А. И. Барыбин, младший научный сотрудник

Донецкий национальный университет

В статье на основе анализа литературы и собственных экспериментальных исследований приводятся рекомендации относительно использования источников света для создания светового «ножа» при визуализации пузырьковых течений. Показано, что для создания на фотоснимке треков пузырьков наилучшим является использование линейной галогенной лампы накаливания. С другой стороны, для получения мгновенных фотоснимков наиболее приемлемым с экономической точки зрения является использование газоразрядных ламп высокого давления.

Введение

Наиболее прямой путь определения картины течения – просто визуально пронаблюдать поток в канале [1]. Облегчение понимания и интерпретации физического процесса посредством визуального наблюдения стало широко используемой практикой. В гидродинамике множество явлений были открыты с помощью наблюдений формы течения, которая зачастую фиксировалась в виде эскизов, фотографий, а в последнее время и цифровых фотографий [2].

В течение нескольких последних лет для изучения пузырьковых течений был разработан и применен ряд оптических измерительных методик. Использование изображений течения с высоким разрешением совместно с современными алгоритмами обработки изображений стали мощным бесконтактным методом измерения поля скоростей и характеристик дисперсной фазы. Последовательность производимых действий тождественна для различных методик получения информации о пузырьковых течениях. Она состоит из следующих шагов [3]: визуализация, получение изображения течения, предварительная обработка фотоснимка, сегментация, обработка фотоснимков (иногда ручная), измерения/расчеты, сохранение результатов, анализ результатов.

Визуализация является ключевым шагом в вышеперечисленной последовательности. В результате ее применения изображение течения можно зафиксировать в виде фотоснимка. Традиционные методы визуализации течения являются скорее качественным инструментарием или искусством подтверждения существования тех или иных режимов течения. Количественная визуализация течения является современной разработкой и позволяет получать количественные данные.

Получение оптической информации о течении в большинстве случаев является результатом взаимодействия падающего света и течения. Основываясь на выделении двух различных способов взаимодействия света, попадающего в течение, с самим течением, можно выделить два типа методов визуализации [2]: 1 – основанные на регистрации света, прошедшего через течение (методы «прямой видимости»); 2 – основанные на регистрации отраженного света.

Однако без правильно подобранного освещения получить качественную фотографию достаточно проблематично [4]. И, как это ни странно, проблемам выбора источников света в современных публикациях по визуализации пузырьковых течений уделяется крайне мало места. Исследователи в лучшем случае ограничиваются констатацией типа и мощности источника света. Очевидно, что необходим более фундаментальный подход к выбору источника света, для того чтобы оптимизировать возможные затраты на сам источник и на затрачиваемую в результате его работы электроэнергию. Таким образом, целью данной работы является теоретическое и экспериментальное обоснование выбора источников света для количественной визуализации пузырьковых течений.

Выбор источников света

Рассмотрим, какие источники света используются на современном этапе для количественной визуализации пузырьковых течений.

В методах, относящихся к первому типу, используют: светодиоды [5, 6], галогенные лампы накаливания [7, 8, 9], металлогалогенные лампы [10].

На рис. 1 представлена типичная фотография, получаемая методами «прямой видимости».

К сожалению, получение информации о размерах, форме и скорости пузырьков усложняется при увеличении газосодержания [7], поэтому для визуализации течений с высоким газосодержанием (более 10%) целесообразным является применение второго типа методов. В частности, создание так называемого светового «ножа» позволяет выделять только небольшую по толщине плоскость течения. В современных экспериментах [12 – 17] световой «нож» в основном создается с помощью лазеров и оптической системы, позволяющей из лазерного луча получать плоскость света. Однако исходя из того, что в [18] при толщине светового «ножа» 2 мм и среднем размере пузырьков 2 мм эффективная визуализация могла осуществляться на глубину лишь 6 мм, можно заключить, что мощности лазера явно не достаточно для визуализации относительно крупномасштабных течений (глубина 30 – 40 см). В отличие от вышеперечисленных работ, в [19] световой «нож» формировался с помощью щелевой диафрагмы и галогенной низковольтной проекционной лампы (Р~1 кВт). Впрочем, стоимость таких источников света велика, поэтому их использование не является рациональным...

Полную версию статьи читайте в журнале