Диагностика нагретых газовых потоков по ИК-радиометрическим измерениям тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Л!(ЛШ«!Я НАУК ВЕЛ АРУ СП ОРДЕНА ТГУДОПОГ'О КРАПШГО П1АМК1Ш ИНСТИТУТ Ч'ИЗИКИ им.Б.И.СТГИАНОНА

На гтравлх рукописи

ШУРА Л Е В Стлнисдлв

ДИАГНОСТИКА МАГРГТНХ ГАЗОПНХ ПОТОКОВ па ИК-РДДИОПЕПТИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ

01.0'|.03 - оптчип

Автореферат диссертации на соуснъние ученой степени квнлиалтп «риэиио-илтенатических наук

Б ОД

Минск - 199'»

Работа виполнйна в ордена 1'рулового Красного Знамени Институте физики ям. Б.Н. Степанова АН Беларуси

Научные руководители:: доктор »риэино-математич^сьмх

наук, профессор ХОДМКО Ю.В.

кандидат физико-математических наук Виткин Э.И.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических

наук, профессор Фомин H.A.

кандидат физико-математических наук Плюта Б.Е.

Ведущая организация: Институт высоких температур РАН

Защита состоится 2S оl^M Г. в tvclü часов I

заседании специализированного совета К 006.01.01 по запип диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук в Инст» туте «ризики ик. В.И.Степанова АНБ (220072,Минск,пр.Скорини,70) С диссертацией можно ознакомиться«! в библиотеке Институт« физики АНБ.

Автореферат разослан 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физ.-мат.наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТМ

Актуальность тены. Создание мойных молекулярных лазеров , дачи экологического мониторинга, диагностика факелов продуктов орания двигателей и энергетически* установок и т. д. погребо-ли развития различны* методов диагностики термодинамических раметров нагретых газовых потоков.

Нак правило, такие потоки содержат простейшие иоленулы, ан-сние в ИК-областк спектра : С'О^, СО, Н^О, N0, ЯО^ и т.д.. Кон-ктные методы исследования параметров не всегда удобкн из-за 1сокой температуры в потоке, а иногда и вообще неприменимы, на-1И«ср в случае диагностики активннх сред молекулярных лазеров, то же время излучение нагретого газа содеряит богатую ин^ориа-т о его лоналъкых термодинамических свойствах. Поэтому естест-!11иып представляется разработка оптических методов диагностики, юработна таких методик и особенчо оценка мх точности невозмот-1 без использования надежных методов расчета переноса излучения юль неоднородных трасс в колебательно-вращательных полосах не-»вновесных газов. Кроме того, для практического использования эзданных метолов оптической диагностики необходимо решать эада-и, связанные с выработкой требований к измерительной аппарату-в, реализующей эти методы, таких, как: спектральный диапазон эмерений, максимально допустимая погрешность измерений, вид ап-аратной функции селективных элементов и т.д. .

Цель данной диссертации мояет бнть сформулирована следующим бразом: разработка методов диагностики неравновесных неоднород-ых потоков молекулярных газов по радиометрическим измерениям в нфракрасной области спектра применительно к активным средам мо-екулярных лазеров и струям продуктов сгорания углеводородных оплив. В соответствии с указанной целы» в работе были поставле-ы следующие задачи :

1. Создание методики расчета переноса излучения в колеба-ельно-врэиательных полосах иеравновееннх газов вдоль сильно Межпородных трасс.

2. Развитие метода диагностики активицх сред молекулярных 1аэеров по измерениям яркости излучения и поглошенип в ИК-»бласти спектра для учета неоднородности по трассе наблюдения.

3. Развитие методики расчета переноса неравновесного селективного излучения , основанной на многогрупповой модели.

4. Создание метода томографической диагностики неоднородных <агретых струй молекулярного газа по ИК-радиометричесним измерениям .

Научная новизна работы заключается в следующей.

1. Создана методика расчета переноса излучения в колебатель ио-враиательных полосах неравновесных гааов, которая, в отличие от известных I может быть применена кап для сред с сильным изменением контура спектральных линий вдоль трассы наблюдения! так и для сред с высокими температурами (до 3000К). Для линейных трех-атоиных молекул линии с близким« по энергия» нижними уровнями объединены в группы, что обеспечивает достаточно малые затраты машинного времени при проведении численных расчетов.

2.Развита методика диагностики активных сред молекулярных л зероа, учитывавшая наличие невозбукдешшх слоев на пути наблюден

3.Предложен новый метод описания переноса селентивного излучения, специально адаптированный к задачам оптической диагностики нагретых газовых потоков по измерениям ИК - спектрофотометрами на фильтрах.

Разработана основанная на многогрупповой модели упрощенная методика расчета переноса излучения в колебательно-враоательных полосах молекулярных газов, учитывающая колебательную неравновесность.

3.Впервые для определения полей температуры и концентраций излучающих компонент нагретого газового потока применен томографический анализ по ИК-радиометрическим измерениям его теплового излучения .

Практическая значимость работы заключается в следующем.

Предложенная методика оптической диагностики была использована при оптимизации работы технологического электрораэрядного СО^-лазера, а такие для определения поля колебательных температур в блоке резонатора кощного СО-лазера с электронной накачкой.

