Диагностика полей температур и скоростей люминесцентными методами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

£

ск

Министерство общего и профессионального е^ образования Российской Федерации ^ Московский государственный университет леса

На правах рукописи

КАРИЦКАЯ СВЕТЛАНА ГЕННАДЬЕВНА

ДИАГНОСТИКА ПОЛЕЙ ТЕМПЕРАТУР И СКОРОСТЕЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫМИ МЕТОДАМИ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена на физическом факультете Карагандинского государственного университета имени Е.А.Букетова.

Научные руководители: доктор технических наук,

профессор Акылбаев Ж.С.; кандидат физико-математических наук Пономарев С.Г. -------------

Официальные оппоненты:1 Доктор технических наук

профессор АРЕФЬЕВ В.И,

Доктор технических наук проф., Лауреат Госпремии СССР КОТЕНКО В.Д.

Ведущая организация: Аэрогидродинамический государственный научно-исследовательский центр, ЦАГИ

Защита состоится г. в

час. на

заседании диссертационного совета К 053.31.06 по присуждению ученых степеней при Московском государственном университете леса по адресу: 141001, Мытищи-1, Московской области, МГУЛ, ауд. ЬНЛЗУ^'

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ.

Автореферат разослан 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент БУЛГАКОВ В.И. ,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время известно шьшое количество экспериментальных методов исс-:дования тепломассопереноса. Их принято делить на штактные и бесконтактные. Основным недостатком фвых является возмущение ими изучаемой среды и >зможность их применения лишь в одной или не-юльких точках изучаемого объекта. Среди бесконтак-1ых (оптических) методов можно выделить две груп-

эК

1) теневые - основанные на измерении освещенно-:и и идентификации световых лучей;

2) интерференционные - основанные на регистрации азности фаз. По сравнению с теневыми интерферен-ионные методы имеют большую разрешимость и точ-ость. Однако они являются более сложными и дорого-гоящими и, как правило, имеют меньший диапазон змерений.

В последнее время появился еще один быстроразви-ающийся метод исследования тепломассопереноса -юминесцентный. В его основе лежит температурная ависимость люминесценции некоторых люминофоров. 1о сравнению с контактными методами измерений лю-шнесцентный обладает теми же преимуществами, что ; известные оптические методы, но является менее ложным и не менее точным по сравнению с ними.

На современном этапе развитие исследований провесов теплообмена определяется развитием экспери-гентальных методов, которые играют важную роль не

только в получении каких-то конкретных данных, но для накопления недостающей информации, необходк мой для разработки и усовершенствования теоретиче ских методов решения. Таким образом, значительны интерес представляет дальнейшее развитие оптические в первую очередь люминесцентного, методов исследо вания для решения теплофизических задач, позволяю щее получать информацию о характеристиках тепло массопереноса во всем объеме или по всей поверхност) обтекаемого тела в масштабе реального времени, н< возмущая изучаемой среды.

Целью, настоящей работы являлась разработка лю минесцентных методов для исследования процесса тепло- и массопереноса.

Основные задачи, вытекающие из этой цели:

- исследование механизмов влияния среды на оптические характеристики красителей, входящих в основу люминесцентных датчиков скорости и температуры;

- исследование некоторых процессов тепломассопе-реноса с помощью разработанных люминесцентных методов.

Методы исследования- Для изучения спектральных характеристик химических соединений использовались стандартные установки для снятия спектров поглощения и люминесценции. Для градуировки разработанных люминесцентных термопленок и их контроля использовались методы радиационной пирометрии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан люминесцентный метод измерения температуры поверхности нагретых тел в диапазоне от 20

100° С, основанный на температурной зависимости минесценции трифенилметановых красителей;

- разработан люминесцентный метод измерения ;дней скорости медленных потоков на основе зави-дости от скорости параметров пространственно-вре-нных структур (ПВС);

- разработан новый фотохромный раствор на основе дкоформы родамина С для получения профиля скорей методом фотохромной визуализации; -

- разработана методика измерения концентрации слорода на основе ПВС в спиртовых растворах ант-хинона;

- впервые обнаружен и описан эффект образования ЗС в системе антрахинон-спирт. Показано, что в се-и фотохимических реакций, приводящих к образова-ю ПВС антрахинона, определяющую роль играет оцесс тушения триплетных состояний антрахинона слородом;

- показано, что наблюдаемое существенное измене-:е интенсивности и формы спектров люминесценции ифенилметановых красителей в пленках поливинил-тираля и явление температурного гистерезиса их лю-шесценции обусловлены влиянием температуры на »движность и структуру окружающей молекулу кра-теля среды.

