RU2523737C1 - Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end - Google Patents

Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end Download PDF

Info

Publication number
RU2523737C1
RU2523737C1 RU2013103373/28A RU2013103373A RU2523737C1 RU 2523737 C1 RU2523737 C1 RU 2523737C1 RU 2013103373/28 A RU2013103373/28 A RU 2013103373/28A RU 2013103373 A RU2013103373 A RU 2013103373A RU 2523737 C1 RU2523737 C1 RU 2523737C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
laser
particles
suspension
radiation
intensity
Prior art date
Application number
RU2013103373/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2013103373A (en
Inventor
Игорь Владимирович Наумов
Владимир Генриевич Меледин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН)
Priority to RU2013103373/28A priority Critical patent/RU2523737C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2523737C1 publication Critical patent/RU2523737C1/en
Publication of RU2013103373A publication Critical patent/RU2013103373A/en

Links

Images

Abstract

FIELD: instrumentation.
SUBSTANCE: this method is based on combined application of laser Doppler anemometry (LDA) and particle image velocimetry (PIV). It comprises fitting CCD chambers at the angle calculated with the help of correcting module of calibration particle suspension sampling. Time interval between series of images is defined, images of sown particles are fixed and recorded. Instantaneous velocity fields are statistically and conditionally averaged. Note here that CCD chamber threshold sensitivity parameters are corrected at decrease in registered events by 10% of higher during the entire analysis or every 3 hours. Device comprises LDA, Doppler signal processor, two CCD chambers, two optical prisms, image processor, PC and correcting module of calibration particle suspension sampling including cylindrical flask for working fluid specimen, laser radiator, six or more photo receivers arranged around cylindrical flask.
EFFECT: higher efficiency of measurements and use of instrumentation.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотоков. Изобретение может использоваться в фундаментальных и прикладных исследованиях в экспериментальной гидродинамике. Возможно применение в технологических процессах (химические и каталитические реакции), океанологии, изучении атмосферных явлений, а также ряде других областей науки и промышленных технологиях, связанных с необходимостью прецизионных невозмущающих измерений кинематических характеристик гидросреды.The invention relates to instrumentation and allows you to explore the kinematic characteristics of hydraulic flows. The invention can be used in basic and applied research in experimental hydrodynamics. It is possible to use in technological processes (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-perturbing measurements of the kinematic characteristics of the hydraulic medium.

Широко распространенными оптическими способами бесконтактного измерения скорости течений жидкости и газа являются лазерная доплеровская анемометрия (ЛДА), позволяющая измерять скорости сопутствующих потоку частиц в фиксированной точке течения [Albrecht Н.-Е., Borys M., Damascke N., Тгореа 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, C.E.Willert, J.Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001. 269 p.].Widespread optical methods for non-contact measurement of fluid and gas flow rates 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., Tgorae 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, C.E. Willert, J. Kompenhans. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer-Verlag. 2001.269 p.].

Методы лазерной диагностики параметров движения жидкостей основаны на явлении рассеяния лазерного излучения оптическими неоднородностями. Такими неоднородностями являются сопутствующие потоку инородные (засеивающие поток) частицы-трассеры, показатель преломления которых отличается от показателя преломления окружающей среды. При этом взаимодействие света и вещества носит случайный характер. При регистрации рассеянного света неизбежны флуктуации сигналов, обусловленные как ограниченной когерентностью световых полей, так и корпускулярным характером носителей информации - фотонов [Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. - М.: Издательство иностранной литературы. Ил. - 1961. - 536 с.].Laser diagnostic methods for the parameters of fluid motion are based on the phenomenon of laser radiation scattering by optical inhomogeneities. Such inhomogeneities are foreign tracer particles accompanying the flow (particle sifting), the refractive index of which differs from the refractive index of the environment. In this case, the interaction of light and matter is random. When recording scattered light, signal fluctuations are inevitable due to both the limited coherence of the light fields and the corpuscular nature of the information carriers - photons [Van de Hulst G. Light scattering by small particles: Per. from English - M .: Publishing house of foreign literature. Fig. - 1961. - 536 p.].

Рассеяние наряду с поглощением является основной особенностью, определяющей распространение света в воде [К.Барен, Д.Хафмен. Поглощение и рассеяние света малыми частицами (пер. с англ.) - М.: Мир, 1986, 660 с.]. Теоретическое и экспериментальное исследование проблемы рассеяния в жидкой среде сталкивается со значительными трудностями. Они вызваны, в частности, тем фактом, что рассеяние в жидкости является суммарным эффектом двух разных процессов: поглощения лазерного излучения самой водой и рассеяния света частицами, находящимися в воде.Scattering along with absorption is the main feature that determines the distribution of light in water [K. Baren, D. Hafmen. Absorption and scattering of light by small particles (translated from English) - M .: Mir, 1986, 660 p.]. A theoretical and experimental study of the problem of scattering in a liquid medium faces significant difficulties. They are caused, in particular, by the fact that scattering in a liquid is the combined effect of two different processes: the absorption of laser radiation by water itself and the scattering of light by particles in water.