Программы расчета переноса излучения в ИК-области спектра, описанные в главах 1 и 3, могут быть использованы при расчетах спектральных характеристик излучения различных по своей газодинамической структуре объектов с температурой газа до 2500 К.

Методика и программы томографического анализа по тепловому излучении могут быть использованы для выбора параметров измерительной аппаратуры и анализа полей концентраций и температур в нагретых неоднородных газовых струях нолекулярного газа.

На защиту выносятся следующие положения.

1. Методика расчета переноса ИК-иэлучения в нолебательно-вравательных полосах неравновесных молекулярных' газов ( двух-

энных и линейных трехатояных ) вдоль сильно неоднородных трасс, toToport учитываются изменения контура линий вдоль луча набло-:1ия и для линейных трехатомиых молекул пинии с близкими гнер-ими нижних уровней объединены в группы.

2. Способ учета неоднородности по трассе наблюдения при ди-ностине активной среды С02~ и СО-лазеров по измерениям ярности пучения и поглощения в полосах 4,3 и 4,6 мкк соответственно.

3. Способ учета колебательной неравновесности в многогруп-вом методе расчета переноса излучения в колебательно-врада-льных полосах молекулярных гяэов,

4. Способ определения параметров групп линий для нногогруп-вого метода расчета переноса излучения и алгоритм, его реали-гптй .

5. Метод томографического анализа нагретых потоков молеку-рннх газов по |!К-радиоиетричесним измерениям и алгоритм, его ализующий.

Апробация результатов работы. Вошедшие в диссертации рязу-таты исследований докладывались на Международной школе— минаре " Тепло- и массообмен а химически роагируюяих системах" г. Минск, сентябрь 1983 г. ), на Второй Всесоюзной вколе-нференции " Кинетические и газодинамические процессы в нирав-весвых средах " ( г. Москва, 1984 г.), на XVII International nference on Phenomena In Ionized Gases < г. Нудапеят, июль 85 г.), на Всесоюзном семинаре " Оптические методы диагностик ванил двухфазных потоков в элементах АЗУ " ( г. Севастополь, тябрь 1991 г. ), на Конференции по колебательной спектроскопии, священной 80~летию со дня рождения Б.К.Степанова С г. Минск, 5 октября 1993 г. )•

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 иауч-IX работ, включая 10 статей, 3 тезисов докладов в трудах конд>е-¡нций и 1 препринт Института физики АНВ.•

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вве-!ния, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа иэ->жена на 174 страницах, включавших 35 рисунков и 22 страницы [Иска литературы, содержащего 181 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В целях более логичного и последовательного изложения иате-!ала обзор литературы в отдельную главу не выносился , а приве-!Н в каждой главе отдельно по соответствующей теме.

Во введении обосновывается актуальность выполненной работы,

формулируются цели исследования и защищаемые положения , даете! краткое изложение содержания глав.

Первая глава диссертации посвящена изложению метода расчет) переноса излучения вдоль неоднородны* трасс в колебательно' вращательных полосах неравновесных газов применительно к линейным трехатомным ( С02 ) и двухатомным ( СО, HCl, НО и т.д. ) молекулам. Методика ориентирована на нласс задач, в которых необходимо рассчитать усредненное по некоторому интервалу частот Л ( обычно ~ 10+100 си излучение неравновесных газов с темпера турами до ЗОООК и давлением до 2 атн.

В методике для описания колебательно-вращательных полос мо леиул принята модель случайно перекрывающихся эльзассеровых по лос. В колебательно-вращательной полосе в интервал усреднени попадают линии, принадлежащие целому ряду различных колебатель пых переходов. Для камдого колебательного перехода линии, попа даюмие в выбранный интервал ( порядка 10 см * ). расположен приблизительно на равном расстоянии друг от друга и сила лини слабо меняется в этой интервале, поэтому применение регулярно модели Эльзассера вполне оправдано . Положения линий, принадле «авих разным колебательным переходам, никак не коррелируют меяд собой и для учета их перекрывания мощно использовать случайну статистическую модель .

В рамках этой модели решение уравнения переноса для неодно родной трассы без учета падающей радиации можно записать в виде

I С")

Э In т.

В -т dx , (i)

x=r " f к а х '

ш

1-е, с

к

- эквивалент «рункции Планка для колебательного перехода с уров* К на уровень К+1 на частоте и , е^ — отношение заселенностей в« рхнего и нижнего уровней. В случае больцмановского распределен по вращательным уровням функция Планка имеет вид '■

С.

'1

Вк(1>) - - , (2)

hE , hE ..

v v

ехр

' kT , кТ „

v v

ехр

h(p - Рк) кТ

о

- 1

индекс v' - относится н нижнему колебательному уровню, v" -орхнему.