Научная и практическая значимость. Обнаружен эф-;кт появления ПВС, образующихся ярко люминесци-'ющим фотопродуктом, в системе антрахинон - изо-юпиловый спирт. Качественное отличие обнаружение явления от предыдущих работ заключается в об-!зовании ПВС не только в тонких слоях (0,005-1

мм), но и в образцах большей толщины (1-30 мм) и полимерных пленках. Поведение ПВС в слоях больше толщины отличается от описанного ранее эффекта во; никновения структур в тонких слоях. При определен ных условиях эксперимента локальные конвекционны потоки, обусловленные особенностями протекания фо тореакций, способствуют формированию ПВС в рас творах антрахинона, в то время, как во всех известны ранее люминесцирующйх ПВС они играют негативную роль. На основании последнего факта были разработа ны методы визуализации медленных течений в трубка: с целью измерения средней по сечению скорости пото ка и температуры пограничного слоя нагреваемого ци линдра, в основе которых лежат температурная и ско ростная зависимости временных характеристик образо вания ПВС. Эти методы могут найти применение ] прикладной медицине, гидродинамике.

Предложен фотохромный индикатор на основе рода мина С для визуализации жидкостных потоков, в частности при экспериментальных исследованиях в область гидродинамики.

Предложен метод исследования теплофизических характеристик, основанный на температурной зависимости люминесценции полимерных пленок поливинилбу-тираля с внедренными молекулами трифенилметановьи красителей. Полученные результаты свидетельствуют с том, что данный метод может быть использован для получения информации о мгновенном распределении температур по всей поверхности обтекаемых тел сложной геометрической формы.

В ходе исследований механизма влияния температу-[ на интенсивность люминесценции ряда трифенил-тановых красителей в полимерной матрице было вы-нено, что молекулы этих красителей являются свое-разными датчиками структуры окружающей среды, ■о открывает новые перспективы их применения, на-имер, для изучения фазовых переходов в полимерах. Апробация работы. Основные результаты диссерта-онной работы обсуждались на международной конвенции "International organic substances solvent traction conference" (Воронеж, 1992), I Республикан-om съезде по теоретической и прикладной механике лматы, 1996); на ежегодных научных конференциях фагандинского государственного университета (199296 гг.); на Республиканской конференции "Состоя-;е и перспективы создания использования средств 'нтроля, измерения и АСУ ТП на предприятиях Ре-ублики Казахстан" (Караганда, 1996). На защиту выносятся:

1. Люминесцентный метод диагностики температуры, лючающий разработанную и адаптированную к исс-дованиям в жидкой среде термопленку на основе ифенилметановых красителей.

2. Разработанные люминесцентные методы диагно-ики температуры и средней скорости медленных по-ков, в основе которых лежит зависимость индукци-[ного времени образования ПВС в системе антрахи-ih-спирт от скорости потока и от температуры окру-нощей среды.

3. Разработанная фотохромная жидкость для пол учения профиля скоростей потока на основе родамин; С.

4. Результаты исследований механизма влияния сре ды на оптические характеристики трифенилметановы: красителей и механизма образования люминесцирую щего фотопродукта антрахинона, ведущего к образова нию ПВС.

5. Результаты исследований процессов тепломассо переноса с помощью разработанных методов.

Публикации. Основные результаты проведенных ис следований опубликованы в семи печатных работах.

Структура диссертационной работы определена по ставленными задачами и состоит из введения, четыре) глав, выводов и списка цитируемой литературы.

