СИНХРОННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВОГО ПЛЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ НА ВРАЩАЮЩЕМСЯ ДИСКЕ

Рахманов В.В.¹, Кабардин И.К. ², Двойнишников С.В. ³

^1,2,3 Кандидат технических наук, ИТ СО РАН

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 15-08-05220 и №14-01-31413

СИНХРОННАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ВОЛНОВОГО ПЛЕНОЧНОГО ТЕЧЕНИЯ НА ВРАЩАЮЩЕМСЯ ДИСКЕ

Аннотация

Показана применимость метода синхронной визуализации для изучения волнового пленочного течения на вращающейся поверхности. Синхронизация осуществляется на основе затворов из нематических кристаллов. Предложенный метод также может быть использован для экспериментальных исследований нестационарных вихревых потоков или для изучения структуры течения в топках котлов.

Ключевые слова: оптический затвор, визуализация, волновое пленочное течение.

 

Rakhmanov V.V.¹, Kabardin I.K.², Dvoinishnikov S.V.³

^1,2,3 PhD in Engineering, Institute of Thermophysics SB RAS

THE SYNCHRONOUS VISUALIZATION OF WAVE LIQUID FILM FLOWS ON THE ROTATING DISK

Abstract

Applicability of the method of the synchronous visualization for the study wave liquid film flows on a rotating surface is shown. Synchronization is carried on the basis of nematic liquid crystals shutters. The proposed method also can be used for experimental researches of unsteady vortex flows or for studying the structure of the flow in the fire chambers of coppers.

Keywords: liquid crystals shutters, visualization, wave liquid film flows.

Волновые пленочные течения широко используются в технологических процессах. За счет низкого теплового сопротивления и большой поверхности контакта при малых удельных расходах, применение пленок жидкости является эффективным средством в процессах межфазного тепломассообмена, конденсации и испарения. Частным случаем пленочного течения является течение пленок по поверхности вращающегося диска. Волны, возникающие на поверхности пленки, могут приводить к интенсификации массообмена. Несмотря на наличие большого количества методов измерения толщины пленок, используемых в настоящее время [1, 2], первичная визуализация течения является актуальной задачей, позволяющей убедиться в правильности выбранного подхода к формированию волнового пленочного течения.

Цель данной работы заключалась в разработке метода синхронной визуализации волнового пленочного течения на поверхности вращающегося диска.

При визуализации волновых пленочных течений часто возникает задача получить картину течения с синхронизацией, связанной со скоростью вращения диска или с пульсациями давления в подводимой жидкости. Наиболее распространены и доступны цифровые видео- и фотокамеры без специализированных программно-аппаратных средств синхронизации. Для организации синхронной фото- и видеосъемки пленочных течений предлагается использовать внешние оптические затворы, выполняющие функцию синхронной диафрагмы и источники поляризованного излучения в качестве осветителей.

Оптические затворы широко применяются как в лабораторном и промышленном оборудовании, так и в бытовых приборах, таких как фотоаппараты, видеокамеры, очки для просмотра трехмерного изображения и др. Это устройство, обеспечивающее пропускание и (или) перекрытие светового потока в течение определённого, заранее заданного времени. Существует несколько широко используемых типов оптических затворов: механические, электрооптические, магнитооптические и фототропные [3]. Однако у них имеются существенные недостатки, делающие их применение совместно с цифровыми камерами затруднительным.

Оптимальным типом оптических затворов для визуализации пленочных течений являются жидкокристаллические (ЖК) затворы. Они получили массовое распространение в очках, для просмотра трехмерного телевизионного изображения. В закрытом состоянии такие затворы обеспечивают ослабление ортогонально поляризованного (относительно плоскости поляризации затвора) светового потока в 20 раз [4]. При этом возможна их работа на частотах до 120 Гц, что является более чем достаточном для синхронизации изображения с цифровых камер со скоростью вращения диска или с пульсациями давления в подводимом потоке жидкости.

На рисунке 1 представлена реализация метода синхронной визуализации волнового пленочного течения на вращающейся поверхности.

Рис. 1. Схема применения метода синхронной визуализации волнового пленочного течения.