Гидродинамическую среду необходимо рассматривать как совокупность частиц, перерассеивающих лазерное излучение, и учитывать поглощающие свойства гидросреды. Необходимо знать как отражающие свойства взвешенных в исследуемой гидросреде частиц, так и их диаграмму рассеивания и зависимость интенсивности рассеянного излучения от их размера. Пространственная структура рассеянного излучения при этом зависит от размера и формы частицы, коэффициента преломления по отношению к внешней среде, длины волны падающего светового излучения. Поэтому при работе с гидродинамическими потоками и выборе необходимых методов важно знать характеристики рассеяния лазерного излучения в рабочей среде. Кроме этого, свойства рассеянного излучения могут существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, например, при покрытии засеивающих частиц микроорганизмами, что приведет к изменению как диаграммы рассеивания, так и интенсивности рассеянного частицами излучения, что в свою очередь приведет у уменьшению количества регистрируемых событий (методами ЛДА и PIV) и, соответственно, к уменьшению диапазона частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Таким образом, динамический пробоотбор взвеси засеивающих частиц позволит скорректировать параметры исследуемого явления, а также даст информацию о точности и области применения оптических методов диагностики потоков.The hydrodynamic medium must be considered as a set of particles rescattering the laser radiation, and the absorbing properties of the hydraulic medium must be taken into account. It is necessary to know both the reflective properties of particles suspended in the studied hydraulic medium, their scattering diagram and the dependence of the intensity of the scattered radiation on their size. The spatial structure of the scattered radiation in this case depends on the size and shape of the particle, the refractive index with respect to the external medium, and the wavelength of the incident light radiation. Therefore, when working with hydrodynamic flows and choosing the necessary methods, it is important to know the characteristics of the scattering of laser radiation in a working medium. In addition, the properties of the scattered radiation can significantly change during a hydrodynamic experiment, for example, when the sowing particles are coated with microorganisms, which will lead to a change in both the scattering pattern and the intensity of the radiation scattered by the particles, which in turn will lead to a decrease in the number of recorded events (by the LDA methods and PIV) and, accordingly, to reduce the frequency range of the recorded unsteady flow. Thus, the dynamic sampling of the suspension of sowing particles will allow you to adjust the parameters of the investigated phenomenon, as well as provide information on the accuracy and scope of optical methods for diagnosing flows.

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 гидропотоков и не анализирует динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.The invention is not intended for the study of unsteady hydraulic flows and does not analyze the dynamic diagram of dispersion of suspended particles in a hydraulic flow.

Известны 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-х 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 осциллирующим пузырем. Устройство включает 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. Вихревое течение создавали с помощью вращающейся крышки в цилиндрическом контейнере. С помощью ЛДА измеряли осевую компоненту скорости. На основе анализа временной реализации осевой компоненты скорости определяли временной интервал осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV. Поле скорости вычисляли путем статистического осреднения четырех PIV-образов течения, полученных с временной задержкой t=0,T,2T и 3Т, где Т - полный период колебаний вихревой структуры, генерируемой в цилиндрическом контейнере. Такое кратно-периодическое осреднение мгновенных полей скорости позволило уменьшить случайную ошибку измерений. Однако способ не позволяет анализировать динамическую диаграмму рассеивания взвеси частиц в гидропотоке.The known method and device described in [Naumov I.V., Okulov V.L., Meyer K.E., Sorensen J.N., Shen V. LDA-PIV diagnostics and 3-dimensional calculation of the pulsating swirling flow in 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. The device includes a cylindrical container with a rotating lid, Nd: YAG laser, cylindrical lenses, CCD camera, Dantec 1500 FlowMap image processor, personal computer, argon laser, LDA optical probe, BSA57N2 processor. A vortex flow was created using a rotating cover in a cylindrical container. Using LDA, the axial velocity component was measured. Based on the analysis of the temporal realization of the axial velocity component, the time interval of averaging the instantaneous velocity fields obtained by the PIV method was determined. The velocity field was calculated 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. However, the method does not allow to analyze the dynamic diagram of dispersion of suspended particles in a hydroflow.

Наиболее близким к заявленному устройству является устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV [Патент РФ №121082, 10.05.2012 г., МПК G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], включающее источник лазерного излучения - импульсный лазер, технические характеристики которого составляют: энергия импульса - не менее 120 мДж, частота срабатывания - не менее 16 Гц, приемник изображений засеянных частиц - 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, с оптическими узкополосными фильтрами, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер.Closest to the claimed device is a device for non-contact optical-laser diagnostics of non-stationary modes of eddy flows, based on the joint use of LDA and PIV [RF Patent No. 121082, 05/10/2012, IPC G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7 / 20], which includes a laser radiation source - a pulsed laser, the technical characteristics of which are: pulse energy - at least 120 mJ, response frequency - at least 16 Hz, the image sensor of the seeded particles - two CCD cameras with a frequency resolution of 8 to 16 Hz, located at an angle of 30-120 ° d a friend to each other and at an angle of 15-60 ° to the channel axis behind the rotor of a wind or hydraulic unit, with optical narrow-band filters, an image processing processor, a laser anemometer with an optical probe, made on an argon laser and a Doppler signal processor, and a personal computer.

Наиболее близким к заявленному способу является способ, реализуемый устройством [Патент РФ №121082, 10.05.2012 г., МПК G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], включающий измерение ЛДА осевой компоненты скорости, определение временного интервала осреднения мгновенных полей скорости, полученных методом PIV, и вычисление поля скорости путем статистического осреднения мгновенных полей скорости, причем изображения засеянных частиц в потоке записывают двумя CCD камерами, 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.Closest to the claimed method is the method implemented by the device [RF Patent No. 121082, 05/10/2012, IPC G01P 5/00, G01P 5/26, G06T 7/20], including measuring the axial velocity component of the LDA, determining the averaging time interval instantaneous velocity fields obtained by the PIV method and calculation of the velocity field by statistical averaging of the instantaneous velocity fields, and the images of the seeded particles in the stream are recorded by two CCD cameras mounted at an angle α 1 to each other and angle α 2 to the channel axis behind the rotor, which ensures focusers to the entire area of the light section on the plane of the CCD matrix.