Общий объем, диссертации составляет 166 страниг машинописного текста, включая 1 таблицу, 36 рисунков и библиографию из 193 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной темы, сформулирована цель работы, отражена ее научная новизна и изложены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзо{ литературы по оптическим методам исследований таким, как интерферометрический и люминесцентные для изучения полей температур обтекаемых тел, метод фотохромной визуализации для изучения гидродинами-

ких характеристик потока, а также обзор литерату-по современным представлениям о диссипативных уктурах, возникающих в химических системах, выявлена сложность проведения теплофизических ледований интерферометрическим методом (в том ле методом голографической интерферометрии) и бходимость дальнейшей разработки и совершенст-ания технологий измерений температуры люминес-тным методом.

Токазано, что с помощью метода фотохромной ви-лизации возможно измерение ряда характеристик ^костного потока, а дальнейшее развитие этого ме-а связано с разработкой новых фотохромных соеди-

(ИЙ.

¡Сроме того показано, что в литературе, посвящен-\ описанию экспериментальных исследований фото-¿ических процессов, приводящих к появлению не-минесцирующих упорядоченных неравновесных со-яний, не отражены системы, приводящие к появле-о люминесцирующих ПВС.

На основании проведенного анализа определен круг ач, решаемых в данной работе. Во второй главе рассмотрены методики проведения хгериментальных исследований по изучению фото-)дуктов антрахинона, по визуализации медленных ;родинамических потоков, по визуализации полей шератур обтекаемого кругового цилиндра. Описаны установки для снятия спектральных, темпе-урных и временных характеристик исследуемых в юте образцов. Деаэрирование растворов проводи-

лось на вакуумной установке до остаточного давлени 10~3 мм рт.ст. по стандартной методике.

Приведены методики приготовления фотохромно жидкости на основе красителя ксантенового ряда рода мина С и полимерных пленок на основе поливинилбу —тираля с внедренными молекулами трифенилметановы: красителей.

Описана установка, включающая гидродинамически] канал замкнутого типа, разработанная и применяемая з КарГУ для исследования полей температур поперечн« обтекаемого кругового цилиндра голографическим ме тодом. В данной работе установка была модифицирова на с целью ее применения для регистрации полей тем ператур люминесцентным методом. Температура по верхности цилиндра контролировалась с помощью ра диационного пирометра специальной конструкции, разработанного в КарГУ, погрешность измерения температуры которого в исследуемом диапазоне не превышает 1,5 % и с помощью медь-константановых термопар г разных точках.

Подробно описаны разработанные и созданные установки с лазерным возбуждением, позволяющие производить визуальную регистрацию медленных гидродинамических течений, обусловленных естественной и вынужденной конвекцией. Интенсивность лазерного излучения контролировалась с помощью фотодиода ФД-24К и тепловых приемников специальной конструкции, разработанных в КарГУ, коэффициент поглощения которых в исследуемом диапазоне равен 0,97.

Третья глава посвящена результатам исследований механизмов влияния среды на оптические характери-

ки красителей, входящих в основу люминесцентных одов исследования процессов тепломассопереноса. 3 результате предварительных исследований оптиче-;х чувствительных элементов на основе органиче-[X соединений было обнаружено, что у ряда трифе-шетановых красителей, не люминесцирующих в цких растворах, при внедрении их в полимерную грицу появляется люминесценция, интенсивность ко-юй зависит от температуры. При нагревании матри-поливинилбутираля (ПВБ) с внедренными молеку-ли трифенилметановых красителей в диапазоне тем-затур 20-80 °С, наблюдается значительное уменьше-е интенсивности свечения красителя, а также дефор-ция спектра излучения: спектр сужается, и различие ух максимумов свечения становится менее явным. В ходе эксперимента было обнаружено, что имеет сто явление температурного гистерезиса люминес-нции красителей, сущность которого заключается в восстановлении исходных спектров люминесценции лимерного образца после первого и последующих оцессов его нагревания и охлаждения (рис. 1, зави-мость 1-2-3). Обнаружено, что при нагревании полярных образцов свыше 80 °С люминесценция иссле-емых красителей, внедренных в ПВБ, исчезает. Taie поведение люминесценции и ее температурный ги-ерезис объясняется тем, что при нагреве полимерной 1трицы до 50 °С и более полимер начинает перехо-[ть из стеклообразного в высокоэластичное состоя-ie, при котором его исходная структура частично или шностью разрушается из-за возросшей подвижности >лимерных звеньев и цепей. При температуре более

