimetry) в отличие от ЛДА позволяет получать мгновенное распределение скорости в исследуемом сечении и наблюдать мгновенную картину течения в пределах двумерной плоскости светового ножа.Using PIV (Particle Image Velocimetry), unlike LDA, allows you to obtain an instantaneous velocity distribution in the studied section and to observe the instantaneous flow pattern within the two-dimensional plane of the light knife.

Однако этот способ является наиболее эффективным только для случая, когда одной из компонент скорости (перпендикулярной световому сечению) можно пренебречь. При увеличении относительного значения компоненты скорости, перпендикулярной световому сечению, увеличивается до 10% и более случайная ошибка измерения скорости. Кроме того, в нестационарных, осциллирующих вихревых потоках помимо случайной ошибки возникает ошибка смещения частиц-меток, за счет не совпадения их траекторий с мгновенными линиями тока, что приводит к существенному искажению структуры течения, ошибки минимизируются статистическим осреднением, но при этом теряются нестационарные особенности течения.However, this method is most effective only for the case when one of the velocity components (perpendicular to the light section) can be neglected. With an increase in the relative value of the velocity component perpendicular to the light section, the random error of the velocity measurement increases to 10%. In addition, in unsteady, oscillating vortex flows, in addition to a random error, an error occurs in the displacement of tag particles due to the disagreement of their trajectories with instantaneous streamlines, which leads to a significant distortion of the flow structure, errors are minimized by statistical averaging, but non-stationary flow features are lost .

Таким образом, раздельное применение широко распространенных оптических измерительных способов: ЛДА (измерение скорости лазерным доплеровским анемометром) и PIV (анализ структуры течения по трекам частиц), часто приводит к получению искаженной информации, особенно, для переходного и развитого нестационарного режимов вихревого течения.Thus, the separate application of widespread optical measuring methods: LDA (velocity measurement with a laser Doppler anemometer) and PIV (analysis of the flow structure along particle tracks) often leads to distorted information, especially for transient and developed unsteady eddy flow regimes.

Однако совместное их использование при диагностике осциллирующих вихревых течений позволяет существенно улучшить как временное, так и пространственное разрешение измерений.However, their joint use in the diagnosis of oscillating vortex flows can significantly improve both the temporal and spatial resolution of measurements.

Известны способ и устройство измерения скорости, размеров и концентрации частиц в потоке [Патент GB 2480440, 30.06.2010, G06T 7/20], основанные на совместном использовании преимуществ ЛДА и PIV. Изобретение позволяет одновременно проводить измерения потока и частиц (как сферических, так и не сферических до нано/микроразмеров) и обеспечивает высокую скорость обработки полученных изображений за счет использования высокоскоростного приемника изображений.A known method and device for measuring the speed, size and concentration of particles in a stream [Patent GB 2480440, 06/30/2010, G06T 7/20], based on sharing the advantages of LDA and PIV. The invention allows simultaneous measurements of flow and particles (both spherical and non-spherical to nano / microdimensions) and provides a high processing speed of the obtained images through the use of a high-speed image receiver.

Изобретение не предназначено для исследования нестационарных закрученных потоков.The invention is not intended to study unsteady swirling flows.

Известны способ и устройство измерения трех компонент скорости течения [Патент US 6542226, 2003-04-01, G01P 5/00; G01P 5/26; G01S 7/497; G01S 17/58; G01S 17/95; G01P 5/00; G01S 7/48; G01S 17/00]. В изобретении совместно используют два оптических измерительных способа: ЛДА и P1V. Берется полевое изображение структуры потока в лазерном ноже (выделение сигнального пучка - пропускание его черед фильтр - йодную ячейку) и смешивание его с опорным пучком. Таким образом, в дополнение к стандартной однокамерной двухкомпонентной PIV системе (две компоненты скорости в плоскости лазерного ножа) получают изображение поля скорости по направлению, перпендикулярному лазерному ножу, где цвет кодирует скорость. Тем самым восстанавливают третью компоненту скорости.A known method and device for measuring the three components of the flow velocity [Patent US 6542226, 2003-04-01, G01P 5/00; G01P 5/26; G01S 7/497; G01S 17/58; G01S 17/95; G01P 5/00; G01S 7/48; G01S 17/00]. In the invention, two optical measuring methods are shared: LDA and P1V. A field image of the flow structure in the laser knife is taken (signal beam extraction — passing it through a filter — iodine cell) and mixing it with a reference beam. Thus, in addition to the standard single-chamber two-component PIV system (two velocity components in the plane of the laser knife), an image of the velocity field is obtained in the direction perpendicular to the laser knife, where the color encodes the speed. Thereby, the third component of the speed is restored.

