Стартовая >> Архив >> Генерация >> Закрученные потоки

Лазерный спекл-метод - Закрученные потоки

Оглавление
Закрученные потоки
Предисловие
Список обозначений
Характеристики закрученных потоков
Формирование закрученных течений
Основные эффекты закрутки
Теоретические методы
Проблемы моделирования поля течения
Осесимметричные закрученные течения
Неосесимметричные закрученные течения
Экспериментальные методы
Измерение температуры
Лазерный спекл-метод
Закрученные течения в технике
Поршневые двигатели
Газотурбинные двигатели
Топки, горелки, циклоны
Стабилизация пламени
Стабилизация пламени в однородной смеси
Спектр энергии турбулентных пульсаций
Влияние турбулентности на горение и скорость распространения пламени
Стабилизация пламени плохообтекаемым телом
Стабилизация пламени закруткой
Стабилизация пламени в камерах сгорания газотурбинных двигателей
Закрученные струи
Пламена в закрученных потоках
Вихревые явления и огневые смерчи
Характеристики турбулентности в закрученных течениях
Расчет слабозакрученных течений
Характерные особенности закрученных потоков
Рециркуляционные зоны
Размер и форма рециркуляционной зоны
Потеря устойчивости, распад вихри и прецессирующее вихревое ядро
Горение в закрученном потоке
Моделирование потоков в вихревых горелках
Пределы срыва и устойчивость пламени
Математическое моделирование потоков в вихревых горелках
Выбросы загрязняющих веществ
Промышленные топки и камеры сгорания с вихревыми горелками
Расчет сильнозакрученных струй
Расчет сильнозакрученных факелов
Проектирование вихревых горелок
Общие представления о циклонных сепараторах и камерах сгорания
Циклонные сепараторы
Циклонные камеры сгорания
Структура пламени в циклонной камере сгорания
Циклоны, циклонные камеры сгорания, образование рециркуляционного вихря
Расчет течения в циклонной камере
Труба Ранка-Хилша
Вихревые топки
Камеры сгорания газотурбинных двигателей
Шум, вызываемый неустойчивостью горения
Литература

Во многих технических устройствах наблюдаются вибрации и колебания. Это характерно для станков, автомобилей, систем с горением. Такие возмущения крайне нежелательны, даже если не принимать во внимание генерируемый при этом шум. Системы с горением часто генерируют низкочастотные акустические пульсации большой амплитуды, которые не только неприятны, но порой становятся такими интенсивными, что могут вызвать повреждение камеры сгорания и (или) связанного с ней оборудования. Хотя резонансные явления, возникающие в многих типах систем с горением (топки, циклоны и т. п.), могут быть устранены различными методами, это может потребовать применения очень дорогостоящего метода проб и ошибок.
Пока невозможно в полной мере на основе теории и при начальной конструктивной проработке предотвратить возникновение резонансных колебаний. Причины неопределенности связаны с наличием различных комбинаций условий, приводящих к возникновению колебаний. Для многих типов возникающих колебаний точный механизм возбуждения все еще не известен. Математический поэлементный анализ системы труден и может дать только возможное объяснение механизма возбуждения. Поэтому обычно явления неустойчивости при горении в бойлерах, топках и камерах сгорания рассматриваются как отдельные вопросы.

Обычный метод исследования вибрации в объекте состоит в использовании датчиков давления или конденсаторных микрофонов вместе с частотным анализатором. К сожалению, эти традиционные методы имеют много недостатков, таких, как большая трудоемкость, дороговизна, ограниченное пространственное разрешение, и при их использовании могут измениться амплитудно-частотные характеристики пульсаций в объекте Хотя пространственное распределение вибрации на объекте может быть определено выборочной установкой датчиков на поверхности объекта, оно может измениться вследствие физического присутствия датчиков, особенно в высокотемпературной среде, где требуется водяное охлаждение датчиков. Если размеры исследуемого объекта велики, вышеупомянутый метод может быть очень трудоемким и дорогим. В то же время измерения плоской вибрации, смещений, вращений и деформации могут быть выполнены относительно легко спекл-методом рассеянного лазерного света. Этот метод может быть также использован в случае неплоской вибрации и колебаний. Главные преимущества этого метода — простота, дешевизна и относительная легкость представления и интерпретации результатов. В отличие от голографической интерферометрии требования спекл-метода к механической устойчивости не такие жесткие. Другое преимущество спекл-метода состоит в том, что его результаты можно наблюдать в реальном времени. При использовании этого метода можно непосредственно наблюдать, например, поведение вибрирующей панели, идентифицировать резонансные узловые точки и их расположение без записи и обработки большого объема данных.
Простота спекл-метода определяет его многочисленные применения, например при исследовании автомобилей, самолетов, камер сгорания, бойлеров и топок. Другой пример его применения — исследование деформаций в стыках элементов из сборного предварительно напряженного бетона. Эти элементы в виде больших панелей, перекрытий и несущих стен широко используются в строительстве. Сборка этих элементов с образованием стыков при создании конструкций играет важную роль в жесткости структуры. Измерение смещений обычными методами не позволяет получить достаточную информацию об общем поведении стыков. И лишь спекл-метод дает удовлетворительные результаты. При освещении рассеивающего объекта импульсным лазером можно получить пространственное распределение скорости в этом объекте.