80 °С полимер переходит в вязкотекучее состояние при котором наблюдается высокая подвижность цепей звеньев и, соответственно, колец молекул красителя что приводит к исчезновению люминесценции послед них. При охлаждении матрицы до комнатной темпера туры из-за неравновесности стеклообразного состояни5 первоначальная структура полимера не восстанавливается. В результате этого происходит перераспределение молекул красителей по зонам с разной концентрацией Это обстоятельство проявляется в изменении спектро! люминесценции красителей до и после нагрева и объясняет появление температурного гистерезиса. В результате введения пластифицирующих добавок (пластификатор изменяет структуру материала) увеличивается гибкость молекул и подвижность надмолекулярных структур, что и приводит к понижению температуры стеклования и текучести. Это в свою очередь ведет к переходу полимера из стеклообразного в высокоэластичное состояние при комнатной температуре. В высокоэластичном состоянии полимер находится в близком к равновесному состоянии, которое восстанавливается в циклах нагрев - охлаждение, т.е. температурный гистерезис не наблюдается (рис.1, зависимость 1-4-1).

Экспериментальные исследования показали, что интенсивность люминесценции ряда трифенилметановых красителей изменяется в несколько раз в области температур 204100 °С. Это обстоятельство представляет интерес для целей детектирования полей температур, поскольку именно этот интервал температур характерен для значительного числа аэрогидродинамических задач. В этой связи было предпринято исследование,

1оти. 2 Г

01-1-1-■-.-.-.-.-.

15 25 35 45 55

I, "С

Рис. 1. Зависимости интенсивности флуоресценции красителя бромфенолового синего (С=10"2 моль/л) на длине волны максимума излучения (^=630 нм) в пленке ПВБ от температуры пленки в течение одного цикла "20-50-20": 1-2-3 - непластифицированная пленка, 1-4-1 - пластифицированная пленка

5

Рис. 2. Вид ПВС в спиртовом растворе антрахинона (С=10~ моль/л, размеры кюветы 24x11x39 мм) спустя 4,5 минуты с момента лазерного облучения. 1,2- стенки кюветы

полимерных пленок ПВБ с молекулами трифенилмета новых красителей в качестве молекулярного датчик характеристик теплопереноса, для чего были создан! пленки, адаптированные к исследованиям в жидко] среде, которые затем крепились на поверхность дилин дра.

В данной главе предлагается также описание эффек та появления ПВС, образуемых ярко люминесцирую щим фотопродуктом, в системе антрахинон-изопропи ловый спирт. Эволюция ПВС в этой системе протекае1 как минимум в две стадии. Первая, "быстрая", стади; включает в себя фотоиндуцированные химические ре акции с образованием макроскопического фронта фо тореакции. Зарождение в одной или нескольких точка: и распространение этого фронта приводит к образова нию люминесцирующих и нелюминесцирующих зон На второй, "медленной", стадии локальные конвекци онные потоки, обусловленные особенностями протека ния фотореакций, и образующийся фотопродукт антра хинона порождают ПВС с периодически меняющейс: во времени и в пространстве картиной распределена люминесцирующих и нелюминесцирующих зон. Н; фотографии (рис. 2) видна первая ярко люминесциру ющая конусообразная зона, от вершины которой в ви де тонкого шнура отходит часть фотопродукта, диф фундирующая вследствие естественной конвекции. Н< небольшом удалении от конца светового конуса нахо дится вторая люминесцирующая зона.

