Поиск новых и усовершенствованных методов диагностики потоков с горением и без горения проводится во многих исследовательских организациях b университетах. Конечная цель всегда состоит в получении метода или методов, которые могли бы обеспечить всю или большую часть необходимых данных без внесения возмущений в поток, по возможности мгновенно. Эти требования заставляют обращаться к оптическим методам [93— 101] Контактные методы, например приемники давления, термопары с открытым спаем, обладают тем недостатком, что они вносят физико-химические возмущения в поле течения, кроме того, позволяют следить лишь за относительно медленными процессами. Типичный пример — приемник давления, используемый для измерения давления или скорости. Кроме того, что он вносит возмущения в поток, приемник обладает двумя другими недостатками, а) имеет низкие разрешаемые частоты и б) его показания зависят от двух параметров: скорости и плотности среды. В любой точке реагирующего потока средние по времени значения обоих параметров постоянны в системах со стационарным горением, но они могут пульсировать независимым образом с неизвестной корреляцией между ними. При определенных условиях датчик может возмущать поле течения настолько, что будет изменяться характер исследуемого явления. Тем не менее эти методы достаточно надежны для использования на больших промышленных установках, где значительную роль играют условия физического и механического регулирования.
В турбулентных потоках необходимо измерять мгновенные значения параметров, которые затем можно разделить на средние по времени величины и среднеквадратичные пульсации Эти значения вместе со значениями корреляционных функций могут затем использоваться для определения локальных значений потоков тепла, массы и количества движения. Временные характеристики в течении с горением сильно влияют на протекание химических реакций, образование продуктов сгорания и передачу в окружающую среду выделенного в результате экзотермических реакций тепла
Полуколичественная информация о структуре потока может быть получена бесконтактными методами с использованием источников света высокой интенсивности, например на водных моделях, теневыми методами, методами трассирующих частиц, с использованием голографии, высокоскоростной фотографии, с помощью измерения скорости по мелким частицам и т. д. При исследовании на водной модели изготовляется плексигласовая модель испытуемого объекта. Информация о поле течения получается по наблюдениям за полистироловыми частицами, имеющими ту же плотность, что и у воды. Развернутый в плоскость высокоинтенсивный луч света используется для наблюдения течения в любом поперечном сечении Пример полученного таким образом типичного поля течения в камере сгорания с подачей закрученных потоков через несколько кольцевых каналов показан далее на рис. 4 65. Преимущество исследования течений на водных моделях состоит в том, что можно легко получить такие же, как на прототипе, значения чисел Рейнольдса, поскольку кинематическая вязкость горячих газов примерно в 200 раз больше, чем воды. Многие другие методы диагностики потоков (например, голография, спектроскопия, интерферометрия, лазерные методы измерения скорости и размеров частиц) также применяются для исследования сложных закрученных течений [2,93—101].
Лазерная голографическая интерферометрия
Визуализация течения и получение количественной информации о потоке в первичной зоне газотурбинной камеры сгорания, в камере сгорания с псевдоожиженным слоем или анализ движения капель в аэрозоли могут быть эффективно осуществлены методами голографической интерферометрии. Основная особенность голограммы состоит в регистрации изображения объекта, при которой сохраняются все его свойства. Голограмма представляет собой запись интерференционной картины, образованной двумя когерентными лучами света. Один луч является опорным, а другой содержит информацию об объекте. «Объектовый» луч представляет собой свет, отраженный или преломленный объектом. Для записи этой интерференционной картины на пленку используются специальные фотоматериалы. После проявления пленка или голограмма представляет собой дифракционную решетку, состоящую из вертикальных линий (обычно 300 3000 линия/мм) частиц серебра, разделенных промежутками. Промежутки формируются в процессе обработки, когда удаляются экспонированные частицы серебра.
Изображение восстанавливается при облучении голограммы когерентным лучем света Как и на любой дифракционной решетке, падающий луч разбивается на лучи различных порядков, но в голографии важны только лучи нулевого и первого порядков, лучи более высоких порядков подавляются природой самого процесса [94. 99]. Луч нулевого порядка содержит свет, на который не влияет голограмма, но два луча первого порядка идентичны исходному объектовому лучу и не могут сформировать изображения объекта. Один из лучей первого порядка образует мнимое изображение, которое можно видеть, глядя на голограмму, а второй луч первого порядка образует действительное изображение на определенном расстоянии от голограммы.
Рассматривая голографические изображения поля течения, можно получить структуру течения.
Число линий или полос, созданных интерференционной картиной двух лучей когерентного света, равно функции угла
2 sin (θ/2)/λ0, где θ — угол между двумя лучами, а λ0 — длина волны. Некоторые типичные значения числа полос для длины волны Не — Ne-лазера (λ0 = 0,6328 мкм) для углов 5°, 20°, 40° составляют соответственно 138, 550 и 1080 лнния/мм. Разрешающая способность конкретной пленки зависит от размера зерен серебра на пленке и задается (в линиях на мм) изготовителем фотоматериалов. Выходить за пределы разрешающей способности пленки нежелательно, поскольку при этом получается голограмма с плохой проработкой деталей и заметной дымкой.
Измерение скорости и характеристик турбулентности потока.