Указанное устройство для реализации способа позволяет записывать изображения через временной интервал для большего, чем у аналога [Наумов И.В., Окулов B.Л., Майер К.Е., Соренсен Ж.Н., Шен В. LDA-PIV диагностика и 3-х 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], числа моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры и, соответственно, проводить статистическое осреднение для большего числа точек, что существенно повышает точность измерения кинематических характеристик нестационарного гидропотока.The specified device for implementing the method allows you to record images through a time interval for more than the analogue [Naumov IV, Okulov B.L., Mayer K.E., Sorensen J.N., Shen V. LDA-PIV diagnostics and 3D calculation of a 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. Peculiarities of the optical diagnostics of pulsating flows // Journal of Technical Physics, 2007, Volume 77, Issue 5, pp. 47-57], the number of time instants within the full period of pulsations of the vortex structure and, accordingly, statistical averaging for a larger number of points, which is essential increases the accuracy of measuring the kinematic characteristics of unsteady flow.

При работе с гидродинамическими потоками в аналогах и прототипах не анализируют диаграмму рассеивания и интенсивность рассеянного частицами излучения в ходе эксперимента, которая может существенно изменяться в ходе гидродинамического эксперимента, что приводит к ошибке измерения характеристик гидропотока вследствие уменьшения количества регистрируемых событий и, соответственно, уменьшения частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока.When working with hydrodynamic flows, analogues and prototypes do not analyze the scattering pattern and the intensity of radiation scattered by particles during the experiment, which can significantly change during the hydrodynamic experiment, which leads to an error in measuring the flow characteristics due to a decrease in the number of recorded events and, accordingly, a decrease in frequency characteristics recorded unsteady flow.

Цель изобретения - повышение эффективности диагностики нестационарного гидропотока путем учета изменения оптических свойств исследуемой среды и тем самым повышение эффективности использования измерительного оборудования.The purpose of the invention is to increase the efficiency of diagnostics of unsteady hydraulic flow by taking into account changes in the optical properties of the test medium and thereby increase the efficiency of the use of measuring equipment.

Указанная цель достигается тем, что в известное устройство, основанное на использовании двух оптических систем (ЛДА и PIV), вводят дополнительный модуль - корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц, что позволяет эффективно разместить относительно лазерного ножа регистрирующие изображение камеры в зависимости от диаграммы рассеивания взвеси калибровочных частиц, а также подстраивать в ходе эксперимента алгоритмы обработки сигналов под изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц, что в свою очередь позволяет адаптивно корректировать чувствительность регистрирующих изображение камер и пороговый уровень обнаружения сигнала и, таким образом, улучшать частотные характеристики регистрирующей аппаратуры, поскольку при этом обеспечивается стабильно большое количество регистрируемых частиц.This goal is achieved by the fact that in the known device based on the use of two optical systems (LDA and PIV), an additional module is introduced - a correction module for sampling the suspension of calibration particles, which allows you to effectively place a camera image recording relative to the laser knife depending on the dispersion diagram of the calibration suspension particles, and also to adjust during the experiment the signal processing algorithms for changing the intensity and particle scattering diagrams, which in turn allows yaet adaptively adjust the sensitivity of the image recording chambers and the signal detection threshold and thus to improve the frequency characteristics of the recording apparatus, because it ensures the stability a large amount of detected particles.

Согласно изобретению в способе бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанном на совместном использовании ЛДА и PIV, включающем определение полного периода пульсаций вихревой структуры гидропотока и временного интервала между сериями изображений, фиксирование CCD камерами в выбранном сечении «лазерного ножа», запись через заданный временной интервал изображений засеянных частиц и статистическое осреднение мгновенных полей скорости, перед началом диагностики гидропотока вычисляют угол А1 оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучением с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в одной плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, и устанавливают CCD камеры под углом А1 друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х или более фиксированных точках нестационарного гидропотока, изображения засеянных частиц в потоке в выбранном сечении «лазерного ножа» фиксируют двумя CCD камерами, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры T, статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости выполняют для n=2÷16 моментов времени выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0,T,2T,… и (m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости, при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц проводят анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучателем с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом A2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, вносят корректировки по уровню пороговой чувствительности регистрирующих изображение CCD камер, причем анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц с внесением корректировок по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер повторяют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.According to the invention, in the method of non-contact optical-laser diagnostics of unsteady hydroflow, based on the joint use of LDA and PIV, which includes determining the full period of pulsations of the vortex structure of the hydroflow and the time interval between series of images, recording CCD cameras in the selected section of the "laser knife", recording after a specified time images interval inoculated particulates and a statistical averaging of instantaneous velocity fields calculated optimal angle A 1 before diagnosis hydraulic flow the location of the CCD cameras relative to each other, taking into account the scattering properties of the hydraulic flow by placing a sample of the working fluid from the measurement area into the cylindrical cuvette of the correction module for sampling the suspension of calibration particles, made of optically transparent material, for example, glass, illuminating the working fluid sample with laser radiation with a wavelength, the corresponding wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, recording the intensity distribution scattered for 30-60 seconds laser radiation suspended particles of six particles or more photodetectors installed in one plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cell, at an angle A 2 relative to each other so that the measurement of radiation intensity in the range from 0 to 180 °, and calculation the average value of the intensity for each angular receiving channel, and install the CCD camera at an angle A 1 to each other and symmetrically with respect to the "laser knife", measurement with determination of the full period of ripple the structure T is carried out at 2 or more fixed points of unsteady hydroflow, the images of the seeded particles in the stream in the selected section of the “laser knife” are recorded with two CCD cameras receiving light reflected through the particles and transmitted through optical prisms through water and recorded at a predetermined time interval T / n for n = 2 ÷ 16 time instants inside the full period of pulsations of the vortex structure T, statistical conditional averaging of instantaneous velocity fields is performed for n = 2 ÷ 16 time instants by selecting fields soon obtained with a time delay t = 0, T, 2T, ... and (m-1) T, where m is the number of instantaneous velocity fields needed to increase the accuracy of measurements when the recorded events are reduced by 10% or more, or after 3 hours from the beginning of diagnostics, the correcting module for sampling the suspension of calibration particles analyzes the spatial characteristics of the scattered radiation and changes in the light-scattering characteristics of the suspension of the seeded hydroflow of particles by placing a sample of the working fluid from the measurement area in a cylindrical cell of a sampling module for sampling the suspension of calibration particles, made of optically transparent material, such as glass, illuminating a sample of the working fluid with a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, recording the intensity distribution of the scattered laser for 30-60 seconds radiation of suspension of particles sifting a hydroflow by six or more photodetectors installed in a plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to cuvettes, at an angle A 2 relative to each other so that the radiation intensity is measured in the range from 0 ° to 180 °, and the average intensity is calculated for each angular receiving channel, adjustments are made according to the level of threshold sensitivity of CCD image-recording cameras, and analysis spatial characteristics of the scattered radiation and changes in the light-scattering characteristics of the suspension of the sowing hydroflow of particles using the correction module for sampling the suspension of calibration particles with by adjusting the sensitivity level of the CCD image-recording cameras, they are repeated in the course of studies when the recorded events are reduced by 10% or more, or every 3 hours.