Пропускание слои х , согласно статистической подели для нарывания различных переходов, выражается кап произведение:

т » \\\ . (3)

к

г^ - "пропускание" для одного перехода э эльэассеровскон блнжении

Л/2 R п=+®

rk= J dv ехр£ -J S 2 f <f-nd) du j . (4)

-d/2 x n=-<s

В выражении (А) использовано предположение о приближенном »енстве сил колебательно-И1'аця'гелышх линий , попадающих в ра-(атрииаемый интервал Ди и принадлежащих одному переходу. Фор-7ií определяют прииятуга модель. В отличие от известных в

\ используется прямое интегрировоние по контуру линии при pac-re т^ , что позволяет применять методику для сильно неоднород-< трасс. Внутренняя точность модели зависит от рассматриваемой гуаиии. В частности, предположение об зльэассеровой структуре утри колебательного перехода тем лучше, чем уже интервал усра-ения и меньше оптическая глубина поглощавшего слоя. Точность атлетической модели для перекрывания различных переходов тем ■е, чем больше переходов даот вклад в рассматриваемый интервал чем выше температура ) , и тем нике, чем больше оптическая убина слоя.

При описании структуры колебательных уровней С02> переходы жду которыми дают вклад в полосе *t,3 мкм, а именно: для групп овней, имеющих приблизительно одинаковую энергию по первой и орой модам, можно ввести средние параметры. Для уровней в noce 2,7 мкм такое объединение можно сделать только для уровней одинаковыми квантовыми числами V^ и V^ и с различными угловыми 1ментами 1 , т.к. эта полоса образуется переходами, в которых и квантовые числа иэиеняотся. Тогдо каждая группа представляет >бой заданное число R одинаковых ангармонических осцилляторов, гет уменьшения числа линий для переходов с 1=0 будем произво-|ть путем суммирования их с весом, равным 0,5. Пропускание для ;ей группы есть пропускание одного осциллятора со средними знаниями параметров в степени R, В результате объединения перенос ¡лучения в полосе <1,3 мкм СО^ при температурах газа до ЗОООК 1алось описать с помощью 31 группы осцилляторов, заменивших бо~ эе 500 колебательно-врашательних переходов, формирующих зту по-

ласу. Полоса 2,7 мни описывалась 27 группами осцилляторов. Ка доку осциллятору в полосе 2,7 ики сопоставлялись два значен для частоты чисто колебательного перехода v , соответствуют

в

двум типам колебательны* переходов. Таким образом, реальное чи ло групп осцилляторов в полосе 2,7 мкм равнялось 54.

Ошибки, которые могут возникать при расчете по данной «од ли , обусловлены не только и не столько внутренними ошибками которые в принципе можно оценить для каждого конкретного случ , не только ошибками в параметрах модели, которые при необход мости можно уточнить , а главным образом отличием реальной мол купы от ее модельного представления, В этой случае единствен надежным критерием применимости той или иной модели в заданн интервалах параметров является как можно более широкое сопоста ление с экспериментальными данными. Для тестирования предложи ной методики было проведено широкое сопоставление расчетов описанной модели с имеющимися в литературе »кспериментальны донными и расчетами других авторов. В главе 1 приведены некот рые из полученных результатов для полос 4,3 и 2,7 мкм СО^ и 4 мкм СО.

Созданная методика позволила развить метод оптической диа ностики для неоднородных неравновесных сред, который рассмотр во второй главе диссертации.

Ранее был предложен способ определения температуры асимме ричной моды Тд молекула СО^ из отношения измеряемых экспериме тально яркости излучения и поглощения Ау слоя СО^ в цент основного перехода полосы 4,3 мкм . Было показано, что для опт чесни однородной среди, это отношение, называемое экспериме тальной функцией Планка "эщ,1 совпадает с равновесным значени функции Планна Б° при температуре, равной Т3> для частоты, соо сетствующей центру основного перехода (определяемым по (2)) .

Для реализации этого метода в Институте физики АНБ соэд скоростной инфракрасный спектрофотометр на фильтрах "Свирель работающий по автоколлимационной схеме и позволяющий измери' одновременно яркость излучения и поглощение просвечиваемо слон в спектральных интервалах, выделяемых светофильтрами.

Прибор состоит из оптико-механических блоков осветителя приемника, устанавливаемых по обе стороны исследуемой среды, электронных блоков управления и питания. Сложный электрическ:

нал, вырабатываемый приемником излучения, разделяется с помо-двух полосовых усилителей на два , пропорциональные прозрач-ти и яркости исследуомои среды. Затек они поступают в систему омлтизкрованной обработки на базе ЭКБМ "Электроника ДЗ-28", а те могут записываться на с^етолучевом осциллографе Н117. При еренчн амплитуд сигналов с погрешность«) ±0,5 мм средние .нввд-ичные погрешности определения поглощения и яркости излучении ли в диапазоне амплитуд 40*90 мм состапляот соответственно ±3 U .

Для калибровки прибора по спектральной яркости излучения отоплена модель абсолютно черного тела ( АЧТ ) с рабочей тем-отурой до 1200К и диаметром излучающей полости 26 мм. Погреш-ть определения гемперотурн подели АЧТ не превышает i3°, a эф-тньной излучательной способности ±0,002.

С целью экспериментальной проверки и оценки точности преданной методики диагностики был прооеден пин» экспериментов на ктроразрядном проточном технологическом С'О^-лазере с замкну-контуром (ЭУЗК). Разрядная камера, в которой проводились из-ения, представляла собой каuní мириной 1040 пя со сплошным дон и секционированным катодом с ножевидныяи злектродани, диной 40 мм , заделанными в плату из стеилотексюлмта ПСК ря-и по 1й итук с интервалом 10 мм. Камера продувалась смесью ов N,,:Не:'• , концентрации которых поддерживались с высо-I точностью.

