RU2814804C1 - Способ диагностики течения в вихревой камере - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области оптической диагностики течения жидкости. Способ диагностики течения в вихревой камере, основанный на цифровой трассерной визуализации (PIV), включает создание в камере закрученного потока с параметром крутки S, сохранение в PIV-анализаторе мгновенных полей скоростей и отбор из этих полей данных, соответствующих одной пространственной фазе вращения вихревых структур. Фазовое осреднение PIV-данных проводят с учетом периодичности сигнала давления на внутренних стенках камеры: периодичность давления связана с эволюцией вихрей в камере. Технический результат – повышение соотношения сигнал/шум и качества визуализации вихревых структур. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к области диагностики течений с помощью введенных трассерных частиц, а именно к способам диагностики и визуализации вихревых структур с помощью техники трассерной визуализации (PIV) в вихревой камере.

Экспериментальная диагностика и визуализация закрученных потоков с образованием крупномасштабных вихревых структур представляет значительный интерес для различных технических приложений, например, применительно к камерам сгорания, вихревым сепараторам и циклонам, вихревым химическим реакторам.

Проведение детальных экспериментальных исследований на натурных турбинах невозможно или представляет собой большую сложность. Выходом из этой ситуации является использование модельных вихревых камер, выполненных из оптически прозрачного материала [Скрипкин С.Г., Цой М.А., Шторк С.И. Экспериментальное исследование формирования двойного перцессирующего вихревого жгута в модельных отсасывающих трубах // Вестник Новосиб. гос. ун-та. Серия: Физика. 2015. Т. 10, вып. 2. С. 73-82; Скрипкин С.Г., Куйбин П.А., Шторк С.И. Влияние инжекции воздуха на параметры закрученного течения в модели отсасывающей трубы TURBINE-99 // Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41, вып. 13. С. 48-55]. Например, выявление режима двойного или прецессирующего вихревого ядра помогает подавить термоакустические нестабильности в камере сгорания с вихревой стабилизацией.

Отдельный интерес представляет режим течения с образованием двуспирального вихря и интервал его существования (то есть условия распада вихря). Для этого широко используются бесконтактные оптические устройства, такие как системы лазерно-доплеровсокой анемометрии (ЛДА) и оптические устройства трассерной визуализации (Particle Image Velocimetry – PIV), которые позволяют измерить поле скоростей (компоненты скорости течения) в модельной (оптически прозрачной) вихревой камере.

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

В патенте RU 2498319 (опубл.10.11.2013) описан способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики для вихревых течений, в котором для построения трехмерного поля скоростей в модельной камере применяют совместно лазерную доплеровскую анемометрию (ЛДА) и цифровую трассерную визуализацию (PIV), причем определяют полный период пульсаций вихревой структуры, проводя усреднение для n=2÷16 моментов времени. Такой способ является трудоемким и требует совмещения данных от двух различных оптических методов.

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

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

Целью изобретения является способ точной диагностики вихревой картины течения в прозрачной модельной вихревой камере с помощью трассерной визуализации (PIV) и оценка обнаруженных вихревых структур по оценочным параметрам в виде безразмерных скалярных параметров.

Указанная цель достигается тем, что способ измерения поля скоростей с помощью PIV-оборудования дополняется фазовым усреднением данных PIV с накоплением и усреднением данных о поле скорости закрученного потока. Далее PIV-данные (или поле скоростей в плоскости лазерного ножа PIV-установки) означает данные о проекции скорости трассерных частиц на оптическую плоскость измерения при подаче одиночных импульсов лазерного излучения.

Способ диагностики течения в вихревой камере посредством PIV-анализа, включает следующие этапы:

обеспечивают прозрачную вихревую камеру с подачей через тангенциальные сопла рабочей жидкости для формирования закрученного потока; вычисляют расчетный параметр крутки S для потока при фиксированном массовом расходе рабочей жидкости; обеспечивают импульсный лазер, оптику для лазерного ножа (eng. – light sheet) и PIV-анализатор для вычисления PIV-данных; измеряют мгновенные PIV-данные от единичных импульсов лазерного излучения; сохраняют мгновенные PIV-данные в PIV-анализаторе; регистрируют сигнал от датчиков давления на внутренних стенках вихревой камеры; вычисляют интервала периодичности в сигнале давления исходя из найденных максимумов сигнала давления; отбирают мгновенные PIV-данные с вычисленным интервалом периодичности. Далее проводят усреднение совокупности отобранных мгновенных PIV-данных и визуализацию усредненных данных по параметру (параметрам) визуализации.

Фазовое усреднение (отбор полей скорости соответствующих одной пространственной фазе нестационарного спиралевидного вихря) достигается с помощью периодических опорных сигналов от прецизионных датчиков давления, расположенных по периметру вихревой камеры. В свою очередь, периодические опорные сигналы давления порождаются изменением давления в жидкости из-за близкого прохождения вихря (ядра прецессирующего вихря).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 схематично изображена прозрачная вихревая камера, в которой реализуется заявленный способ.

На фиг. 2 представлена запись лазерных импульсов для PIV-анализа в камере и сигнала давления от датчиков давления на внутренних стенках вихревой камеры.