Согласно изобретению в устройство для реализации способа бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанное на совместном использовании ЛДА и PIV, включающее лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, дополнительно включен корректирующий модуль пробоотбора взвеси частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, шесть или более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0° до 180°.According to the invention, a device for implementing a non-contact optical-laser diagnostic method for unsteady hydraulic flow based on the joint use of an LDA and a PIV, including a laser Doppler anemometer with an optical probe, a processor for processing Doppler signals, two CCD cameras, two optical prisms filled with water, an image processing processor , a personal computer, an additional correction module for particle suspension containing a cylindrical cell from optically transparent material is additionally included and, for example, glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or a laser Doppler anemometer, six or more photodetectors installed around a cylindrical cell in a plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis cuvettes, at an angle A 2 relative to each other so that the measurement of radiation intensity in the range from 0 ° to 180 ° is provided.

Дополнительный модуль пробоотбора взвеси частиц позволяет определять изменение интенсивности и диаграммы рассеивания частиц, что позволяет корректировать параметры регистрирующих детекторов, адаптировать пороговый детектор обнаружения сигнала, и, таким образом, улучшать частотные характеристики регистрирующей аппаратуры, так как обеспечивается большее количество детектируемых частиц. Таким образом, повышается эффективность измерений характеристик нестационарного гидропотока за счет учета изменения свойств регистрируемого рассеянного излучения, которые существенно меняются в ходе продолжительного гидродинамического эксперимента, приводя к ошибке измерения, вследствие уменьшения количества регистрируемых событий. Повышение эффективности измерений позволяет говорить об эффективности использования измерительного оборудования.An additional module for sampling particle suspensions makes it possible to determine the change in intensity and particle dispersion pattern, which allows you to adjust the parameters of the recording detectors, adapt the threshold detector for signal detection, and, thus, improve the frequency characteristics of the recording equipment, since a greater number of detected particles is provided. Thus, the efficiency of measuring the characteristics of unsteady flow is increased by taking into account changes in the properties of the recorded scattered radiation, which change significantly during a long hydrodynamic experiment, leading to a measurement error due to a decrease in the number of recorded events. Increasing the measurement efficiency allows us to talk about the effectiveness of the use of measuring equipment.

На фиг.1 схематически показано изображение устройства бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока.Figure 1 schematically shows a device for non-contact optical-laser diagnostics of unsteady flow.

На фиг.2 схематически показан корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.Figure 2 schematically shows a correction module for sampling the suspension of calibration particles.

Где: 1 - исследуемое течение; 2 - CCD камеры; 3 - процессор обработки изображений; 4 - персональный компьютер; 5 - лазерный доплеровский анемометр (ЛДА) с оптическим зондом; 6 - процессор обработки доплеровских сигналов; 7 - модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц.; 8 - оптические призмы, заполненные водой; 9 световое сечение - «лазерный нож»; A1 - угол между CCD камерами; 10 - стеклянная цилиндрическая кювета; 11 - лазерный излучатель; 12 - фотоприемники, регистрирующие рассеянное излучение; А2 - угол расположения фотоприемников относительно друг друга.Where: 1 - investigated course; 2 - CCD cameras; 3 - image processing processor; 4 - personal computer; 5 - laser Doppler anemometer (LDA) with an optical probe; 6 - processor for processing Doppler signals; 7 - module for sampling suspension of calibration particles .; 8 - optical prisms filled with water; 9 light section - “laser knife”; A 1 - the angle between the CCD cameras; 10 - a glass cylindrical cell; 11 - a laser emitter; 12 - photodetectors detecting scattered radiation; And 2 - the angle of the photodetectors relative to each other.

В устройстве объединены два измерительных комплекса ЛДА и PIV. Устройство оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока 1 включает две CCD камеры 2, установленные под углом А1 друг к другу, две оптические призмы 8, процессор обработки изображений 3 для синхронизации осветительной системы, формирующей лазерный нож 9, и камер, лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом 5, процессор обработки доплеровских сигналов 6, преобразующий электрический сигнал от зонда в информацию о пульсациях скорости, и модуль пробоотбора 7 для контроля интенсивности излучения.The device combines two measuring complexes LDA and PIV. The device for optical-laser diagnostics of unsteady flow 1 includes two CCD cameras 2 installed at an angle A 1 to each other, two optical prisms 8, an image processing processor 3 for synchronizing the lighting system forming the laser knife 9, and cameras, a laser Doppler anemometer with an optical probe 5, a processor for processing Doppler signals 6, converting the electrical signal from the probe into information about the velocity pulsations, and a sampling module 7 for monitoring the radiation intensity.