Устройство включает лазер с шириной полосы частот порядка 100 MГц, один или два Nd:YAG лазера, светоделитель, молекулярный фильтр на йодной ячейке, одну или две CCD камеры и персональный компьютер.The device includes a laser with a frequency bandwidth of the order of 100 MHz, one or two Nd: YAG lasers, a beam splitter, an iodine cell molecular filter, one or two CCD cameras, and a personal computer.

Достоинство изобретения - возможность получения трех компонент скорости через один оптический иллюминатор. Изобретение позволяет измерять скорость как газовых, так и жидких течений, а также двухфазных потоков.An advantage of the invention is the possibility of obtaining three velocity components through one optical porthole. The invention allows to measure the speed of both gas and liquid flows, as well as two-phase flows.

Изобретение не предназначено для исследования закрученных потоков, так как погрешность полевого метода с использованием лазерно-доплеровского измерителя скорости (ЛДИС) на йодной ячейке для количественной оценки значения скорости значительная, так как требует постоянной подкалибровки измерительного оборудования. Поле скорости, измеренное PIV, при этом также искажается и, следовательно, особенности вихревого нестационарного потока и его эволюцию во времени зафиксировать невозможно.The invention is not intended for the study of swirling flows, since the error of the field method using a laser-Doppler speed meter (LDIS) on the iodine cell for the quantitative estimation of the speed value is significant, since it requires constant calibration of the measuring equipment. The velocity field measured by the PIV is also distorted and, therefore, the features of the vortex unsteady flow and its evolution in time cannot be fixed.

Известны работы, например [Felli, М., Camussi, R. and Di Felice, F. Mechanisms of evolution of the propeller wake in the transition and far fields // J. Fluid Mech. 2011, V.682, p.5-53], в которых проводились визуализация и изучение пульсаций вихревых потоков за корабельным винтом с помощью ЛДИС, однако полные измерения поля скорости не проводились.Known works, for example [Felli, M., Camussi, R. and Di Felice, F. Mechanisms of evolution of the propeller wake in the transition and far fields // J. Fluid Mech. 2011, V.682, p.5-53], in which visualization and study of the pulsations of vortex flows behind the ship propeller using LDIS were carried out, however, complete measurements of the velocity field were not performed.

Наиболее близкими к заявленному являются способ и устройство, описанные в работах [Наумов И.В., Окулов В.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-мерный расчет пульсирующего закрученного потока в цилиндрическом контейнере.// Теплофизика и аэромеханика, 2003. Т.10(2). С.151-156] и [Окулов В.Л., Наумов И.В., Соренсен Ж.Н. Особенности оптической диагностики пульсирующих течений.// Журнал технической физики, 2007, том 77, вып.5, стр.47-57], основанные на одновременном применении ЛДА и PIV и используемые для диагностирования закрученного течения в цилиндре с осциллирующем пузырем.Closest to the claimed are the method and device described in [Naumov IV, Okulov V.L., Mayer K.E., Sorensen J.N., Shen V. LDA-PIV diagnostics and 3-dimensional calculation of pulsating swirling flow in a cylindrical container.// Thermophysics and Aeromechanics, 2003.V.10 (2). S.151-156] and [Okulov V.L., Naumov I.V., Sorensen J.N. Features of the optical diagnostics of pulsating flows. // Journal of Technical Physics, 2007, Volume 77, Issue 5, pp. 47-57], based on the simultaneous use of LDA and PIV and used to diagnose a swirling flow in a cylinder with an oscillating bubble.