Количественная информация о скорости в пламенах может быть получена с помощью охлаждаемой водой трехмерной трубки Пнто. Такие насадки просты, сравнительно дешевы и могут использоваться в испытаниях на полномасштабных устройствах. Трубки Пито вносят возмущения в поток, и в некоторых ситуациях эти возмущения могут быть недопустимо велики. Кроме того, они дают лишь ограниченную информацию о турбулентности (2]. Термоанемометры с проволочными или пленочными датчиками применяются в низкотемпературных изотермических потоках, хотя имеются и проволочные датчики с возможностью нагрева чувствительного элемента до температуры 900 °С. Современный уровень методов термоанемометрии обусловливает их ограниченное применение в высокотемпературных пламенах в камерах сгорания или в других типах аналогичных пламен. В настоящее время разработаны лазерные доплеровские измерители скорости (ЛДИС), позволяющие проводить точные измерения трех компонент скорости одновременно и определять характеристики турбулентности в высокотемпературной среде в пламенах реальных промышленных установок. Принципы работы н методика измерений лазерными доплеровскими анемометрами, в том числе в потоках с рециркуляционными зонами, изложены в работах [9, 95]. Используя трехканальный лазерный доплеровский анемометр, в настоящее время можно одновременно измерить три компоненты средней скорости и три значения среднеквадратичных пульсаций компонент скорости.
Схема системы ЛДИС, позволяющей проводить измерение мгновенной скорости потока в закрученных течениях с горением, в которой используется радиальная дифракционная решетка, показана на рис. 1.19 [93]. Лазерный луч мосле прохождения через радиальную дифракционную решетку, полученную отбеливанием, дает дифракционные лучи различных порядков.
Рис. 1.19- Блок-cxeмa лазерного измерителя скорости [2, 93]:
I — распределение интенсивности в лазерном дуче; 2 — аргоновый лазер фирмы Spectra Physics, мощность 4 Вт; 3 — фотоэлектрический детектор; 4—фотоэлектронный триггерный блок, 5 — цифровой счетчик; 6 — полученная отбеливанием дифракционная решетка, 21 600 линия/оборот; 7 — маска с двумя отверстиями; 8 — оптический блок; 9 — объектив; 10— серводвигатель управления вращением; 11 — объем пересечения лучей; 12 — распределение интенсивности в области пересечения лучей; 13 — диафрагма; 14 — собирающая линза; 15— приемная аппаратура; 16 — модуляция интенсивности, создаваемая при прохождении частицы через темные и светлые полосы; 17 — фотоумножитель EMI 9653 В; 18 — блок питания фото>множителя ЕНТ РМ 25 А; 19 — осциллограф; 20 — интерфейс лазерного анемометра; 21 — мини-компьютер PDP 8/Е, работающий в режиме «он-лайн»; 22 — рабочая часть.
Соответствующие средние интенсивности дифракционных лучей составляют 57 % в первом порядке и 20 % во втором порядке. Дифракционная решетка служит в качестве разделителя луча и устройства сдвига частоты лазерного луча. Легко получить сдвиг частоты между двумя лучами спета 4 МГц, что создает движущуюся систему интерференционных полос в измерительном объеме. Лучи плюс первого и минус первого порядков, проходя через фокусирующие линзы, пересекаются и образуют в точке пересечения измерительный объем. Можно оценить диаметр D и длину I измерительного объема, используя соотношения
где Θ — угол между двумя лучами света, a F и D0 — соответственно фокусное расстояние линзы и диаметр лазерного луча. Число образующихся в измерительном объеме полос рассчитывается по формуле
где l — расстояние между параллельными лучами до прохождения через линзу. Изменяя фокусное расстояние линзы (или расстояние между лучами с помощью оптического блока), а следовательно, и угол пересечения θ двух лучей в измерительном объеме, можно подобрать расстояние между полосами l = λ0/ (2sin(θ/2)] и частоту сигнала fD = и/l так, чтобы лучше измерять скорость в представляющем интерес диапазоне. При введении сдвига частоты fs и создании в измерительном объеме движущейся системы полос частота сигнала f0 становится равной 
и соответственно
В качестве светорассеивающих частиц применялся аэрозоль 200 (частицы SiO2 со средним размером 12 нм). При использовании таких мелких частиц возникает агломерация, и средний размер частиц в измерительном объеме оказался равным около 1 мкм при использовании небольшого псевдоожиженного слоя.
Приемная система состоит из плоско-выпуклой линзы; рассеянный свет (при использовании ирисовой диафрагмы) собирается этой линзой и фокусируется на отверстии перед трубкой фотоумножителя, имеющего амплитудно-частотные характеристики, как у модифицированного фотоумножителя типа S-20. Сигнал с фотоумножителя подается на интерфейс лазерного анемометра и затем на мини-компьютер PDP 8/Е, работающий в управляемом режиме («он-лайн»), для дальнейшей обработки отдельных реализаций доплеровского сигнала дли получения средних значений скорости и среднеквадратичных пульсаций и корреляционных моментов турбулентных пульсаций более высокого порядка, например коэффициентов асимметрии и эксцесса Использованный в измерениях электронный процессор, производящий счет импульсов, измеряет время, нужное частице для прохождения через промежуток выбранной ширины (т. е. определенное число полос в измерительном объеме). Кроме метода счета импульсов разработаны и используются для анализа доплеровского сигнала также и наборы фильтров, анализаторы спектра, устройства слежения за частотой, измерители автокорреляционной функции сигнала (фотонные корреляторы).
Расчет напряжений Рейнольдса в направлении основного потока может быть выполнен на основе двух последовательных измерений среднеквадратичных пульсаций скорости при отклонении плоскости лучей на углы ±45° относительно осевого направления (т. е. направления компоненты скорости и).
Величину
можно вычислить, используя следующее соотношение:
где σ1 и σ2 — среднеквадратичные пульсации компоненты скорости соответственно для углов ±45°.
В системах с горением различия между действительным и экспериментально определенным распределениями плотности вероятности могут возникнуть вследствие а) градиентов температуры, б) химических реакций, изменяющих объемную концентрацию частиц, и в) пульсаций скорости и температуры и, следовательно, концентрации частиц, проходящих через измерительный объем.
