349Осипенко, Пермяков МВТУ им. Баумана

УДК 621.9.016
Получение данных о скорости волны горения с помощью высокоскоростного
микропирометрического комплекса определения температуры и скорости
распространения пламен.
М.П. Бороненко, С. А. Осипенко, И. Ю. Пермяков
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Югорский государственный университет»
628012, г. Ханты-Мансийск, Россия
Актуальность работы.
Методы скоростной (10-4-10-6с) и сверхскоростной (10-7-10-10с) регистрации,
быстропротекающих процессов, непрерывно развиваются и совершенствуются в связи
с интенсивными исследованиями взрывных явлений, импульсных электрических и
лазерных разрядов в конденсированных системах, газах и плазме. Оптические методы
регистрации являются наиболее перспективными, благодаря их высокой
чувствительности, бесконтактности
и безынерционности. Их применение
для
определения скорости движения частиц, а так же температуры в процессах,
происходящих при плазменном напылении, напылением электровзрывом, затруднены в
связи с малым размером и высокой скоростью частиц. Использование видеокамеры
ВидеоСпринт с наносекундным затвором, позволяет произвести оценку скорости
частиц в данных процессах [1].
Постановка цели и задач исследования.
Цель исследования: апробация видеокамеры ВидеоСпринт в качестве
диагностирующего
инструмента
быстропротекающих
высокотемпературных
процессов. Для реализации исследования были поставлены следующие задачи:
- регистрация движения частицы при помощи видеокамеры ВидеоСпринт;
- преобразование изображения в числовой массив данных;
- обработка числового массива, получение данных о скорости волны горения;
Объект исследования.
В качестве диагностируемого объекта был выбран искристый огонь (бенгальский
огонь), так как его горение включает в себя СВС (самораспространяющийся
высокотемпературный синтез) и движение самосветящихся объектов.
Методы исследования.
В работе использованы методы оптической пирометрии, методы теплофизических
измерений, методы цифровой обработки информации, были сопоставлены теория и
экспериментальные результаты.
Научная новизна и практическая значимость.
Разработан высокоскоростной микропирометрический комплекс определения
температуры и скорости распространения пламен. Данный комплекс позволяет
существенно
расширить
знания
о
структурообразовании
в
условиях
быстропротекающих процессов, увеличивает возможность определения основных
теплофизических параметров, процессов СВС и плазменной обработки дисперсных
материалов.
Экспериментальная установка и физика эксперимента.
Для реализации поставленных задачи был собран экспериментальный стенд, в состав
которого входило следующее оборудование: 1- оптическая скамья; 2-бенгальский
огонь; 3-камера ВидеоСпринт; 4- электронно-оптический преобразователь (ЭОП); 5монитор; 6-системный блок; 7-клавиатура (рис. 1).
Оптическое излучение бенгальского огня через объектив высокоскоростной
видеокамеры ВидеоСпринт падает на фотокатод, преобразуясь в поток электронов,
который усиливается на микроканальных пластинах, а затем на люминофорном экране
ЭОПа преобразуется в излучение [2]. После, излучение
попадает на
светочувствительную область матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС), где
происходит экспозиционное (от 20 нс до 20 мкс) накопление заряда (размер
светочувствительной области - 15.3*12.3мм, диагональ 19.67мм; размер пикселя 12*12мкм). Затем происходит оцифровка данных аналого-цифровым преобразователем
(АЦП) разрядностью 10 бит; и запись видеофайлов - 8 бит. После дискретизации и
квантования сигнала в АЦП изображение в памяти видеокамеры представляет собой
матрицу, каждый элемент которой является пикселем определённой яркости.
Рис. 1. Высокоскоростной микропирометрический комплекс измерения температуры и
скорости распространения пламён.
Особенностью данной видеокамеры является наличие стробируемого электроннооптического преобразователя (ЭОП). Стробоскопический эффект достигается тем, что
после срабатывания затвора ЭОП происходит дополнительное срабатывание затвора
выбранное количество раз с установленным интервалом. Во время стробируемого
режима длительность импульса, отпирающего ЭОП, определяет время экспозиции
кадра. При этом на экране ЭОП формируется количество изображений, равное числу
дополнительных срабатываний затвора. В данной видеокамере используется
стробирование “фотокатод – вход МКП”, т.к. выключенном состоянии электроны не
достигают МКП при любом уровне облучения фотокатода.
Определение скорости распространения волны горения.
Процесс горения характеризуется наличием подвижной зоны реакции, имеющей
высокую температуру и отделяющей еще не прореагировавшие (холодные) вещества
от продуктов реакции [4]. Это даёт возможность оценить скорость горения по быстроте
выравнивания температур в разных областях.
Рис. 2. Изменение температуры в двух выбранных точках изображения Т1,Т2.
Оценка скорости распространения волны горения возможна двумя способами: по
изменению яркости пикселей в выбранных областях и по изменению размеров
выбранной области реакции. Скорость распространения области горения в первом
случае находилась следующим образом: время, за которое волна горения дошла из
точки с максимальной температурой Т1 в точку с максимальной температурой Т2 ,
например, равно 0,048с. , Y2-Y1=0,0144 см, следовательно, локальная скорость Vy=0,3
см\с. При наблюдении перемещения изолиний температуры хорошо видно как
распространяется тепловая волна: происходит отток тепла из одной области в другую,
при котором происходит прогрев вещества в холодной области. Расчёт скорости по
изменению положения температурных изолиний: от отметки по оси Y=0,045 до Y=0,35
см прошло 1,02с, скорость 0,305см/с.
Рис. 3. Изменение границ областей изотемпературных линий.
Проверку правильности вычислений скорости провели путём измерения
времени, за которое бенгальский огонь полностью сгорает.
Выводы.
В ходе апробации видеокамеры ВидеоСпринт в качестве диагностического
инструмента быстропротекающих процессов были получены следующие результаты:
1. Оценка скорости распространения волны горения даёт адекватный результат
в обоих случаях: по изменению яркости пикселей в выбранных областях и по
изменению размеров выбранной области реакции.
2. Было установлено, что использование видеокамеры ВидеоСпринт позволяет
эффективно изучать быстропротекающие высокотемпературные процессы.
Литература и источники:
1.
2.
3.
Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Трековый анализ скорости частиц и
определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона
//Ползуновский альманах.- 2008.-№2.-C.13-14.
Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная
система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц
// Изв. вузов. Физика, 2008, Т.51, №9/3, С. 79-87.
Иордан В.И., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Комплекс методов цифровой
обработки изображений для исследования эффектов локальной неустойчивости
и нестационарности волны горения процесса СВС // Ползуновский вестник,
2005, №4 (ч.1), С. 152-170.
4.
Publishing house Education and Science s.r.o.//Дни Науки 2012// URL:
http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Tecnic/12_103951.doc.htm/ (дата
обращения 14.05.2012)
5.
Gulyayev P.Yu., Evstigneyev V.V., Philimonov V. Yu. The Temperature
Conductivity of the Reacting Mediums // Advances In Condensed Matter &
Materials Research, Volume 2, Nova Science Publishers, Inc., New York, 2002, P.
235-241.