Устройство включало цилиндрический контейнер с вращающейся крышкой, Nd:YAG лазер, цилиндрические линзы, CCD камеру, Dantec 1500 FlowMap процессор обработки изображений, персональный компьютер, аргоновый лазер, ЛДА оптический зонд, BSA57N2 процессор.The device included a cylindrical container with a rotating lid, an Nd: YAG laser, cylindrical lenses, a CCD camera, a Dantec 1500 FlowMap image processor, a personal computer, an argon laser, an LDA optical probe, and a BSA57N2 processor.

На основе анализа временной реализации осевой компоненты скорости, измеренной ЛДА, определялся временной интервал для проведения осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV. Поле скорости определялось путем статистического осреднения четырех PIV-образов течения, полученных с временной задержкой t=0, T, 2T и 3T, где Т - полный период колебаний вихревой структуры, генерируемой в цилиндрическом контейнере. Такое кратно-периодическое осреднение мгновенных полей скорости позволило уменьшить случайную ошибку измерений.Based on the analysis of the temporal realization of the axial velocity component measured by the LDA, we determined the time interval for averaging the instantaneous velocity fields obtained by the PIV method. The velocity field was determined by statistical averaging of four PIV flow patterns obtained with a time delay of t = 0, T, 2T, and 3T, where T is the total oscillation period of the vortex structure generated in the cylindrical container. Such a multiple periodic averaging of the instantaneous velocity fields made it possible to reduce the random measurement error.

Исследования проводились на модельном течении, создаваемом с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере, отношение высоты которого к радиусу составляло H/R=2 и H/R=A. Технические характеристики лазера и камеры не позволяют получать детальное поле скорости при высокочастотных пульсациях потока.The studies were conducted on a model flow created using a rotating cover in a cylindrical container, the ratio of the height to radius of which was H / R = 2 and H / R = A. The technical characteristics of the laser and camera do not allow obtaining a detailed velocity field with high-frequency pulsations of the flow.

Цель изобретения - высокоточная диагностика, включая исследование трехмерного поля скорости, нестационарных режимов вихревых течений, в том числе переход от стационарного к нестационарному режиму течения, за ротором ветро- или гидроагрегата в натурных условиях с высоким как временным (измерение скорости лазерным доплеровским анемометром), так и пространственным (анализ структуры течения по трекам частиц-PIV) разрешением.The purpose of the invention is high-precision diagnostics, including the study of a three-dimensional velocity field, unsteady regimes of eddy flows, including the transition from a stationary to an unsteady flow regime, behind the rotor of a wind or hydroelectric unit in natural conditions with a high as temporary (speed measurement with a laser Doppler anemometer), and spatial (analysis of the flow structure along particle tracks-PIV) resolution.

Указанная цель достигается тем, что известный способ и устройство для его реализации, основанные на совместном использовании двух оптических систем (ЛДА и PIV), применяют по новому назначению - диагностика, включая полное измерение скорости потока, нестационарных режимов вихревых течений, в том числе переход от стационарного к нестационарному режиму течения, за ротором ветро- или гидроагрегата, при этом достигается новый технический результат - существенное уменьшение случайной ошибки измерения и практически полное устранение систематической ошибки, связанной с нестационарными изменениями структуры потока.This goal is achieved by the fact that the known method and device for its implementation, based on the joint use of two optical systems (LDA and PIV), are used for a new purpose - diagnostics, including full measurement of the flow velocity, unsteady modes of vortex flows, including the transition from stationary to unsteady flow regime, behind the rotor of a wind or hydraulic unit, while achieving a new technical result - a significant reduction in random measurement error and almost complete elimination of systematic some errors associated with non-stationary changes in the flow structure.