Использовался интерференционный светофильтр с максимумом ■пускания, приходящимся на центр полосы 00°0 - 00°1 vq

= '•,245 мкм, г = 0,05 мкм ).

max 0,5

По методике, изложенной в главе 1 диссертации, был выполнен чет усредненных по аппаратной функции используемого свето-1ьтра яркости излучения и поглощения однородного колебательио-|бужденного газового слоя с термодинамическими параметрами, »агываюаими весь диапазон возможных значений этих параметров в -ивиой среде исследуемого ЭУЗК : Р - О,045*0,072 атк ¡ г »

2

>2*0,06 ; Т = 300+400 ; Т = 300+400 ; Т - 900*1800К. В ре-

1, г э

штате расчета была получена зависимость отношения К^ равно-

:ной функции Планка В° (Т«Тд) к экспериментальной функции

iHKa В от и НК-срильтра в полосе 4,3 мкм СО,. Из полу-

экс Ид'.' i

шой зависимости следует, что во всем диапазоне изменения па-leTpoo среди экспериментальная функция Планка совпадает с энооесной с погрешностью не более 2% при измерении с фильтром, ¡положенным в центре полосы основного перехода. При отклонении

Однако, диагностируемая колебательно-возбужденная сред как правило, но является однородной вследствие наличия колей тельно-невозбужденных слоев газовой снеси, примыкающих к оптическим окнам, через которые ведется просвечипание. В исследуем ЭУЗК неоднородность танже создают мещэлектродные промежутки, которых не происходит колебательной накачки. В результате иссл дуемая среда представляла собой слой, состоящий из чередующих колебатольно-возбужденных и невозбужденных слоев, не переметив ющихсн сследсгпие ламинарности потока, Толщина невозбушденн слоев, примыкающих к оптическим окнам, составляла 96 мм. Иалич невозбужденных зон приводит к завышению значения поглощения и занижению регистрируемой яркости излучения от активной облает что приводит к занижению величины экспериментальной фуннц Планка .

Чтобы внести поправку на неоднородность в энсперименталь измеряемые величины, расчет яркости излучения и поглощения и следуемой активной среды ЭУЗК был повторен для всего набора те модинамичесних параметров с учетом реальной структуры колеб тельного возбуждения. На основании расчетов показано, что ра брос величины Кв имеет четкий минимум при измерении на «рильтре X = А,25 мкм, при этом его значение равнялось 1,8 ±0,1 Этот коэффициент использовался кан поправочный при определен равновесной функции Планка по экспериментально измеренной. В р зультате были получены зависимости колебательных температур Т^ активной среде ЭУЗК от величины энерговклада в разряд для тр смесей газов с различным содержанием СО^ в трех сечениях по п току.

Было проведено сопоставление экспериментальных значений к лебателышх температур Т^ с теоретическими, найденными из ура нений газовой динамики и колебательной кинетики по измеренн электрическим характеристикам разряда. (Газокинетический расч параметров потока был сделан сотрудником Казанского университе Шельпнковым В.Ю.). Различие нежду колебательными температура не выходит за пределы 5% в сечении I и 15% в сечении II и II Увеличение различия в сечениях II и III может быть связано с н учетом при теоретических расчетах потерь энергии разряда на о рлэооание страт.

Описанный метод диагностики был также применен для опред

ления поля колебательны»: температур Т^ в блоке резонатора мойного СО-лазера с электронной накачкой по измерениям в основной полосе Л,6 ккн СО. В диссертации приведены полученные зависимости поля Т^ от величины энерговклада.

В главе 3 излагается метод расчета переноса неравновесного селективного излучения, основанный на дальнейшем упрощении модели молекул, в явном виде учитывающий специфику задач фильтровой диагностики.

В настоящее время для массових расчетов переноса излучения наиболее широко используется метод, предложенный Куртисон и Год-соном (МИГ). Чаще всего МКГ используется в сочетании со статистической моделью . В этом случае выражение для пропускания однородного слоя записывается с использованием двух параметров : среднего коэффициента поглощения З/сЗ и параметра плотности линий у/с). Введение такого двухпараметрического описания эквивалентно замене совокупности реальных линий набором одинаковых линий с иеноторой модельной зависимостью эквивалентной ширины от силы линии и оптической толщины, а также силы линии от температуры. Очевидно , что при такой замене в расчетах вдоль неоднородных трасс оназывается неучтенным излучение " горячих линий " ( линий, отвечающих переходам между состояниями с высокими значениями энергии и слабо поглощающихся на низкотемпературных участках трассы ) .