Для выяснения механизма образования фотопродукта антрахинона, приводящего к возникновению ПВС был проведен ряд экспериментов по исследованик

та ни я на данный процесс растворителей, концентра-н растворов и кислорода, границы раздела фаз, ис-шиков излучения и интенсивности облучения. Пока-ю, что необходимым условием возникновения ПВС тается наличие в образцах растворенного кислорода. 1И облучении системы антрахинон - ацетон люминес-рующий фотопродукт визуально не наблюдался. При тучении систем антрахинон - четыреххлористый уг-эод, антрахинон - бензол и антрахинон - толуол 1С образуется только на границе раздела стекло кю-гы - раствор и раствор-воздух.

Было показано, что образование ярко люминесциру-цего фотопродукта в спиртовых растворах антрахи-на наблюдается спустя некоторый индукционный пе-од времени после начала облучения, который зави-г от концентрации раствора и кислорода и интенсив-;ти облучения растворов.

Обнаружено также, что после прекращения облуче-я кюветы с образцом люминесцирующие свойства топродукта сохранялись в течение 5-30 минут для )ев больше 1 мм и 5-7 часов для слоев меньше 1 мм зависимости от температуры, что говорит о наличии 1дии стабилизации фотопродукта. Объяснение полученных экспериментальных данных ювывается на двух фактах. Во-первых, ПВС антра-нона не образуются в обескислороженных растворах, во-вторых, известно, что кетоны (группа красите-1, к которой относится антрахинон), содержащие две эолее карбонильных группы, в спиртах при облуче-и фотовосстанавливаются до гидрохинонной формы.

В данной главе, согласно классическим работам, приводится схема фотохимических реакций, протекающих в кислородонасыщенных спиртовых растворах ан-трахинона. Следует отметить, что в классическом рассмотрении из-за незначительного вклада при обычном уровне облученности растворов опускается реакция взаимодействия возбужденных молекул антрахинона с кислородом. Однако, как это следует из наших экспериментальных данных, при облучении растворов излучением большой интенсивности эта реакция вносит существенный вклад в образование кетильного радикала (люминесцирующего фотопродукта) и развитие ПВС. Она показывает, что кислород препятствует образованию кетильных радикалов и радикалов спирта. С другой стороны, образовавшиеся радикалы спирта являются эффективными "ловушками" кислорода. При определенных условиях скорость генерации радикалов спирта начинает превышать скорость диффузии кислорода в реакционную зону. Это приводит к разгоранию люминесценции радикалов антрахинона и образованию ПВС. Если в силу каких-либо внешних причин "ловушки" кислорода удаляются из зоны реакции, и скорость этого удаления превышает скорость диффузии кислорода в зону, люминесценция радикалов антрахинона и ПВС наблюдаться не будут. Поэтому на величину индукционного периода образования фотопродукта будет оказывать влияние и подвижность близлежащих слоев. На основании этого вывода были проведены эксперименты и разработаны методики по визуализации температуры поверхности нагреваемого цилиндра и медленных потоков в трубках.

; четвертой главе приведены результаты исследова-температурных полей поперечно обтекаемого кру->го цилиндра, находящегося в гидродинамическом але, и медленных потоков в трубках малого сече-с помощью разработанных методов. 1,ля изучения закономерностей пульсаций темпера-ы при малых степенях сжатия потока q были прове-ы эксперименты с • цилиндром малого диаметра (3 . На рис. 3 приведена зависимость перепада темпе-уры по поверхности поперечно обтекаемого цилин-, по сравнению с температурой набегающего пото-Д^ - температура потока) от угла 8, отсчигы-мого по поверхности цилиндра от лобовой точки, зболее горячая точка, как видно из рисунка, для но го гидродинамического режима, находится близко обовой точке цилиндра. Это объясняется смещением :ки отрыва пограничного слоя вверх по потоку, что зано с влиянием естественной конвекции при малом ;ле Рейнольдса.

С увеличением загромождения канала теплоотдача передней половине цилиндре растет, причем при шении от передней критической точки быстрее, чем гази нее. Минимум теплоотдачи смещается в сторо-болыпих углов 8- Это объясняется смещением точ-отрыва пограничного слоя с ростом q в этом же на-авлении. На кривых для средних значений перепада шературы наблюдаются два минимума теплоотдачи яиндра (рис. 3). Появление второго минимума теп-отдачи в области 1157130° объясняется тем, что с сличением q из-за сужения проходного сечения межповерхностями стенок канала и цилиндра процесс

1,5

0,5

®

Рис. 3. Распределение поля температур по поверхности цилиндра (Яе=300).