Согласно изобретению способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанный на совместном использовании ЛДА и PIV, включает пропускание через измеряемый объем лазерного излучения, которое формируют импульсным лазером с энергией импульса ≥120 мДж и частотой срабатывания ≥16 Гц,According to the invention, a method of non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows, based on the joint use of LDA and PIV, involves transmitting through the measured volume of laser radiation, which is formed by a pulsed laser with a pulse energy of ≥120 mJ and a response frequency of ≥16 Hz,

проведение измерений с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т в 2-х и более фиксированных точках нестационарного вихревого потока, с учетом размера исследуемой вихревой структуры (в ядре и на радиусе) за ротором ветро- или гидроагрегата, в том числе при переходе от стационарного к нестационарному режиму течения, определение на основе полученной информации временного интервала между сериями изображений, по которым вычисляют мгновенные PIV поля скорости, освещение исследуемого вихревого течения когерентным лазерным светом - лазерным ножом, проходящим вертикально в направлении основного набегающего потока через дно канала и ось ротора, фиксирование изображений засеянных частиц в потоке в выбранном сечении лазерного ножа двумя установленными под углом 30÷120° друг к другу и углом 15÷60° к оси канала за ротором CCD камерами с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, принимающими отраженный частицами свет, прошедший через оптические призмы заданной геометрии, заполненные водой, запись изображений через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры, начиная с произвольного момента времени, и статистическое осреднение мгновенных полей скорости для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т, … и (m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости для статистического осреднения.measurements with the determination of the full period of pulsations of the vortex structure T at 2 or more fixed points of the unsteady vortex flow, taking into account the size of the studied vortex structure (in the core and radius) behind the rotor of the wind or hydroelectric unit, including during the transition from stationary to unsteady flow regime, determination on the basis of the obtained information of the time interval between series of images from which instant PIV velocity fields are calculated, illumination of the investigated vortex flow by coherent laser with wind - with a laser knife, passing vertically in the direction of the main incoming flow through the bottom of the channel and the axis of the rotor, capturing images of the seeded particles in the stream in the selected section of the laser knife with two installed at an angle of 30 ÷ 120 ° to each other and an angle of 15 ÷ 60 ° to the axis of the channel behind the rotor CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 Hz, receiving light reflected by particles, transmitted through optical prisms of a given geometry, filled with water, recording images at a given time interval T / n for n = 2 ÷ 16 instants of time and the full period of pulsations of the vortex structure, starting from an arbitrary point in time, and the statistical averaging of instantaneous velocity fields for n = 2–16 times in the full period of pulsations of the vortex structure by a sample of velocity fields obtained with a time delay t = 0, T, 2T, ... and (m-1) T, where m is the number of measurements needed to increase the accuracy of measurements of instantaneous velocity fields for statistical averaging.

Для осуществления описанного выше способа бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений используют устройство, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV.To implement the above-described method of non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows, a device based on the joint use of LDA and PIV is used.

Согласно изобретению в устройстве бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, включающем источник лазерного излучения (лазер), приемник изображений засеянных частиц (две CCD камеры с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений), лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер, источником лазерного излучения служит импульсный лазер, технические характеристики которого составляют: энергия импульса - не менее 120 мДж, частота срабатывания - не менее 16 Гц, приемником изображений засеянных частиц вихревого нестационарного потока служат две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором ветро- или гидроагрегата, причем между камерами и стенкой канала установлены оптические призмы, заполненные водой.According to the invention, in a device for non-contact optical-laser diagnostics of unsteady vortex flow regimes, including a laser source (laser), an image pickup particle detector (two CCD cameras with optical narrow-band filters, an image processing processor), a laser anemometer with an optical probe made on an argon laser and a processor for processing Doppler signals, and a personal computer, the laser radiation source is a pulsed laser, the technical characteristics of which are They show: pulse energy - not less than 120 mJ, response frequency - not less than 16 Hz, two CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 Hz, located at an angle of 30 ÷ 120 ° to each other and at an angle, serve as the image receiver of the seeded particles of the vortex unsteady flow an angle of 15 ÷ 60 ° to the axis of the channel behind the rotor of the wind or hydraulic unit, and optical prisms filled with water are installed between the chambers and the channel wall.