Этот недостаток можно устранить , если вводить усредненные параметры не для всех линий сразу в данном спектральном интервале , а отдельно для каждой группы линий, имеющих значения энергии нижних состояний из накого-либо определенного интервала . Это соответствует введению М-групп линий с определенным весом для каждой группы . В рамках этого подхода пропускание слоя с поглощающей массой о запишется в виде :

П(о) = ехр

М И

I

1 ( И *> 1 -----

4 V.

(5)

V - АИ J J

| АЛ J АМ ^ ехр | - ЕЕ ) / Т | <1о ;

О

0

1 г АН J АН } ехр | - ЕЕ ^ / Т | <3и

(6)

(7)

V

а

Здесь AN , АМ^, ЕЕ - параметры групп, имеющие следующий физический смысл : AN^ - число линий , АМ^ - матричный элемент , ЕЕ - энергии нижнего состоянии, ц - полуширина линии. Параметры модели находились по минимуму функционала следующего вида : С 1 " \2

F ( Ï, ) = 1 g.---- - 1 , (В)

J i 1 1 Rj< V, ) >

где Rj - представляет собой спектральное пропускание однородного слоя газа , выраженное через функциональную зависимость от набора параметров Y.. в виде (5-7)J а^ - величина спентрального поглощения этого же слоя, найденная экспериментально ИЛИ теоретически рассчитанная; gj - характеристика достоверности значения а.. Параметры слоев выбирались из всего диапазона возможных значений. Среднеквадратичное отклонение характеризовало погрешность описания данной параметрической зависимостью R^(Yj) всех обьек-тов из выбранного диапазона.

Диапазон поглощающих масс и температур был ориентирован на класс задач по переносу излучения нагретых слоев газа через большие толди атмосферы . Температуры реперных точек находились в интервале 250 + 2500 К . Поглошающие массы изменялись в пределах от оптически тонкого слоя до максимальных поглощающих масс . В банк реперных точек входили данные для 'i поглощающих масс при 8 температурах, т.е. всего 32 точки . Как показали расчеты, с помощью двухуровневой модели , т.е. 6 параметрами, можно добиться приемлемого по точности ( среднеквадратичная погрешность не превышает 10 % ) описания спектральных характеристик молекулярных газов при температурах до 1000 К , а с помощью трехуровневой модели , т.е. 9 параметрами, - среднеквадратичная погрешность не превышает 12 % - для температур до 2500 К и спектральном интервале 2-25 нкм.

В качестве исходной информации были использованы расчеты методом "линия в линию" по банку спектральных линий ( для температур ниже 800 К ) и расчеты по модели, описанной в главе 1, для двухатомных молекул и СО^ в полосах <t,3 и 2,7 ним.

Определяемые значения параметров групповой модели зависят не только от диапазона изменений температуры и поглощающих масс, но и от способа усреднения спектральных характеристик. Поэтому, уже реперные точки следовало бы насчитывать с учетом конкретной аппаратной функции . Однако при такой подходе теряется общность,

и для каждой аппаратной <рункиии придется пересчитывать весь исходный материал реперннх точек и вновь решать задачу оптимизации для нахождения параметров групп, что представляет собой длительную вычислительную процедуру. Поэтому более целесообразно определять параметры групп при максимально подробном спектральном разбиении , а для каждой конкретной аппаратной функции рассчиты-ьать фильтровые параметры модели при помощи следующей процедуры. Запишем пропускание в пределах фильтре в виде (5-7), используя некоторые средневзвешенные гю фильтру параметры. Дли определения таних параметров составим <рункциоиал, выражающий невязку между пропусканиями в пределах срильтра, записанными в виде (5) и через прямое интегрирование по аппаратной Функции спектрального пропускания, и потребуем минимизации этого функционала в предельных случаях тонкой и толстой линий.

Для описания переноса излучения в колебательно-неравновесных газах обобщим многогрупповую модель описания слентрального состава излучения, разделив энергию нижнего уровня для каждой группы на несколько составляющих, каждая из которых соответствует своему типу движения :

ЕЕ = ЕЕПОСТ +■ ЕЕНОЛ . i i i

Одновременно расширим область описываемых обьектов, включив в нее значения пропусканий для однородных слоев колебательно-неравновесных газов. Будем рассматривать только такие колебательно-неравновесные состояния, для которых внутри каждого типа колебаний молекулы устанавливается больцмановское распределение по уровням с колебательной температурой Т . Для двухатомных моле-

vi

кул - это колеЬателыг&и температура , для СО^ - ограничимся случаем , ногда температуры симметричной и деформационной мод совпадают с поступательной Т^ =■ Г^ = Т , а колебательная равна температуре асимметричной модн Ту = Т^ . С учетом принятой функциональной зависимости пропускание слоя х запишется в том же виде, как и для равновесного случая (5), с параметрами, определяемыми следующим образом :

- I АМ^ ехр[ - (1-К,) ЕЕ} / Г - К^ / Ту] <1о , (9) О

ы

\5 = АЫ^ I _ (1-Ку)ЕЕ^ / Т - К^ЕЕ^ / Ту| <)«, (10)

О

где - новый параметр, введенный для описания переноса излучения в неравновесных газах. Реперные точки для колебательно-

неравновесных объектов насчитывались по методу, изложенному в главе 1, для иоленул СО^ в полосах 2,7 и 4,3 мкм и СО в полосе 4,6 мкм. Колебательные температуры Тд для СО^ и Ту для СО выбирались из диапазона 250-2500 К . Для каждого равновесного варианта расчета брались три значения колебательной температуры.