Модуль пробоотбора 7 включает цилиндрическую кювету 10 из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель 11 с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или ЛДА, шесть или более фотоприемников 12, расположенных вокруг цилиндрической кюветы 10 под углом А2 относительно друг друга, причем крайняя фотокамера установлена под углом A2 относительно оси лазерного излучателя. Угол А2 выбирают таким образом, чтобы обеспечить измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°. Информацию накапливают и обрабатывают с помощью специального программного обеспечения в персональном компьютере 4.The sampling module 7 includes a cylindrical cell 10 made of optically transparent material, such as glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter 11 with a wavelength corresponding to the wavelength of the "laser knife" or LDA, six or more photodetectors 12 located around the cylindrical cell 10 at an angle A 2 relative to each other, and the extreme camera is installed at an angle A 2 relative to the axis of the laser emitter. The angle A 2 is chosen so as to provide a measurement of the radiation intensity in the range from 0 to 180 °. Information is accumulated and processed using special software in a personal computer 4.

Нестационарный гидропоток засеивают светоотражающими частицами, либо используют естественные светорассеиватели, присутствующие в потоке.Unsteady hydroflow is seeded with reflective particles, or use natural diffusers present in the stream.

Перед началом исследования вычисляют угол A1 оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц.Before starting the study, the angle A 1 of the optimal location of the CCD cameras relative to each other is calculated taking into account the scattering properties of the hydraulic flow using the correction module for sampling the suspension of calibration particles.

Образец рабочей жидкости из области измерения течения 1 помещают в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, изготовленную из оптически прозрачного материала, например, стекла, и освещают лазерным излучателем 11 с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра. Распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц регистрируют шестью или более фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10 в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярной оси кюветы, под углом А2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°. Данные записывают в течение 30-60 секунд, а затем определяют среднее значение интенсивности для каждого углового приемного канала.A sample of the working fluid from flow measurement area 1 is placed in a cuvette 10 of a correction module for sampling suspension of calibration particles made of optically transparent material, for example, glass, and illuminated with a laser emitter 11 with a wavelength corresponding to the wavelength of the "laser knife" or laser Doppler anemometer. The intensity distribution of the scattered laser radiation of a suspension of sowing particles is recorded by six or more photodetectors 12 located around the cuvette 10 in a plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cuvette at an angle A 2 relative to each other so that the radiation intensity is measured in the range from 0 up to 180 °. Data is recorded for 30-60 seconds, and then determine the average value of the intensity for each angular receiving channel.

Вычисляют угол размещения CCD камер A1 и устанавливают CCD камеры 2 под углом A1 друг к другу. Расположение камер 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 8, 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. Геометрия оптических призм рассчитывается в зависимости от углов установки камер.The angle of placement of the CCD cameras A 1 is calculated and the CCD of the camera 2 is set at an angle A 1 to each other. The location of the cameras 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 8, 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.

Затем лазерным доплеровским анемометром с оптическим зондом 5 измеряют локальное распределение среднего значения и флуктуации компонент скорости во времени. Измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х и более фиксированных точках гидропотока. ЛДА с оптическим зондом 5 преобразует флуктуации интенсивности регистрируемого светового потока в электрический сигнал, который поступает в процессор обработки доплеровских сигналов 6, где преобразуется в информацию о пульсациях скорости.Then a local Doppler anemometer with an optical probe 5 measures the local distribution of the average value and fluctuation of the velocity components in time. Measurements with the determination of the full period of pulsations of the vortex structure T are carried out at 2 or more fixed points of the hydroflow. An LDA with an optical probe 5 converts the fluctuations in the intensity of the recorded light flux into an electric signal, which enters the Doppler signal processing processor 6, where it is converted into information about the velocity pulsations.

Далее исследуемое нестационарное течение 1 освещают когерентным лазерным светом - "лазерным ножом" 9. Изображения засеянных частиц в потоке фиксируют двумя CCD камерами 2, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы 8 свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры Т. Статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости выполняют для n=2÷16 моментов времени выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, Т, 2Т,… и (m-1)Т, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости.Next, the investigated unsteady flow 1 is illuminated with a coherent laser light — a “laser knife” 9. The images of the seeded particles in the stream are captured with two CCD cameras 2, which receive light reflected through the optical particles and transmitted through water through optical prisms 8, and record after a specified time interval T / n for n = 2 ÷ 16 moments of time inside the full period of pulsations of the vortex structure T. Statistical conditional averaging of the instantaneous velocity fields is performed for n = 2 ÷ 16 moments of time by sampling the velocity fields obtained from the 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.

В ходе длительного эксперимента, более 3-х часов, в результате покрытия засеивающих частиц пленками и колониями биологических микроорганизмов, что ведет к изменению диаграммы интенсивности рассеянного частицами излучения, уменьшает число регистрируемых событий (методами ЛДА и PIV) и ухудшает частотное разрешение характеристик регистрируемого нестационарного потока.During a long experiment, more than 3 hours, as a result of coating the sowing particles with films and colonies of biological microorganisms, which leads to a change in the intensity diagram of the radiation scattered by the particles, reduces the number of recorded events (by the LDA and PIV methods) and degrades the frequency resolution of the characteristics of the recorded unsteady flow .

При уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики с помощью корректирующего модуля пробоотбора 7 осуществляют анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц и вносят корректировки по уровню пороговой чувствительности регистрирующих изображение CCD камер.If the recorded events are reduced by 10% or more, or 3 hours after the start of the diagnostics, the spatial characteristics of the scattered radiation and the changes in the light-scattering characteristics of the suspension of the seeding hydroflow of particles are analyzed using the correction module for sampling 7, and adjustments are made according to the level of the threshold sensitivity of image-recording CCD cameras.