В качестве осветителя использовался лазерный излучатель с длиной волны 650 нм и мощностью 1 Вт с расходящимся конусом оптического излучения. Свет от лазерного модуля освещал вращающийся диск. Отраженный свет формировал изображение на экране, которое при помощи цифровой видеокамеры передавалось на компьютер с целью дальнейшей обработки. Для синхронизации изображения со скоростью вращения диска использовался сигнал с датчика вращения. Этот сигнал управлял «открытием» оптического затвора для экспонирования изображения. Таким образом, визуализация волн происходит за счет введения управляемой диафрагмы, приводящей к фазовым или амплитудным изменениям части светового пучка, которые вызывают перераспределения освещенности в плоскости изображения.

В ходе эксперимента наблюдались три различных режима течения пленки жидкости на вращающемся диске: режим невозмущенного течения, режим течения с образованием концентрических волн и режим течения с образованием спиральных волн, который представляет наибольший интерес для изучения.

Рис. 2. Визуализация пленочного режима течения при генерации спиральной волны. Частота вращения диска f = 1,2 Гц. Слева: расход Q = 1 мл/с, справа: расход Q = 0,55 мл/с.

На рисунке 2 представлены результаты применения метода синхронной визуализации пленочного течения. Видно, что при уменьшении скорости вращения, уменьшается количество витков спирали.

Применение ЖК затворов позволяет управлять временем экспозиции приемной оптической системы в широком диапазоне, что необходимо для визуализации различных типов течений. Установлено, что минимальное время экспозиции для ЖК затворов на нематических кристаллах составляет 2 мс. За это время ЖК решетки затвора успевают сформировать устойчивую структуру для пропускания лазерного излучения с определенной поляризацией.

Таким образом, разработан метод синхронной визуализации волнового пленочного течения на вращающейся поверхности. Разработанный метод позволяет проводить синхронную визуализацию течений с частотой до 500 Гц. Предложенный метод синхронной визуализации может быть использован для экспериментальных исследований нестационарных вихревых потоков или для изучения структуры течения в топках котлов. Кроме того, перспективно развитие данного метода с применением ЖК затворов на других типах кристаллов, обладающих меньшим временем релаксации. Это позволит существенно уменьшить время экспозиции и, тем самым, обеспечит качественную визуализацию быстрых течений с характерными частотами до нескольких килогерц.

Литература

1. Модифицированный абсорбционный оптический метод диагностики волновой пленки жидкости на вращающейся поверхности / Кабардин И.К., Рахманов В.В., Меледин В.Г. и др. // Теплофизика и аэромеханика, 2012 - Т. 19. - № 1. С. 89-95.
2. Optical measurement of instantaneous liquid film thickness based on total internal reflection / Kabardin I. K., Meledin V. G., Eliseev I. A., Rakhmanov V. V. // Journal of Engineering Thermophysics, 2011. - Vol. 20. -№ 4. - P. 407-415.
3. Мустель Б. Р., Парыгин В. Н., Методы модуляции и сканирования света, М., 1970.
4. Многоканальная синхронная система фотодетектирования / Рахманов В.В., Двойнишников С.В., Аникин Ю.А. и др. // Высокие технологии, фундаментальные исследования, инновации. Сборник статей XVII международной научно-практической конференции "Фундаментальные и прикладные исследования, разработка и применение высоких технологий в промышленности и экономике" Санкт-Петербург, 22-23 мая 2014 г. – Санкт-Петербург : Изд-во Политехн. ун-та, 2014. - С. 218-221.

References

1. Modificirovannyj absorbcionnyj opticheskij metod diagnostiki volnovoj plenki zhidkosti na vrashhajushhejsja poverhnosti / Kabardin I.K., Rahmanov V.V., Meledin V.G. i dr. // Teplofizika i ajeromehanika, 2012 - T. 19. - № 1. S. 89-95.
2. Optical measurement of instantaneous liquid film thickness based on total internal reflection / Kabardin I. K., Meledin V. G., Eliseev I. A., Rakhmanov V. V. // Journal of Engineering Thermophysics, 2011. - Vol. 20. -№ 4. - P. 407-415.
3. Mustel' B. R., Parygin V. N., Metody moduljacii i skanirovanija sveta, M., 1970.
4. 4. Mnogokanal'naja sinhronnaja sistema fotodetektirovanija / Rahmanov V.V., Dvojnishnikov S.V., Anikin Ju.A. i dr. // Vysokie tehnologii, fundamental'nye issledovanija, innovacii. Sbornik statej XVII mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii "Fundamental'nye i prikladnye issledovanija, razrabotka i primenenie vysokih tehnologij v promyshlennosti i jekonomike" Sankt-Peterburg, 22-23 maja 2014 g. – Sankt-Peterburg : Izd-vo Politehn. un-ta, 2014. - S. 218-221.