Найденные в процессе оптимизации параметры трехгрупповой модели для СО^ в полосах 4,3 и 2,7 мкм и СО в полосе 4,6 мкм приведены в приложении к диссертации. Погрешности описания спектральных характеристик равновесных объектов трехгрупповой моделью с 9 параметрами в виде (5-7) в указанном выше диапазоне изменения термодинамических параметров не превышали 10-12% . Погрешности описания спектральных характеристик колебательно-неравновесных обьектов трехуровневой моделью с 12 параметрами в виде (5,9,10) в уназанном выше диапазоне изменения термодинамических паранетров не превышали 151,

Создание упрощенной малопараметрической методики для расчета переноса излучения в колебательно-вращательных полосах молекулярных газов позволило решить задачу проведения томографического анализа неоднородных нагретых газовых потоков по радиометрическим измерениям в инфракрасной области спектра с учетом реальной линейчатой структуры колебательно-вращательных полос газов, в том числе и при заметном перепоглощении. Алгоритм описан в главе 4 диссертации .

Задача томографического анализа состоит в определении полей концентраций молекулярных газов, составляющих поток, и температурного поля потока по измеренным поперечным профилям яркости излучения. Для решения томографической задачи разобьем сечение потока концентрическими окружностями на N кольцевых зон. В случае аксиальной симметрии потока термодинамические параметры в пределах каждой кольцевой зоны будем считать фиксированными. Если поток не обладает аксиальной симметрией, то дополнительно

проведем разбиение потока лучами, исходящими из центра на N уг-

V

лов, равных й?=2я/Н^ , и параметры будем считать фиксированными в пределах каждой кольцевой зоны и каждого угла. Для проведения томографического анализа необходимо провести измерения спектральных характеристик излучения вдоль каждого луча, проходящего через середину кольцевой зоны для каждого ракурса.

Измерения проводятся с помощью спектрофотометра с некЬторой аппаратной функцией Т . Для расчета переноса излучения вдоль лу-

ча воспользуемся методикой, изложенной в главе 3, Величина яркости излучения , измеренная в первом луче проходящем через нрайнюю кольцевую зону потока, определяется концентрациями излучающих компонент i в первой зоне с| и температурой в первой зоне Т :

I = Р ( С1 , Т ) . (И)

1,м 1, и » 1

Соответственно для луча, проходящего через М-ую кольцевую зону, можем записать:

I = И ( С1, Г , С1, Г ,..., С1, Т ) . (12)

И, V Н,К1 112 2 К *

В уравнении (11) содержится (1+1) неизвестных, поэтому для нахождения решения требуется как минимум (1+1) уравнение. Для этого необходимо провести измерения яркости излучения на К 1 <1+1) длинах волн. Вначале решается система К уравнений вида (11) для определения параметров в первой кольцевой зоне с| и Т . Затем эти параметры подставляются в систему уравнений (12) для N=2 и определяются параметры во 2-ой зоне. И т.д. для всех остальных зон До И. Целесообразно искать решение путем нахощдения минимума невязки между экспериментально измеренными значениями яркости на различных длинах воли и значениями функций от концентраций излучающих компонент и температуры в виде (5-7). Выполнив оптимизацию для всех кольцевых зон, мы определяем концентрацию излучающих компонент и температуру во всех кольцевых зонах. Если поток не обладает аксиальной симметрией, то измерения яркости излучения необходимо проводить для всех сечений под разными ракурсами. В этом случае к системам уравнений (11,12) для каждой зоны добавляются системы уравнений для всех ранурсов. Последовательным решением систем уравнений для всех ракурсов при всех зонах определяются значения параметров потока в каждой кольцевой зоне в пределах каждого угла

Основные трудности при решении задач компьютерной томографии связаны с возможной неустойчивостью получаемого решения. Дополнительные проблемы связаны с необходимостью выбора оптимальных параметров регистрирующих приборов и условий проведения эксперимента для кинимизацки возмущающего влияния шумов, поглощения промежуточной атмосферой и т.д. на точность определения С , Т в потоке. Для их решения представляется целесообразным использовать математическое моделирование, схема которого выглядит следующим образом. Задается некоторое поле температур и Концентраций излучающих компонент в потоке, соответствующее априорным знаниям об обьекте или оцениваемое из каких-либо сведений о по-

доЬных объектах. Затеи решается прямая задача, т.е. рассчитываются яркости излучения потока, которые» были бы зарегистрированы приемником на разных длинах волн (с учетом аппаратных функций реальных ИК-фИльтров ) на разных сечениях и ракурсах с учетом промежуточной атмосферы, аппаратной функции приемника и геометрии проведения эксперимента. Для оценки

устойчивости алгоритма и функции передачи ошибок поступим следующим образом. Б полученные значения яркости излучения потока внесен возмущение, распределенное по нормальному закону со средней квадратичной погрешностью

6 = е, * I + с. • 1° , . (13)

п,и 1 n,u 2 v

где 1п - величина яркости излучения потока, регистрируемая приемником, а 1° — яркость фона. Такая форма записи моделирует погрешности измерения прибором, пропорциональные величине сигнала и величине фона. Искаженные таким образом поперечные профили яркости излучения потока используются для решения томографической задачи по описанному алгоритму. Проводится случайная выборка вариантов начальных условий с помощью генератора случайных чисел, распределенных по нормальному закону со средней квадратичной зависимостью, определяемой выражением (13). Путем статистической обработки полученных в результате томографического анализа результатов определяются поля средних арифметических значений С( и Т в потоке и средние квадратичные отклонения.