Затем в продолжение исследования при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа повторяют процедуру анализа пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц, включающую помещение образца рабочей жидкости из области измерения течения в кювету 10 корректирующего модуля пробоотбора 7, освещение образца рабочей жидкости лазерным излучателем 11, регистрацию распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц фотоприемниками 12, расположенными вокруг кюветы 10, запись данных в течение 30-60 секунд, анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц и внесение корректировок по уровню пороговой чувствительности регистрирующих CCD камер.Then, in the continuation of the study, when the recorded events are reduced by 10% or more, or every 3 hours, the procedure for analyzing the spatial characteristics of the scattered radiation and changing the light-scattering characteristics of the suspension sifting the hydroflow of particles, including placing a sample of the working fluid from the flow measurement area in cell 10 of the correction sample module, is repeated 7, illumination of the working fluid sample with a laser emitter 11, recording the intensity distribution of the scattered laser radiation Use the photodetectors 12 located around the cell 10 to sow the hydroflow of particles, record data for 30-60 seconds, analyze the spatial characteristics of the scattered radiation and change the light-scattering characteristics of the suspension of the sifting hydroflow of particles, and make adjustments to the level of threshold sensitivity of CCD recording cameras.

За счет внесения корректировок по уровню чувствительности регистрирующих изображение CCD камер меняют пороговый уровень обнаружения сигнала и, таким образом, обеспечивают стабильно большое количество регистрируемых частиц, что позволяет эффективно использовать измерительное оборудование и проводить измерения с учетом изменения оптических свойств исследуемой среды.By making adjustments to the sensitivity level of CCD image-recording cameras, the threshold level of signal detection is changed and, thus, a stably large number of detected particles is provided, which makes it possible to efficiently use measuring equipment and take measurements taking into account changes in the optical properties of the medium under study.

Полученную информацию накапливают и обрабатывают в персональном компьютере 4 с помощью специального программного обеспечения.The obtained information is accumulated and processed in a personal computer 4 using special software.

Использование двух оптических измерительных систем: ЛДА и PIV, совместно с корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных гидропотоков и, тем самым, эффективно использовать измерительное оборудование.The use of two optical measuring systems: LDA and PIV, together with the correction module for sampling the suspension of calibration particles, allows efficient diagnostics of unsteady hydraulic flows and, thus, the efficient use of measuring equipment.

Обоснование промышленной применимости.Justification of industrial applicability.

Были проведены исследования на модельном течении. Течение создавалось с помощью вращающейся крышки в замкнутом цилиндрическом контейнере. Поток засеивался частицами PSP (50 мкм) фирмы DANTEC (Дания).Studies were conducted on a model course. The flow was created using a rotating cover in a closed cylindrical container. The flow was seeded with PSP particles (50 μm) from DANTEC (Denmark).

Для диагностики течения использовалось измерительное оборудование фирмы Dantec. 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. Использовалось программное обеспечение PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.To diagnose the flow, Dantec measuring equipment was used. 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. Image registration was carried out on two Dantec HiSense II cameras with a resolution of 1344 × 1024 pixels, which were installed at different angles to each other. Used software PIV - Dantec Dynamic Studio Version 2.21.

После 12 часов эксперимента интенсивность рассеянного излучения уменьшилась на 20%, что привело к уменьшению регистрируемых событий с 300 частиц в секунду до 100, что в свою очередь привело к уменьшению частотных характеристик регистрируемого нестационарного потока. Адаптивная регулировка порогового детектора полезного сигнала по измеренной интенсивности фотоприемников модулем пробоотбора позволила увеличить количество регистрируемых частиц до первоначального значения, 300 частиц, и регистрировать пульсационные характеристики гидропотока.After 12 hours of the experiment, the intensity of the scattered radiation decreased by 20%, which led to a decrease in the recorded events from 300 particles per second to 100, which in turn led to a decrease in the frequency characteristics of the recorded unsteady flow. Adaptive adjustment of the threshold detector of the useful signal according to the measured intensity of the photodetectors by the sampling module made it possible to increase the number of registered particles to the initial value, 300 particles, and to register the pulsating characteristics of the hydraulic flow.

Результаты проведенных исследований показали, что использование корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц позволяет эффективно проводить диагностику нестационарных гидропотоков.The results of the studies showed that the use of a corrective module for sampling the suspension of calibration particles allows efficient diagnostics of unsteady hydraulic flows.

Claims (2)

1. Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанный на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включающий определение полного периода пульсаций вихревой структуры гидропотока и временного интервала между сериями изображений, фиксирование CCD камерами, запись через заданный временной интервал изображений засеянных частиц в потоке и статистическое осреднение мгновенных полей скорости, отличающийся тем, что перед началом диагностики гидропотока вычисляют угол А1 оптимального расположения CCD камер относительно друг друга с учетом рассеивающих свойств гидропотока путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучением с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в одной плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, устанавливают CCD камеры под углом А1 друг к другу и симметрично относительно «лазерного ножа», измерения с определением полного периода пульсаций вихревой структуры Т проводят в 2-х или более фиксированных точках нестационарного гидропотока, изображения засеянных частиц в потоке в выбранном сечении «лазерного ножа» фиксируют двумя CCD камерами, принимающими отраженный частицами и прошедший через заполненные водой оптические призмы свет, и записывают через заданный временной интервал Т/n для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры T, статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости выполняют для n=2÷16 моментов времени выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, T, 2Т,… и (m-1)T, где m - число необходимых для повышения точности измерений мгновенных полей скорости, при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через 3 часа с начала диагностики корректирующим модулем пробоотбора взвеси калибровочных частиц проводят анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц путем помещения образца рабочей жидкости из области измерения в цилиндрическую кювету корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, выполненную из оптически прозрачного материала, например, стекла, освещения образца рабочей жидкости лазерным излучателем с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, регистрации в течение 30-60 секунд распределения интенсивности рассеянного лазерного излучения взвеси засеивающих гидропоток частиц шестью или более фотоприемниками, установленными в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом A2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°, и расчета среднего значения интенсивности для каждого углового приемного канала, вносят корректировки в параметры пороговой чувствительности CCD камер, причем анализ пространственных характеристик рассеянного излучения и изменения светорассеивающих характеристик взвеси засеивающих гидропоток частиц с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц с внесением корректировок в параметры пороговой чувствительности CCD камер повторяют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.1. A method of non-contact optical-laser diagnostics of unsteady hydroflow, based on the combined use of laser Doppler anemometry (LDA) and digital tracer imaging (PIV), which includes determining the full period of pulsations of the vortex structure of the hydroflow and the time interval between series of images, recording CCD cameras, recording through a predetermined time interval of images of seeded particles in the stream and statistical averaging of instantaneous velocity fields, characterized in that before the start of diagnostics and hydraulic flow calculated angle A1 optimum location CCD cameras relative to each other with the scattering properties of hydraulic flow by placing the working fluid sample from the measurement region in a cylindrical cuvette correction module sampling slurry calibration particles made of an optically transparent material, e.g., glass, illumination of the working fluid sample laser radiation with a wavelength corresponding to the wavelength of the "laser knife" or laser Doppler anemometer, registration within 30-60 sec nd of the distribution of the intensity of the scattered laser radiation of a suspension of sowing particles by six or more photodetectors installed in the same plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis of the cuvette, at an angle A 2 relative to each other so that the radiation intensity is measured in the range from 0 to 180 ° , and calculating the average value of the intensity for each angular receiving channel, set the CCD camera at an angle A 1 to each other and symmetrically with respect to the "laser knife", measurements with By dividing the entire period of pulsations of the vortex structure T, they are carried out at 2 or more fixed points of the unsteady hydraulic flow, the images of the seeded particles in the stream in the selected section of the “laser knife” are fixed with two CCD cameras receiving light reflected through the particles and transmitted through optical prisms and filled with water after a given time interval T / n for n = 2 ÷ 16 time moments inside the full period of pulsations of the vortex structure T, statistical conditional averaging of instantaneous velocity fields is performed for n = 2 16 points in time by sampling the velocity fields obtained with a time delay t = 0, T, 2T, ... and (m-1) T, where m is the number of instantaneous velocity fields necessary to increase the accuracy of measurements when the recorded events decrease by 10% or more or 3 hours after the start of diagnostics, the correction module for the suspension of suspension of calibration particles is analyzed by analyzing the spatial characteristics of the scattered radiation and changing the light-scattering characteristics of the suspension of the particles sifting the hydroflow by placing a sample of the working fluid from the region measuring into a cylindrical cuvette a correction module for sampling suspension of calibration particles made of optically transparent material, for example, glass, illuminating a working fluid sample with a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, recording within 30-60 seconds the intensity distribution of the scattered laser radiation suspended particles sowing hydroflow particles of six or more photodetectors installed in a plane passing through the axis a laser emitter and perpendicular to the axis of the cuvette, at an angle A 2 relative to each other so that the radiation intensity is measured in the range from 0 to 180 °, and the average intensity is calculated for each angular receiving channel, adjustments are made to the threshold sensitivity parameters of CCD cameras, moreover analysis of spatial characteristics of scattered radiation and changes in the light-scattering characteristics of a suspension of sowing hydroflow of particles using a correction module for sampling calibration suspensions particles with adjustments to the threshold sensitivity parameters of the CCD cameras are repeated in the continuation of research with a decrease in recorded events by 10% or more, or every 3 hours. 2. Устройство бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока, основанное на совместном использовании LDA и PIV, включающее лазерный доплеровский анемометр с оптическим зондом, процессор обработки доплеровских сигналов, две CCD камеры, две оптические призмы, заполненные водой, процессор обработки изображений, персональный компьютер, отличающееся тем, что в устройство дополнительно включен корректирующий модуль пробоотбора взвеси калибровочных частиц, содержащий цилиндрическую кювету из оптически прозрачного материала, например, стекла, для размещения образца рабочей жидкости, лазерный излучатель с длиной волны, соответствующей длине волны «лазерного ножа» или лазерного доплеровского анемометра, шесть и более фотоприемников, установленных вокруг цилиндрической кюветы в плоскости, проходящей через ось лазерного излучателя и перпендикулярно оси кюветы, под углом А2 относительно друг друга так, что обеспечивается измерение интенсивности излучения в диапазоне от 0 до 180°. 2. A device for non-contact optical-laser diagnostics of unsteady hydraulic flow based on the joint use of LDA and PIV, including a laser Doppler anemometer with an optical probe, a processor for processing Doppler signals, two CCD cameras, two optical prisms filled with water, an image processing processor, a personal computer, characterized in that the device further includes a correction module for sampling a suspension of calibration particles containing a cylindrical cell from an optically transparent material for example, glass, for placing a sample of the working fluid, a laser emitter with a wavelength corresponding to the wavelength of the “laser knife” or laser Doppler anemometer, six or more photodetectors installed around a cylindrical cell in a plane passing through the axis of the laser emitter and perpendicular to the axis cuvettes, at an angle A 2 relative to each other so that the measurement of radiation intensity in the range from 0 to 180 ° is provided.
RU2013103373/28A 2013-01-24 2013-01-24 Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end RU2523737C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103373/28A RU2523737C1 (en) 2013-01-24 2013-01-24 Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013103373/28A RU2523737C1 (en) 2013-01-24 2013-01-24 Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2523737C1 true RU2523737C1 (en) 2014-07-20
RU2013103373A RU2013103373A (en) 2014-07-27