Спекл-метод является методом, позволяющим выполнять тонкие измерения а) происходящих в плоскости смещений, вращений, вибрации и деформации и б) неплоского вращения. Для измерения в плоскости вибрации объекта выполняется фотографирование объекта с двойной экспозицией при освещении рассеянным лазерным светом до и после деформации. Малые смещения объекта образуют совокупность пятен (спеклов), и по относительному смещению пятен в двух экспозициях можно определить малые смешения объекта. В случае непрерывной вибрации объекта будет наблюдаться стационарная (или движущаяся) картина распределения пятен. Картина распределения пятен будет стационарной в том случае, когда частота вибрации объекта не будет меняться во времени. Для измерения неплоского вращения надо лишь незначительно изменить систему регистрации Вместо фотографирования пятнистой картины в плоскости изображения пленка смещается в заднюю фокальную плоскость объектива таким образом, чтобы пятна наблюдались в этой плоскости. Характерный размер картины случайного распределения пятен будет одинаковым при плоском и неплоском вращении (или вибрации) объекта. Пятно в плоскости пленки не связано со светом, рассеянным в окрестности соответствующей точки поверхности объекта. Вместо этого каждое пятно образуется всем светом, рассеянным в этом направлении. Если объект вращается в своей собственной плоскости, то картина распределения пятен будет оставаться стационарной; однако если объект повернется на малый угол, то картина распределения пятен в задней фокальной плоскости будет смешаться.
Для измерения вибрации поверхности объекта на голографической пленке записывается картина распределения пятен, которая затем может непосредственно изучаться под микроскопом. При регистрации спекл-структуры важно, чтобы камера фокусировалась не на вибрирующем объекте, а на некотором расстоянии перед ним. Причина этого в том, что интерференция рассеянного света происходит перед объектом. Измерение плоской вибрации может быть выполнено по осредненной по времени спекл-структуре. При продолжительной экспозиции запишется картина, состоящая из образованных пятнами полос (стреков) длиной 2ML, где М — увеличение системы. Большую часть периода вибрации пятна находятся вблизи двух концов стреков, поэтому полосы, наблюдаемые в задней фокальной плоскости, будут аналогичны наблюдаемым полосам при смещении объекта на 2L. Форма полос, модулирующих спекл- структуру в задней фокальной плоскости, может быть описана выражением

где J0 — функция Бесселя нулевого порядка, λ0 — длина волны лазерного света, f — фокусное расстояние передающей линзы, х — координата, параллельная направлению движения.
Спекл-структура может быть легко интерпретирована качественно, если провести контурные линии под прямыми углами к стрекам. Для извлечения информации об амплитуде вибрации и о векторе полос можно использовать различные методы, простейший из них состоит в освещении записанной спекл-структуры расширенным лучем лазерного излучения и в наблюдении структуры полос. Лазерный луч дифрагирует на спекл-структуре, и образуется расходящийся конус с углом а, определяемым выражением а ~ D/f, где f и D — параметры объектива, используемого для регистрации спекл-фотографии. Если малая освещенная область содержит пару идентичных пятен, смещенных на некоторое расстояние, то свет в получающейся паре дифракционных конусов будет интерферировать, в результате чего получится дифракционная картина, модулированная полосами Юнга. Этот метод позволяет за один раз просмотреть одну область спекл-фотографии. По расстоянию между полосами d можно получить величину вибрации L из выражения

где М — увеличение системы записи спекл-структуры, а расстояние d между полосами равно

где I — смещение пятен. При этом амплитуда вибрации равна L = 0,76(l/M).
Другой метод анализа спекл-фотографий состоит в анализе всего поля. В этой системе вся спекл-фотография освещается сходящимся сферическим лазерным лучом, и в задней фокальной плоскости первого объектива помещается маленькая круговая апертура. Простая оптическая схема для получения изображения и для пространственного фильтрования может быть создана на базе обычной 35-мм камеры. Расстояние от передающего объектива до камеры устанавливается таким, чтобы недифрагирующий лазерный луч фокусировался на апертуре камеры, а объектив камеры фокусировался па спекл-фотографии.



 
« Живучесть паропроводов стареющих ТЭС   Защита генераторных цепей мощных энергоблоков от перенапряжений »
электрические сети