На фиг. 3 изображен пример диагностики двойного спирального вихря в вихревой камере по критерию визуализации для поля скоростей.

Способ диагностики вихревого течения в вихревой камере включает следующие этапы. Обеспечивается вихревая камера 1, выполненная из прозрачного материала (например, из полиметакрилата или стекла) в который через насос подают рабочую жидкость с микрочастицами нейтральной плавучести, которые служат для отражения оптического излучения от импульсного лазера 4. Импульсный лазер 4 с помощью лазерного ножа 2 образует световую плоскость для оптической диагностики течения в вихревой камере 1. Поток рабочей жидкости со взвесью отражающих частиц микронного размера подают через тангенциальные сопла 3 (расположенные в один или несколько ярусов), что создает в камере закрученное течение, для которого вычисляют конструктивный параметр крутки потока S для вихревых камер тангенциального типа. Конструктивный параметр крутки S для осесимметричной камеры вычисляют по формуле (1) :

S = D²sin(γ)/(N·s), (1)

который можно вычислить, исходя из геометрии вихревой камеры: D – диаметр камеры, N – количество сопел, s – площадь одного сопла, а γ - угол поворота сопел относительно центральной оси камеры. Поток рабочей жидкости выходит из камеры через верхнее выпускное отверстие и возвращается в емкость с рабочей жидкостью. При определенной величине параметра закрутки S в камере генерируется когерентная вихревая структура, которая имеет пространственную периодичность (спиралевидные вихри). Прохождение вихря (или нескольких вихрей) вблизи стенки камеры вызывает пик давления, который регистрируют с помощью, по меньшей мере одного, прецизионного датчика давления 5. Данные с датчиков давления поступают на блок обработки сигнала давления 8, включающий многоканальный АЦП. Блок обработки сигнала 8 обрабатывает сигнал давления в цифровом формате и вычисляет максимумы сигнала и периодичность сигнала давления, связанную с периодической эволюцией вихрей.

PIV-данные получают с помощью импульсного лазера 4 с оптикой, камеры 7 (или двух камер для стерео-варианта PIV) для регистрации отраженного излучения и PIV-анализатора 6, В PIV-анализаторе 6 сохраняют первичные PIV-данные, полученные при обработке изображений от пары лазерных импульсов в плоскости лазерного ножа. Первичные PIV-данные вычисляют в виде поля скоростей введенных трассерных частиц, которые получают из координат каждой отражающей частицы из двух последовательных снимков картины течения за время между двумя лазерными импульсами t_PIV. При течении в тестовой камере, кроме вихревого течения, существуют шумы, связанные с турбулентными флуктуациями в потоке. Задача повышения соотношения сигнал/шум решается с помощью фазового усреднения полей скоростей, полученных из мгновенных полей скорости частиц.

Схема отбора первичных PIV-данных иллюстрируется на фиг. 2. На фиг. 2) показана кривая 10 сигнала давления (в относительных единицах от одного датчика давления. Кривая давления 10 имеет максимумы 11 и 12, которые соответствуют моментам прохождения вихря вблизи него. Разница времени между моментами 11 и 12 принимается как время вращения вихря Тв. Частые пики на рис. 2 описывают сигнал с фотодетектора 13, отображающие импульсы лазера (то есть моменты для измерения картины частиц в сечении измерения). Интервал между вспышками лазера обозначен как Δt _PIV. Для фазового осреднения картины течения выбираются только те поля скоростей (мгновенные PIV-данные), которые близки к моментам времени 11 и 12, отвечающим максимумам на кривой давления 10. Запись давления с датчиков давления 5 с высоким разрешением осуществляется в цифровом формате, поэтому нахождение времени максимальных сигналов давления 11 и 12 и вычисление интервала периодичности сигнала давления осуществляется с помощью стандартных программ обсчета цифровых экспериментальных данных. Разница между моментами 11 и 12 обозначена как время вращения вихря Тв, которое далее задает интервал для фазового усреднения PIV-данных в PIV-анализаторе 3.

Из совокупности полей скоростей для сечения в плоскости лазерного ножа (которые записаны в памяти PIV-анализатора 3), программа обработки данных отбирает только те данные (PIV поля скорости), которые повторяются через полный период колебаний вихревой структуры Tв (например, это кадры с камеры, близкие к моментам максимума сигнала давления 11 и 12). Поля скоростей, выбранные с интервалом Тв, суммируют в памяти PIV-анализатора 3 и усредняют по количеству измерений. Это дает усредненное поле скорости течения, которое соответствует одной фиксированной пространственной фазе вихревой структуры. Фазово-пространственное осреднение поля скоростей позволяет выделять когерентные вихревые структуры за счёт увеличения соотношения сигнал/шум. При наличии нескольких пьезоэлектрических датчиков давления 5 на стенках вихревой камеры, осреднение осуществляют на интервале прохождения одного вихря между двумя соседними датчиками давления 5.

Далее усредненные данные о поле скоростей в камере (первичные PIV поля скорости) выводят на монитор для визуального анализа картины скоростей.