Family

ID=51217828

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013103373/28A RU2523737C1 (en) 2013-01-24 2013-01-24 Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2523737C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105319050A (en) * 2015-09-10 2016-02-10 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 Test measuring system of riverbank lateral erosion collapse rate and measuring method thereof
RU2647157C1 (en) * 2016-12-14 2018-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method for complex express diagnostics of periodic nonstationary vortex flow and device for its implementation
RU2795643C1 (en) * 2022-04-04 2023-05-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" Method for studying vortex flows of multicomponent gas mixtures and devices for its implementation

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1091076A1 (en) * 1983-01-07 1984-05-07 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт Optical doppler meter of reynolds stresses in liquid or gas flow
SU1244595A1 (en) * 1984-11-05 1986-07-15 Институт Проблем Механики Ан Ссср Method of determining velocity fields of non-stationary liquid flows
EP0426341A2 (en) * 1989-11-03 1991-05-08 United Kingdom Atomic Energy Authority Particle size and velocity determination
JP2004020385A (en) * 2002-06-17 2004-01-22 Rikogaku Shinkokai System for measuring time-serial fluid velocity in plane and space
US6874480B1 (en) * 2000-07-03 2005-04-05 Combustion Dynamics Corp. Flow meter
GB2480440A (en) * 2010-05-17 2011-11-23 Daoyi Chen Ultra-high speed LDA-PIV with integrated intelligent algorithm and smart sensors
RU121082U1 (en) * 2012-05-10 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) DEVICE OF CONTACTLESS OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY VORTEX FLOW MODES

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1091076A1 (en) * 1983-01-07 1984-05-07 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт Optical doppler meter of reynolds stresses in liquid or gas flow
SU1244595A1 (en) * 1984-11-05 1986-07-15 Институт Проблем Механики Ан Ссср Method of determining velocity fields of non-stationary liquid flows
EP0426341A2 (en) * 1989-11-03 1991-05-08 United Kingdom Atomic Energy Authority Particle size and velocity determination
US6874480B1 (en) * 2000-07-03 2005-04-05 Combustion Dynamics Corp. Flow meter
JP2004020385A (en) * 2002-06-17 2004-01-22 Rikogaku Shinkokai System for measuring time-serial fluid velocity in plane and space
GB2480440A (en) * 2010-05-17 2011-11-23 Daoyi Chen Ultra-high speed LDA-PIV with integrated intelligent algorithm and smart sensors
RU121082U1 (en) * 2012-05-10 2012-10-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) DEVICE OF CONTACTLESS OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY VORTEX FLOW MODES

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105319050A (en) * 2015-09-10 2016-02-10 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 Test measuring system of riverbank lateral erosion collapse rate and measuring method thereof
CN105319050B (en) * 2015-09-10 2017-12-15 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 The testing & measuring system and its method for measurement of riverbank lateral erosion avalanche speed
RU2647157C1 (en) * 2016-12-14 2018-03-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук (ИТ СО РАН) Method for complex express diagnostics of periodic nonstationary vortex flow and device for its implementation
RU2795643C1 (en) * 2022-04-04 2023-05-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Удмуртский государственный университет" Method for studying vortex flows of multicomponent gas mixtures and devices for its implementation
RU2814804C1 (en) * 2023-12-07 2024-03-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук Method for diagnosing flow in vortex chamber

Also Published As

Publication number Publication date
RU2013103373A (en) 2014-07-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jensen Flow measurements
AU2013327811B2 (en) One-dimensional global rainbow measurement device and measurement method
RU2385461C2 (en) Optical time-of-flight velocimetre
Lacagnina et al. Simultaneous size and velocity measurements of cavitating microbubbles using interferometric laser imaging
Hyun et al. Assessment of PIV to measure mean velocity and turbulence in open-channel flow
RU2523737C1 (en) Contactless optical-laser diagnostics of transient hydraulic flow and device to this end
RU121082U1 (en) DEVICE OF CONTACTLESS OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY VORTEX FLOW MODES
Hachiga et al. Development of a multi-point LDV by using semiconductor laser with FFT-based multi-channel signal processing
Schaeper et al. Velocity measurement for moving surfaces by using spatial filtering technique based on array detectors
RU128336U1 (en) DEVICE FOR OPTICAL-LASER DIAGNOSTICS OF NON-STATIONARY HYDROFLOWS
JP6909273B2 (en) Flow rate measuring method and flow measuring device for measuring flow rate optically
Yaacob et al. A novel laser Doppler anemometer (LDA) for high-accuracy turbulence measurements
RU2498319C1 (en) Method for non-contact optic-laser diagnostics of non-stationary modes of eddy flows, and device for its implementation
RU2647157C1 (en) Method for complex express diagnostics of periodic nonstationary vortex flow and device for its implementation
JP2022529308A (en) Optical fluid velocity measurement
RU2812314C1 (en) Method for determining parameters of drops in non-stationary aerosol flow
CN108801377A (en) A kind of Optical devices for specialized fluids flow velocity and flow measurement
Cadel et al. Time-domain cross-correlation scan DGV (CCS-DGV) for mean-velocity boundary layer measurements
Yao et al. Synthetic jets in quiescent air
CN206132146U (en) Liquid flow's survey device
RU2771880C1 (en) Method for determining the parameters of the dispersed phase in an aerosol stream
RU193689U1 (en) Laser device for measuring the attenuation coefficient of the aquatic environment
CN213544320U (en) Constant temperature laser particle size analyzer check out test set
Hyun et al. PIV/LDV measurements of mean velocity and turbulence in a complex open channel flow
Zhan et al. The design of a small flow optical sensor of particle counter

Legal Events

Date Code Title Description
QA4A Patent open for licensing

Effective date: 20180215

MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20210125