Определение фракционного состава двухфазных потоков по измерению параметров рассеянного излучения тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Введение.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1. Методы исследования дисперсной фазы.

1.1.1. Контактные методы.

1.1.2. Бесконтактные методы.

1.2. Рассеяние электромагнитного излучения на фазовых неоднородностях среды (теория рассеяния Ми).

1.2.1. Допущения и ограничения теории рассеяния Ми.

1.2.2. Радиационные свойства изолированных частиц.

1.2.3. Радиационные свойства двухфазной среды.

1.2.4. Плотность распределения частиц по размерам.

Глава 2. Расчет радиационных свойств дисперсной фазы по теории рассеяния Ми.

2.1. Алгоритм расчета радиационных свойств дисперсной фазы.

2.2. Точность расчета радиационных свойств дисперсной фазы.

Глава 3. Определение размеров дисперсных частиц по замеренным характеристикам рассеянного излучения.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Методы решения некорректных задач.

3.3. Решение интегральных уравнений.

3.3.1. Выбор стабилизирующего функционала.

3.3.2. Дискретизация и решение оптимизационной задачи.

3.4. Выбор углов рассеяния для успешного восстановления распределений частиц по размерам.

3.4.1. Выбор углов при восстановлении по замерам индикатрисы рассеяния

3.4.2. Выбор углов при восстановлении по замерам интенсивности рассеяния

Вокруг нас имеется множество различных сложных сред, состоящих из малых рассеивающих частиц (дисперсная фаза), распределенных в однородном веществе (дисперсионная среда). К числу таких сред, называемых дисперсными (двухфазными, конденсированными), относятся многие естественные системы: воздух с взвешенной в нем пылью, облака и природные туманы в атмосфере, морская вода, межзвездная пыль. Дисперсные среды широко распространены и в технике: именно к ним относятся топочные и дымовые газы, образующиеся при сжигании жидких и твердых топлив, питательная вода котлов, содержащая различные конгломераты, пароводяная смесь в трактах контуров котлов, переохлажденный пар в последних ступенях паровых турбин, различные коллоидные растворы и аэрозоли. Помимо этого, дисперсные частицы часто намеренно вводят в состав различных материалов для изменения их эксплуатационно-технических характеристик в широких пределах.

При разработке средств для повышения надежности и экономичности энергетических установок, работающих с влажным паром, возникает необходимость определения спектра размеров капель влаги. При сжигании жидкого топлива в камерах сгорания двигателей, котлах и печах различного назначения важной задачей является определение одной из основных характеристик распыленного топлива - его дисперсного состава. При решении вопросов, связанных с разработкой, проектированием и эксплуатацией очистных устройств, важнейшее значение приобретает знание распределения частиц загрязняющих веществ по размерам.

Экология (состояние атмосферы и гидросферы), метеорология (изучение облаков и туманов), астрономия (исследование планетных атмосфер), медицина (диагностика почти всех заболеваний начинается с требования сдачи анализов) также нуждаются в средствах исследования дисперсных сред.

Необходимость определения дисперсного состава конденсированных сред в столь широкой области науки и техники связана с тем, что идеальные гомогенные (однофазные) среды в реальных условиях встречаются редко, и, наоборот, двухфазные, имеющие малые концентрации дисперсных частиц, представляют неизбежный атрибут многих гомогенных (квазиоднородных) сред. Между тем, частицы, взвешенные в среде, при ничтожной общей массе имеют гигантскую раздробленную поверхность и во многом определяют свойства дисперсных систем.

Идеальным диагностическим параметром для определения количественных (концентрации) и качественных (распределения частиц по размерам) характеристик дисперсной фазы являются экспериментально измеренные оптические свойства исследуемой среды. Оптические сигналы малоинерционны, легко могут быть преобразованы в электрические сигналы, удобные для регистрации. Средства измерений обладают высокой разрешающей способностью и чувствительны к ничтожно малым концентрациям частиц. Поэтому основанные на измерениях параметров рассеянного излучения полидисперсной системой частиц методы нефелометрии, не внося возмущений в исследуемую среду и позволяя осуществлять оперативный контроль ее дисперсного состава, являются наиболее удобными и перспективными.

Рассматривая развитие методов нефелометрии, следует отметить работы Шифрина К.С. [71, 72], Байвеля Л.П. и Лагунова А.С. [6], Шигапова А.Б. [61-67], Домбровского Л.А. [25], Пендорфа [87-89], Бауэра [78-79]. В этих работах представлены различные подходы к определению фракционного состава дисперсных сред: для восстановления распределения частиц по размерам предлагается использовать значения коэффициентов ослабления и рассеяния среды (метод пропускания света), угловых характеристик рассеянного света при малых углах (метод малых углов) и по всему диапазону углов [О, к] (метод полной индикатрисы).

Наиболее чувствительным и универсальным для исследования частиц дисперсной фазы, но и более сложным в реализации, является метод восстановления распределения частиц по размерам методом полной индикатрисы или интенсивности рассеяния полидисперсной среды.

Интенсивность рассеянного света на несколько порядков меньше интенсивности падающего излучения. Более того, рассеянный на крупных полидисперсных частицах дисперсной среды свет в основном сконцентрирован в узком телесном угле по направлению распространения луча, поэтому измерение полной интенсивности рассеянного света представляет определенные технические трудности.

Касаясь теоретических и расчетных аспектов задачи, необходимо отметить работы Г. Хюлста [60], Д. Дейрменджана [24], А.Б. Шигапова [62], К. Борена и Хафмена [15], устранившие многие вопросы расчета параметров рассеянного света, и А. Н. Тихонова [49-51], посвященные решению некорректных задач. Однако проблемы, возникающие при решении уравнения, описывающего рассеяние света дисперсной средой, до конца не решены, и четкого алгоритма решения поставленной задачи к настоящему времени нет.