Расположение камер не фронтально, а под углом к световому сечению, позволяет использовать узел независимой регулировки приемного объектива и регистрирующей изображение ПЗС матрицы камеры для того, чтобы обеспечить фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы, заполненные водой и установленные между камерой и стенкой канала, позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает параллельность плоскости матрицы камеры и границы раздела сред воздух-стекло-вода или воздух-стекло-воздух. Геометрию оптических призм рассчитывают в зависимости от углов установки камер.The location of the cameras is not frontal, but at an angle to the light section, allows you to use the site of independent adjustment of the receiving lens and image-recording CCD camera matrix in order to ensure focusing of the entire area of the light section on the plane of the CCD matrix. Optical prisms filled with water and installed between the camera and the channel wall can reduce distortion, which ensures parallelism of the plane of the camera matrix and the interface between air-glass-water or air-glass-air. The geometry of the optical prisms is calculated depending on the angles of the cameras.

Использование устройства оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений за ротором ветро- и гидроагрегатов в заявленной комплектации позволяет существенно уменьшить случайную ошибку измерения, до 1-2%, и практически полностью устранить, до 1%, ошибку смещения, связанную с нестационарными изменениями структуры потока. Использование в составе устройства лазера и камер с лучшими техническими характеристиками позволяет более точно измерять пульсации внутри структуры.Using the device for optical and laser diagnostics of unsteady vortex flow regimes behind the rotor of wind and hydraulic units in the claimed configuration can significantly reduce the random measurement error, up to 1-2%, and almost completely eliminate, up to 1%, the bias error associated with non-stationary changes in the flow structure . The use of a laser and cameras with better technical characteristics as a part of the device makes it possible to more accurately measure ripples inside the structure.

Использование CCD камер с частотным разрешением от 8 до 16 Гц позволяет проводить измерения мгновенного трехкомпонентного поля скорости в 8-16 точках периода пульсаций вихревой структуры, что существенно улучшает временное разрешение и точность измерений. В прототипе при использовании CCD камер с частотным разрешением 4 Гц измерения поля скорости проводились только в 4-х точках периода пульсаций частотой 1 Гц.The use of CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 Hz allows measurements of the instantaneous three-component velocity field at 8-16 points of the period of pulsations of the vortex structure, which significantly improves the time resolution and measurement accuracy. In the prototype, when using CCD cameras with a frequency resolution of 4 Hz, the velocity field was measured only at 4 points of the ripple period with a frequency of 1 Hz.

На фиг.1 и 2 схематически показано изображение устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений. На фиг.1 показан вид сбоку, в плоскости YZ декартовых координат. На фиг.2 показан вид сверху, в плоскости XZ декартовых координат, где 1 - исследуемое вихревое течение; 2 - импульсный лазер с цилиндрическими линзами; 3 - CCD камеры; 4 - процессор обработки изображений; 5 - персональный компьютер; 6 - аргоновый лазер; 7 - TDA оптический зонд; 8 - процессор обработки доплеровских сигналов; 9 - оптические призмы, заполненные водой; 10 - ротор; 11 - зеркало формирования лазерного ножа; X, Y, Z - координаты декартовой системы; α₁ - угол между камерами; α₂ - угол между камерой и осью канала за ротором.Figure 1 and 2 schematically shows an image of a device for non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows. Figure 1 shows a side view, in the YZ plane of Cartesian coordinates. Figure 2 shows a top view, in the XZ plane of Cartesian coordinates, where 1 is the investigated eddy flow; 2 - pulsed laser with cylindrical lenses; 3 - CCD cameras; 4 - image processing processor; 5 - personal computer; 6 - argon laser; 7 - TDA optical probe; 8 - processor for processing Doppler signals; 9 - optical prisms filled with water; 10 - rotor; 11 - mirror forming a laser knife; X, Y, Z - coordinates of the Cartesian system; α ₁ - the angle between the cameras; α ₂ - the angle between the camera and the axis of the channel behind the rotor.