1 - метод голографической интерферометрии (при постоянной выделяемой мощности нагревателя Р=1,5 Вт; q=0)3); 2, 3, А - люминесцентный метод (Р=1,5 Вт и я=0,3; Р=5,б Вт и д=0,8; Р=5,6 Вт и д=0,3 соответственно)

Рис. 4. Фотоснимки ПВС. наблюдаемых в спиртовом растворе антрахинона (С=1(Г моль/л) в трубке (мощность лазерного излучения 3 мВт).

Средняя скорость течения раствора в трубке: а) 0 мм/с; б) 17,5 мм/с; в) 25,8 мм/с

ыва вихрей становится апериодичным. В отсутствии иодических срывов вихрей размеры зоны циркулярного течения в следе за телом увеличиваются, а рость течения в этой области уменьшается. При м турбулизация пограничного слоя наступает на не-ором расстоянии от точки отрыва, а обратный поток цкости из кормовой области разворачивается по по-у преимущественно в этой же области, примерно I 6 104130°. -

Таким образом, измерение мгновенной картины по-температур четко фиксирует вышеуказанные изменяя гидродинамических характеристик потока. В качестве тестирования предложенного метода был эведен сравнительный анализ экспериментальных зультатов определения температуры пограничного эя кругового цилиндра в гидродинамическом канале »минесцентным методом с экспериментальными дан-ми, полученными методом голографической интер-рометрии при аналогичном гидродинамическом реме. Как видно из рис. 3, абсолютное значение раз-стей экспериментальных данных для кривых, поденных голографическим и люминесцентным метода-[, лежит в пределах погрешности эксперимента. Это ворит о возможности применения люминесцентного тода с использованием предложенной полимерной енки на основе трифенилметановых красителей в ка-стве молекулярного датчика для исследования темпе-турных полей на поверхности объектов сложной геопрической формы.

На рис. 4 приведены фотографии ПВС, образуются в растворе антрахинона, находящемся в кварце-

вой трубке, при постоянном значении интенсивное' лазерного излучения и различных значениях скорос потока жидкости. На фотографии луч лазера направлю сверху вниз перпендикулярно трубке, отображенной виде серого прямоугольника. Как видно, в покоящей« жидкости (^Ср=0) под воздействием УФ облучения о( разуется ПВС в виде ярко люминесцирующего цилищ ра, отслеживающего ход луча лазера. С увеличение скорости в центре луча образуется разрыв, и ПВС пр* обретают вид люминесцирующих конусов. Геометриче ские размеры разрыва увеличиваются при дальнейше увеличении скорости, и при этом разрыв обесцвечива ется, а при значении уср>25,8 мм/с образование фоте продукта в данной трубке не наблюдается. Из рисунк видно, что высота конусов, образующихся на противо положных стенках различна. Это объясняется тем, чт интенсивность излучения, способствующего образова нию конуса, расположенного на более удаленной о лазера стенке трубки, поглощается раствором и, следо вательно, меньше интенсивности облучения, способст вующего образованию конуса, находящегося на близ лежащей к лазеру стенке трубки.

Одновременно с фоторегистрацией описанного выше эксперимента и измерением скорости потока жидкости производились измерения индукционного периода появления ярко люминесцирующего фотопродукта. Эта измерения позволили получить зависимость индукционного периода возникновения фотопродукта Хх от средней по сечению скорости потока жидкости Уср (рис. 5). Как видно из рисунка, полученная зависимость Т ¡=Г (\'ср) является линейной. На основании этих

периментальных данных была предложена методика измерению скоростей медленных потоков, которая гадает следующими преимуществами по сравнению с [ее известным методом фотохромной визуализации: • упрощается процедура измерения средней скорости •ока в режиме реального времени, для чего доста-:но наличие градуировочной зависимости Т[(уср) для юльзуемой в работе трубки и прибора, позволяюще-измерить время;

- исключается зависимость результатов исследова-I от времени появления метки и времени ее сущест-¡ания, поскольку данный метод визуализации гидро-тмических потоков основан на зависимости време-возникновения фотопродукта от скорости потока;

- исключается зависимость результатов эксперимен-от идентификации соответствующих друг другу то; на последовательных изображениях метки.