Описанная методика томографического анализа и численного тестирования была реализована в программе, позволяющей' определять пространственные распределения температуры и концентраций■ СО^, Н^О, СО, HCl и сажи в потоке по измеренным на различных длинах волн поперечным профилям яркости теплового излучения.

С целью экспериментальной проверки предложенная методика была использована для определения поперечных профилей температуры и концентрации СО^ в затопленной осесимиетричной изобарической струе продуктов сгорания углеводородного топлива модельной газотурбинной установки (ГТУ), созданной в лаборатории оптики неравновесных сред Института физики AHB. Для измерения поперечных профилей яркости излучения струи продуктов сгорания использовался ИК-спектрометр на базе ИКС-21 . Измерения были проведены в сечении, отстоящем на 7 калибров от среза сопла от оси . струи до ее границы через интервалы , равные 0,02 м , в длинноволновом

крыле основной полосы 4,3 мкк С02 . 0 соответствии с экспериментальной погрешностью для с выбирались следующие значения : е^ » 0,15 и = 0,50 . Искаженные танин образом поперечные профили яркости излучения были использованы для решения томографической задачи. Путем статистической обработки вариантов решений были определены поля средних арифметических значений концентрации COj и температуры в потоке, а также средние квадратичные отклонения для каждой из величин.

Одновременно с измерениями яркости излучения проводились измерения профиля температуры с использованием отсосной хромель-копелевой термопары ( погрешность измерений 0,3% ) и концентрации СО^ в струе с помощью ИК - газоанализатора "СО^ - тестер" ( максимальная погрешность 5 % ) . Профили температуры и концентрации С02 , полученные в результате томографического анализа и измеренные контактными методами , совпали с точностью 12% .

Аналогичный подход может быть применен для диагностики других характеристик потока, влияющих на его излучательные свойства, например колебательной неравновесности.

В заключении изложены основные результаты выполненной работы.

1. Разработана методика расчета переноса ИК-иэлучения в но-лебательно-вращательных полосах неравновесных молекулярных газов для двухатомных и линейных трехатомных молекул, основанная на применении к узким спектральным интервалам модели случайно перекрывающихся эльзассеровых переходов. Прямое интегрирование по контуру линии вдоль луча наблюдения позволило использовать методику для сильно неоднородных по давлению и скоростям трасс. Объединение линий с близкими энергиями нижних состояний в группы позволило упростить численную процедуру счета. Разработанный метод реализован в программе на IBM PC/AT. Проведенное широкое сопоставление позволило реномендовать методину для массовых расчетов при численном моделировании широкого круга прикладных задач.

2. Разработан способ, учета неоднородности антивной среды СО^- , СО - лазеров при определении колебательных температур Т^ - С02 и - СО по одновременным измерениям ярности излучения и поглощения в полосах 4,3 и 4,6 мкм »соответственно . Измерены колебательные температуры Т^ в активной среде С0^ - электроразрядного лазера и установлена их зависимость от величины энерговклада , а также давления и состава врэбушдаемой газовой смеси. Определено поле колебательных температур Tv по блоку резонатора СО-лазера с электронной наначкой.

3. Предлошен способ определения параметров многогрупповой модели для расчета переноса излучения в колебательно-

вращательных полосах равновесных молекулярных газов, адаптированный к потребностям задач фильтровой диагностики. Определены 9 параметров 3-х групповой модели для описания спектральных, характеристик СО^, СО, HjO и HCl в области длин волн 2-25 мкм в диапазоне температур 250-2500 К . Погрешность описания по всей базе данных не превышает 12% .

4. Предложен способ учета колебательной неравновесности в многогрупповой модели. Определены соответствующие параметры расширенной модели для COj в полосах 4,3 и 2,7 мкм и СО• в полосе 4,6 мкм. Погрешность описания спектральных характеристик нолеба-тельио-неравновесных обьектов 3-х групповой моделью с 12 параметрами по всей базе данных не превышает 15% .

5. Разработан метод и создана программа томографического анализа нагретых потоков молекулярных газов по ИК-радиометрическим измерениям теплового излучения. Предложен способ оценки устойчивости решения томографической задачи и определения оптимальных параметров измерительной аппаратуры с использованием метода математического моделирования. Разработанный метод реализован в программе на IBM PC/AT . Проведена экспериментальная проверка предложенного способа на модельной ГТУ. Получено хорошее согласие с данными контактных измерений.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Виткин Э.И., Шуралев С.Л., Таманович В.В. Метод расчета переноса излучения вдоль неоднородных трасс в колебательно-вращательных полосах молекулярных газов. Минск. 1987. 49 с. (Препринт Института физики АН БССР : N 459).