В предлагаемом устройстве объединены два измерительных комплекса: PIV и ЛДА. Устройство диагностики нестационарного режима вихревого течения 1 за ротором 10 включает оптическую осветительную систему, состоящую из импульсного лазера с цилиндрическими линзами 2, зеркала формирования лазерного ножа 11, двух CCD камер 3 с оптическими призмами 9, заполненными водой, процессор обработки изображений 4, выполняющий синхронизацию осветительной системы и камер, лазерный анемометр с оптическим зондом 7, выполненный на аргоновом лазере 6 и процессоре обработки доплеровских сигналов 8, персональный компьютер 5 для накопления и обработки данных.The proposed device combines two measuring complexes: PIV and LDA. The diagnostic device for the unsteady vortex flow regime 1 behind the rotor 10 includes an optical lighting system consisting of a pulsed laser with cylindrical lenses 2, a laser knife formation mirror 11, two CCD cameras 3 with optical prisms 9 filled with water, an image processing processor 4 that synchronizes the lighting systems and cameras, a laser anemometer with an optical probe 7, made on an argon laser 6 and a processor for processing Doppler signals 8, a personal computer 5 for accumulation and abotki data.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Нестационарный вихревой поток возникает за вращающимся ротором ветро- или гидроагрегата. Поток засеивают светоотражающими частицами, либо используются естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке. При диагностике потока сначала для измерения локального распределения среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени используют лазерный анемометр с оптическим зондом 7, выполненный на аргоновом лазере 6 и процессоре 8 обработки доплеровских сигналов. При пересечении двух лазерных лучей формируется интерференционная картина светлых и темных полос - измерительная область ЛДА. Проходя через световые полосы интерференционной области, засеянные частицы отражают свет. Зонд 7 ЛДА преобразует флуктуации интенсивности светового потока в электрический сигнал, который преобразуется в информацию о пульсациях скорости в процессоре обработки доплеровских сигналов 8. Далее исследуемое вихревое течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом". Для освещения течения используют импульсный лазер 2 и зеркало 11. Изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами 3, установленными под углом α₁ друг к другу и углом α₂ к оси канала за ротором, что обеспечивает фокусировку всей области светового сечения на плоскости ПЗС матрицы. Оптические призмы 9 позволяют уменьшить искажения, что обеспечивает большую точность измерений. Синхронизацию осветительной системы и камер выполняют процессором обработки изображений 4. Информацию накапливают и обрабатывают в персональном компьютере 5 с помощью специального программного обеспечения.An unsteady vortex flow arises behind a rotating rotor of a wind or hydroelectric unit. The stream is seeded with reflective particles, or natural light diffusers present in the stream are used. When diagnosing the flow, first to measure the local distribution of the average value and the fluctuation of the velocity components in time, a laser anemometer with an optical probe 7 is used, made on an argon laser 6 and a processor 8 for processing Doppler signals. When two laser beams intersect, an interference pattern of light and dark bands is formed - the measuring region of the LDA. Passing through the light bands of the interference region, the seeded particles reflect light. Probe 7 of the LDA converts fluctuations in the intensity of the light flux into an electrical signal, which is converted into information about the velocity pulsations in the processor for processing Doppler signals 8. Next, the investigated vortex flow 1 is illuminated with coherent laser light - a "laser knife". A pulsed laser 2 and a mirror are used to illuminate the flow. Images of the seeded particles in the stream are recorded by two CCD cameras 3 mounted at an angle α _{1 to} each other and an angle α ₂ to the channel axis behind the rotor, which ensures focusing of the entire area of the light section on the CCD plane matrices. Optical prisms 9 can reduce distortion, which provides greater measurement accuracy. The synchronization of the lighting system and cameras is performed by an image processing processor 4. Information is accumulated and processed in a personal computer 5 using special software.

Обоснование промышленной применимости.Justification of industrial applicability.

Была проведена экспериментальная диагностика вихревого течения, генерируемого за ротором.An experimental diagnosis of the vortex flow generated behind the rotor was carried out.

Для диагностики течения использовалось измерительное оборудование фирмы Dantec, чтобы получить информацию обо всех трех компонентах скорости, включая и третью, перпендикулярную световому ножу. В качестве осветителя для формирования светового ножа применялся Nd: YAG импульсный лазер с характеристикам: 120 мДж энергии в импульсе, длина волны 532 нм, частота срабатывания 16 Гц. Регистрация изображения производилась на две камеры Dantec HiSense II с разрешением 1344×1024 пикселов, которые устанавливались под разными углами друг к другу и к оси канала за ротором. Для вычисления трехмерного поля скорости использовалось программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.Dantec measuring equipment was used to diagnose the flow to obtain information on all three velocity components, including the third, perpendicular to the light knife. An Nd: YAG pulsed laser with characteristics: 120 mJ of energy per pulse, wavelength 532 nm, and a response frequency of 16 Hz was used as a illuminator for forming a light knife. The image was recorded on two Dantec HiSense II cameras with a resolution of 1344 × 1024 pixels, which were installed at different angles to each other and to the channel axis behind the rotor. To calculate the three-dimensional velocity field, the PIV software Dantec Dynamic Studio Version 2.21 was used.