В качестве сравнения экспериментальных результа-; предложенной методики по измерению средней »рости был применен метод фотохромной визуализа-позволяющий получить профиль скоростей. В ка-:тве рабочего вещества использовался новый фото-)м - лейкоформа красителя родамина С. На основе явления образования ПВС антрахинона та разработана методика визуализации температур-х> поля. В качестве нагреваемого тела использовался тандрический резистор, который закреплялся в фцевой кювете на небольшом расстоянии (2-10 мм) торцевой стенки. Облучение резистора производи-:ъ лучом лазера со стороны этой стенки. С помощью денения напряжения источника питания температура

3

2

1

О

О

5

10 15

20 25 30

Уср, мм/с

Рис. 5. Зависимость индукционного периода возникновения люминесценции фотопродукта антрахинона в спиртовом растворе (С=10~3 моль/л) от скорости течения раствора в трубке (мощность лазерного излучения 3 мВт)

Ъ 4с Зс 5с Зс 6с Зс 9с Зс

Рис. 6. Вид ПВС. образующихся в спиртовом растворе антрахинона (С=10~ моль/л) в кювете с закрепленным в ней нагреваемым цилиндром.

Р и С - поверхности резистора и стенки кюветы соответственно; I - температура поверхности резистора; I) - индукционный период возникновения ПВС

1 23 'С 24 °С 25 °С 26 'С

верхности резистора варьировалась в интервале 23-°С. На рис.6 приведены ПВС, изображенные в виде нтрихованных областей при различных значениях дпературы резистора. При температуре 27 °С обра-зание люминесцирующей зоны на поверхности рези->ра не наблюдалось.

При изменении температуры цилиндра наблюдалось ченение следующих характеристик ПВС: индукцион-го периода их возникновения, формы и интенсивно-I свечения люминесцирующих конусов у поверхно-I стенки и резистора, расстояния между конусами, шмное расположение бледно зеленых "шнуров", об-зованных диффундирующей из люминесцирующих н частью фотопродукта. Данные этого эксперимента азывают на возможность применения спиртовых растров антрахинона для визуализации и бесконтактно-измерения полей температур тела (на основе зави-мости индукционного времени возникновения ПВС температуры), находящегося в открытом гидродина-ческом канале со спиртовым раствором антрахинона.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложен и отработан метод бесконтактного из-рения средней скорости медленных гидродинамиче-ях потоков, в основе которого лежит зависимость дукционного периода возникновения ПВС от скоро-I потока. Полученная зависимость в исследуемом ди-азоне является линейной.

2. Показана возможность применения фотохромг нового типа для визуализации температурных поле* нагреваемых тел, находящихся в открытом гидродинамическом канале со спиртовым раствором антрахинона

3. Предложена методика измерения концентрации кислорода, в основе которой лежит зависимость образования индукционного периода образования лгоминес-цирующих ПВС от концентрации кислорода.

4. Предложена фотохромная жидкость на основе лейкоформы родамина С, позволяющая получать окрашенные метки пригодные для применения в исследованиях медленных потоков в трубке. Цветовая метка е такой жидкости обладает высокой контрастностью и неограниченным временем жизни.

5. Разработан и предложен метод измерения мгновенных температурных полей поверхности исследуемых объектов, в основе которого лежит температурная зависимость люминесценции красителей трифенилмета-нового ряда.

6. Впервые показано, что УФ облучение слоев различной толщины концентрированных спиртовых растворов антрахинона и полимерных образцов с внедренными молекулами антрахинона сопровождается появлением люминесцирующих пространственно-временных структур. Их эволюция протекает в две стадии ("быстрая" и "медленная") для тонких и полимерных образцов и в три стадии ("быстрая", "медленная" и "колебательная") при увеличении толщины слоя.