В другом варианте осуществления изобретения, осуществляют математическую обработку для усредненных PIV-данных. В одном варианте, производят обсчет первичных PIV-данных по критерию Г₁:

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

На фиг. 3 приведен пример поля скоростей (в выбранном горизонтальном сечении вихревой камеры) для потока с конструктивным параметром крутки S= 6.1. Темных цветом (параметр Г₁ близок к единице) визуализированы ядра двух вихрей.

Результаты диагностики по параметру Г₁ для фазоосредненного поля скоростей показывает существование двойного вращающегося вихря (прецессирующего вихревого ядра – ПЯВ).

Пример.

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

Для реализации способа использовалась высокоскоростная PIV системы в составе: двухканальный лазерный модуль Vlite-hi-100 (частота повторения импульсов 100Гц, энергия в импульсе до 100 мДж, длительность импульса до 15 нс, длина волны 532 нм); «рука» (оптический манипулятор) для доставки лазерного излучения из семи подвижных сегментов с потерями на излучение не более 10%; скоростная монохромная камера JAI SP-5000M-CXP2 c частотой съёмки 211 Гц при максимальном разрешении 2560 x 2048 (5Мп); объектив Nikon SIGMA 50 мм f/2.8D; PIV-анализатор «Полис».

В установке использовалась камера JAI SP-5000M-CXP2 и программное обеспечение ActualFlow (от компании Сигма-Про, Россия), в котором реализуется проведение PIV экспериментов. Толщина лазерного ножа, образованного цилиндрической линзой, составляла около 0,8 мм в плоскости измерения. Поток жидкости засеивался полиамидными частицами плотностью 1030 кг/м³ со средним размером частицы 30 мкм. В каждом исследуемом режиме набиралась статистика по 5000 пар мгновенных кадров. Расчет двумерных полей скорости проводился с помощью коммерческого программного обеспечения ActualFlow.

Для изучения когерентной составляющей вихревого течения в верхней области рабочего участка были вмонтированы 4 пьезоэлектрических датчика давления, сигнал с которых посредством 4х канального АЦП записывался одновременно с сигналом с PIV системы на ПК. Именно одновременная реализация сигнала давления после соответствующей обработки позволила из набора мгновенных PIV полей скорости отобрать поля, соответствующие одной пространственной фазе вихревой спирали.

Одним из варьируемых параметров при диагностике вихревого течения является число Рейнольдса Re=D·U/ν, где U = Q/A – среднерасходная скорость при объемном расходе Q и сечении камеры A = (πD²)/4, ν – кинематическая вязкость, D – диаметр камеры. Число Рейнольдса Re меняется в пределах от 6000 при расходе Q = 3м³/ч и до 52000 (при Q = 25м³/ч). С помощью фазоосредненных PIV-данных было установлено, что устойчивые вихревые структуры возникают в закрученном потоке, начиная с числа Рейнольдса Re = 15000.

При диагностике картины течения в вихревой камере вычисляют параметр крутки: S = D²sin(γ)/(N·s), который можно вычислить, исходя из геометрии вихревой камеры: где D = 190 мм – диаметр камеры, N = 12 – количество сопел, s = 14 мм × 23 мм – площадь одного сопла, а γ – угол поворота сопел относительно центральной оси. При этом для изменения параметра крутки S изменяют угол поворота сопел относительно центральной оси камеры.

Вокруг рабочей камеры модельного вихревого реактора на прецизионных направляющих (обеспечивающих точность позиционирования до 1 мм) была установлена скоростная PIV система рис. 1).

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

Пример визуализации двух вихрей в камере приведен на фиг. 3 (темные области соответствуют ядрам вихрей).

Этот пример диагностики показывает, что оптический PIV метод диагностики с фазовым усреднением мгновенных PIV-данных позволяет провести быстро и с высокой точностью диагностику вихревых структур в модельной вихревой камере.

Claims (14)

1. Способ диагностики течения в вихревой камере, основанный на цифровой трассерной визуализации (PIV) и включающий:

(а) обеспечение прозрачной вихревой камеры с подачей рабочей жидкости через тангенциальные сопла для формирования закрученного потока жидкости;

(b) вычисление расчетного параметра крутки S для потока при фиксированном массовом расходе рабочей жидкости;

(c) обеспечение импульсного лазера, оптики для лазерного ножа, цифровой камеры, и PIV-анализатора для обработки изображений с цифровой камеры;

(d) измерение последовательности мгновенных PIV-данных от парных импульсов лазерного излучения;

(e) сохранение мгновенных PIV-данных в PIV-анализаторе;

(f) регистрацию сигнала от датчиков давления на внутренних стенках вихревой камеры;

(g) вычисление интервала периодичности в сигнале давления по найденным максимумам сигнала давления;

(h) отбор мгновенных PIV-данных с интервалом периодичности, вычисленных на этапе (g);

(i) усреднение мгновенных PIV-данных, отобранных на этапе (h);

(j) визуализацию усредненных PIV-данных.

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

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что визуализацию данных проводят для параметра .

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметр крутки вычисляют из соотношения , где D – диаметр камеры, N – количество сопел, s – площадь одного сопла, а – угол поворота сопел относительно центральной оси камеры.