В результате были получены трехмерные распределения мгновенных полей скорости. Данные измерений отчетливо показали сложную вихревую систему в следе за ротором. Случайная ошибка измерений составляла от 1 до 2%, ошибка смещения составляла порядка 1%.As a result, three-dimensional distributions of instantaneous velocity fields were obtained. The measurement data clearly showed a complex vortex system in the wake of the rotor. The random measurement error ranged from 1 to 2%, the bias error was of the order of 1%.

Проведенные исследования не только позволили диагностировать мгновенную структуру трехмерного поля скорости в продольном сечении течения за трехлопастным ротором при разных режимах течения, но и позволили подтвердить и обосновать некоторые предположения и гипотезы классических теорий ротора.The conducted studies not only made it possible to diagnose the instantaneous structure of the three-dimensional velocity field in the longitudinal section of the flow behind the three-blade rotor under different flow regimes, but also made it possible to confirm and substantiate some assumptions and hypotheses of the classical theory of rotor.

Claims

1. The method of non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows, based on the combined use of laser Doppler anemometry (LDA) and digital tracer imaging (PIV), including
passing through the measured volume of laser radiation, taking measurements to obtain the full period of flow pulsations at several fixed points of the flow, determining, on the basis of the obtained information, the time interval between series of images by which instant PIV velocity fields are calculated, illumination of the investigated vortex flow by a coherent laser light - a laser knife ,
capturing images of seeded particles in a stream, in a selected section of a laser knife, recording at a given time interval, starting from an arbitrary point in time, and statistical averaging of instantaneous velocity fields,
characterized in that
laser radiation is generated by a pulsed laser with a pulse energy of ≥120 mJ and a response frequency of ≥16 Hz,
measurements with determination of the full period of pulsations of the vortex structure T are carried out at two or more fixed points of the unsteady vortex flow, taking into account the size of the studied vortex structure (in the core and at the radius) behind the rotor of the wind or hydroelectric unit, including during the transition from stationary to non-stationary mode currents
illuminate the investigated vortex flow with a laser knife, passing vertically in the direction of the main incoming flow through the bottom of the channel and the axis of the rotor,
capture images of the seeded particles with two cameras installed at an angle of 30 ÷ 120 ° to each other and an angle of 15 ÷ 60 ° to the channel axis behind the rotor of the CCD with a frequency resolution of 8 to 16 Hz, receiving light reflected through the particles, transmitted through optical prisms of a given geometry, filled water
images are recorded at a time interval T / n for n = 2–16 times in the full period of the pulsations of the vortex structure, statistical averaging is performed for n = 2–16 times in the full periods of the pulsation of the vortex structure by sampling the velocity fields obtained with a time delay t = 0, T, 2T, ... and (m-1) T, where m is the number of measurements needed to improve the accuracy of measurements of instantaneous velocity fields.

2. A device for non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of vortex flows, based on the combined use of laser Doppler anemometry (LDA) and digital tracer imaging (PIV), including a laser radiation source (laser), an image pickup of sown particles (two CCD cameras with optical narrow-band filters, image processing processor), a laser anemometer with an optical probe, made on an argon laser and a processor for processing Doppler signals, and a personal computer, exc characterized by the fact that the source of laser radiation is a pulsed laser, the technical characteristics of which are: pulse energy - at least 120 mJ, response frequency - at least 16 Hz, two CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 are the receiver of images of the seeded particles of a vortex unsteady flow Hz, located at an angle of 30 ÷ 120 ° to each other and at an angle of 15 ÷ 60 ° to the channel axis behind the rotor of the wind or hydraulic unit, and optical prisms filled with water are installed between the chambers and the channel wall.