7. Показано,что на процесс образования люминесци-рующего фотопродукта антрахинона и на характер возникающих ПВС оказывают влияние такие факторы,

геометрические размеры кювет, интенсивность из-ения, тип растворителя, концентрация растворов и творенного кислорода, граница раздела фаз. Уста-лена определяющая роль реакции тушения кисло-,ом возбужденных молекул антрахинона в развитии ьнейших фотореакций. Предложена математическая 1,ель процесса образования фотопродукта в соответ-ии с механизмом протекающих в растворе реакций.

Показано, что влияние температуры на люминес-гцию трифенилметановых красителей, внедренных в шмерную матрицу ПВБ, и обнаруженный темпера->ный гистерезис обусловлены изменением внутрен-\ структуры среды, окружающей молекулы красите-Трифенилметановые красители, благодаря гибкой [зи между бензольными кольцами, образующими жас молекул, отслеживают изменения окружающей ;ды из-за влияния последней на подвижность моле-тярного каркаса.

9. Предложена методика приготовления пластифици-ванных полимерных образцов трифенилметановых асителей с отсутствием температурного гистерезиса

люминесценции в интервале температур 20-100 °С адаптированных к исследованиям в жидкой среде.

10. С помощью люминесцентного метода определе-я температуры проведены исследования с целью лучения информации о мгновенном распределении мпературы по поверхности обтекаемого цилиндра, ходящегося в гидродинамическом канале. Показано, о при малых степенях загромождения потока наблю-ется один минимум теплоотдачи цилиндра, а при

больших. - два, что фиксирует изменение гидродинам ческих характеристик потока.

11. С помощью разработанных методов диагности температуры и средней скорости потока, основанш на образовании ПВС, проведены исследования по и мерению скорости медленных потоков в трубках мал го сечения и визуализации температурного поля ц линдра. Полученные результаты указывают на возмо; ность применения спиртовых растворов антрахино: для визуализации естественной конвекции и бесконта тного измерения полей температур тела, находящего' в открытом гидродинамическом канале со спиртовь раствором антрахинона.

12. С помощью фотохромной жидкости на осно] лейкоформы родамина С методом фотохромной визу; лизации получено распределение скорости в труб! малого сечения. Полученный профиль скоростей хор* шо согласуется с теоретическим.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Акылбаев ЛС.С., Карицкая С.Г., Кецле Г.А., Пономарев С.Г. Люминесцирующие пространственно-временные структуры в концентрированных растворах антрахинона // Изв. НАН РК. 1994. Т.2. С. 63-69.

2. Акылбаев ЛС.С., Карицкая С.Г., Пономарев С.Г. О механизме люминесценции фотопродуктов антрахинона // Электронные и ионные процессы в диэлектриках. Караганда: Изд-во КарГУ, 1995. С. 7685.

3. Акылбаев Ж.С., Карицкая С.Г., Пономарев С.Г. Влияние температуры на люминесценцию арилме-тановых красителей в полимерных пленках поливи-нилбутираля // Изв. HAH РК 1996. № 6.

4. Акылбаев Ж.С., Карицкая С.Г., Пономарев С.Г. Визуализация температурного поля пограничного слоя цилиндра в гидродинамическом канале // Изв. НАН РК. 1996. № 6.

5. Пономарев С.Г., Карицкая С.Г. и Акылбаев Ж.С. Визуализация медленных гидродинамических потоков, основанная на явлении образования люминес-цирующих пространственно-временных структур. //М., 1996 (ПРЕПРИНТ ЦАГИ № 91).

6. Карицкая С.Г. Использование люминесцентного метода для визуализации температурных полей / Состояние и перспективы создания и использования средств контроля, измерения и АСУ ТП на предприятиях Республики Казахстан. Караганда,

7. Акылбаев ЛС.С., Пономарев С.Г., Карицкая С.Г. Визуализация медленных гидродинамических потоков и температуры пограничного слоя с помощью люминесцирующих пространственно-временных структур / / Материалы I Республиканского съезда по механике жидкостей и газов. Алматы, 1996. С. 119-120.