2. Виткин Э.И., Шуралев С.Л. Особенности переноса излучения в колебательно-вращательных полосах неравновесных газов в сверхзвуковых потоках // Сборник тезисов докладов конференции по колебательной спектроскопии посвященной 80-летию со дня рождения Б.И.Степанова. Минск: Институт физики AHB. 1993. С. 16.

3. Вахир Л.П., Левашенко Г.И., Мазаев Н.В., Кацевич С.П., Шуралев С.Л. Скоростной ИК спектрофотометр с системой автоматизации для определения параметров рабочих сред проточных молекулярных лазеров // Журн. прикл. спектр. 1985. Т. 42, H 5. С. 727-734.

4. Бахир Л.П.,Беляков D.M.Левашенко Г.И.,Сиконьков C.B.,

Таманович B.B.,Шуралев С.Л. Газодинамическая установка с автоматизированной системой диагностики для исследования кинетики процессов в ГДЛ па горении // Фиэ. горения и взрыва 1985. Т. 21, N 4. С. 79-87.

5. Еахир Л. П., Елов В.В., Левашенко Г.И., Таманович В.В., Шуралев С.Л. Исследование возбуждения асимметричной моды СО^ электрическим разрядом в потоке смеси CO^iN^rHeîC)^ по излучению и поглощению в полосе 00°1—00°0 СО^ // Материалы XVII Международной конференции по явлениям в ионизированных газах. Будапешт. 1985. С. 895-896.

6. Левашенко Г.П., Шуралев С.Л. Модаль абсолютно черного тела II В преп. Оптические приборы. Минск. 1984. С. 20-21. (Препринт Института газики АН БССР : N 333).

7. Левашенко Г.П., Маэаев Н.В., Шуралев С.Л. Модель абсолютно черного тела для калибровки фильтровых спектрофотометров // Журн. прикл. спектр. 1990. Т. 53, N 2. С. 339-342.

8. Таманович В.В., Шуралев С.Л. Оценка влияния невозбужденных слоев на точность экспериментального определения функции Планка колебательно-неравновесного С0^ в области 4,3 мкм // В сб. "Кинетические и газодинамические процессы в неравновесных средах". Москва: МГУ. 1984, С. 101.

9. Бахир Л.П., Елов В.В., Киселев 0.М.,Левашенко Г.И., Таманович В.В., Шельпянов B.D., Шуралев С.Л. Исследование энергетичесних параметров активной среды электрораэрядных СО^-лаэеров с замкнутым контуром по поглощению и излучению

в области 4,3 мкм // Квантовая электроника. 1988. Т. 15, N 1. С. 91-ipO.

10. Левашенко Г.И., Мазаев il.В., Еремин В.И., Коваленко И.П., Сокольников A.B., Шуралев С.Л. Исследование воздействия лазерного излучения на композиционные материалы методами ИК-спентроскопии // Квантовая электроника. 1990. Т. 17,

N 10. С. 1317-1320.

11. Витнин Э.И., Шуралев С.Л. Малоракурсная топография нагретых потоков по ИК-радиоиетрическин измерениям ■// Инж,~фи-зич. журнал. 1991. Т. 61, N 2. С. 284-288 .

12. Виткин Э.И., Шуралев С.Л. Компьютерная томография неоднородных потоков продуктов сгорания по ИК-радиометрическим измерениям // Вестник МАИ. 1994. Т. 102, N 1, в печати.

13. Виткин Э.И., Шуралев С.Л. Определение полей температуры и концентраций в потоках по их собственному ИК-иэлучению методами компьютерной томографии // Сб. тезисов докладов Всесоюзного семинара "Оптические методы диагностирования

двухфазных потоков в элементах АЭУ". Севост. 1991. С. 11-12. 14. Беляев Ю.В. , Вйтнин Э.И., Кданович О. В., Шуралев С. Л.

Применение метода компьютерной томографии для определения поперечного профиля температуры и концентраций в струе продуктов сгорания // Инж.-физич. журнал. 1994. Т. 66, N 5. С. 534-538 .

Личный вклад автора. Диссертация отражает личный вклад автора. Постановка задачи и научное руководство работой осуществляли Ю.В.Ходыно и Э.И.Виткин. Методика определения температуры Т3 СО^ по измерениям в Полосе 4,3 ккм разрабатывалась совместно с Л.П.Бахир и Б.В.Таманович . Экспериментальные исследования на СО^- и СО-лазерах выполнены автором совместно с Л.П.Бахир и Г.И.Левашенко . Экспериментальные измерения на установке ГТУ были проведены О.Б.Ждонов^ч и Ю.В.Беляевым.

ИУРАЛЕВ СТАНИСЛАВ ЛАЗАРЕВИЧ

ДИАГНОСТИКА НАГРЕТЫХ ГАЗОВЫХ ПОТОПОВ ПО ИК-РАДИОПЕТГИЧЕСКНМ ИЗМЬРЕШШМ

Подписано к печати 12.05.94 Печать офсетная. Бесплатно.

Формат 60x90 1/16. Объем 1,1 п.л. Уч.-изд. л. 0,9. Тираж 100 экэ. Заказ N

Институт физики ии. Б.И.Степанова АН Беларуси. 220072, Минск, ГСП, пр. (Р.Скорнны, 70. Отпечатано на ротапринте ИФ АНП