Целью данной работы является разработка алгоритма восстановления функции распределения частиц дисперсной фазы по размерам по замеренным значениям угловых характеристик рассеянного излучения и определение оптимальных углов рассеяния, замеры при которых позволят успешно определить распределение частиц по размерам.

Диссертационная работа состоит из трех глав.

В первой главе представлен краткий обзор методов определения фракционного состава дисперсных сред, рассмотрены виды распределений частиц по размерам в энергетике, и приведены основные соотношения теории рассеяния Ми.

Вторая глава посвящена проблемам расчета радиационных свойств дисперсной фазы.

В третьей главе представлен алгоритм по решению уравнения, описывающего рассеяние света дисперсной средой, рекомендации по выбору углов рассеяния для проведения замеров и результаты экспериментального опреде7 ления частиц сажи в отработавших газах дизельных двигателей КамАЗ.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руково дителю доктору технических наук, профессору Шигапову Айрату Багаутди новичу и доктору технических наук, профессору Гарифуллину Фоату АсадО' вичу за постоянное внимание и помощь в работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. Анализировано влияние точности представления чисел на результаты расчетов угловых характеристик рассеянного излучения на частицах. Показано, что для получения достоверных результатов в рамках имеющегося алгоритма во многих случаях необходимо использовать значительно более высокую точность по сравнению с машинной (16 значащих цифр). Предложен и реализован алгоритм, позволяющий ограничиться машинной точностью в расчетах в значительно расширенной области входных параметров. Предлагается простая аппроксимационная формула ограничения членов порядка бесконечных сумм, обеспечивающая требуемую точность расчета индикатрисы рассеяния и радиационных свойств частиц.

2. Показано, что выражение индикатрисы рассеяния полидисперсной системы частиц через индикатрису рассеяния для изолированных частиц недопустимо. Предложен и реализован в программу расчета алгоритм определения функции распределения частиц по размерам по замеренным значениям угловых характеристик рассеянного излучения (индикатрисе и интенсивности рассеяния).

3. Определены оптимальные углы рассеяния, замеры параметров рассеянного света при которых позволяют успешно определить распределение частиц дисперсной фазы по размерам. Показано, что выбор углов в основном зависит от максимального размера частиц дисперсной фазы.

4. Приведено описание автоматизированного измерительно-обрабатывающего комплекса для определения плотности вероятности распределения частиц по размерам. Представлены результаты определения количества, а также распределения твердых частиц по размерам в отработавших газах дизельных двигателей КамАЗ.

5. Измерение рассеянной энергии монохроматического излучения позволяет восстановить плотность вероятности распределения частиц дисперсной

108 фазы по размерам. Разработанная методика, средства измерений и программное обеспечение могут быть использованы также для решения аналогичных задач в других областях техники.

1. Анго Андре. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука. 1967.-780 с.

2. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишии А.П. Теория ракетных двигателей. -М.: Машиностроение. 1980. 533 с.

3. Алифанов О.М. Обратные задачи теплообмена. М.: Машиностроение. 1988.-279 с.

4. Арсенин В.Я., Иванов В.В. О решении некоторых интегральных уравнений 1-го рода типа свертки методом регуляризации.// Журнал вычислительной математики и математической физики. 1986. Т.8. № 2. -С.310-321.

5. Байвелъ Л.П., Лагунов А.С. Измерение и контроль дисперсности частиц методом светорассеяния под малыми углами. М.:Энергия. 1977. - 87 с.

6. Байвелъ Л.П., Лагунов А.С. Физические и физико-химические методы контроля состава и свойства вещества. М.: Энергия. 1977. - 88 с.

7. Бакушинский А.Б., Страхов В.Н. О решении некоторых интегральных уравнений 1-го рода методом последовательных приближений. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1968. Т.8. № I. -С. 181-185.

8. Бард. С., Тагни РДж. Содержание углеродных частиц в небольших пламенных топлив, сжигаемых в тигельных горелках. // Теплопередача. 1981. Т. 108. №2.-С.205-212.

9. Бахир Л.П., Левашенко Г.И., Таманович В.В. Влияние дисперсного состава капель А120з в пламенях и их коэффициенты поглощения и рассеяния. // Физика горения и взрыва. 1976. Т. 12. № 3. С.398-405.

10. Бахир Л.П., Таманович В.В. Исследование возможности определения среднего диаметра и спектральных характеристик частиц окиси алюминия в пламени. // Журнал прикладной спектроскопии. 1973. Т.18. Вып. 5,- С.894-902.

11. Блох А.Г. Тепловое излучение в котельных установках. JL: Энергия. 1967.-326 с.

12. Блох А.Г. Теплообмен в топках паровых котлов. JL: Энергоатомиздат.1984.-240 с.

13. Блох А.Г., Клабуков В.Я. Кузьмин В.А. Радиационные характеристики полидисперсных систем сферических частиц. Горький. Волго-Вятское книжное издательство. 1976. - 112 с.

14. Бореи К, Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. -М.: Мир. 1986.-660 с.

15. Бори М. Оптика. Харьков. ОНТИ. 1937. - 795 с.

16. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. -М.: Наука. 1973. 719 с.

17. Бутусов М. М., Ушаков М.М. О применении схем с боковым опорным пучком для голографического исследования частиц малого размера // Квантовая электроника. 1972. №6. С. 83-88.

18. Бурштейн А.И. Методы исследования запыленности и задымленности воздуха. Киев.: Госмедиздат, 1954. 331с.

19. Вафин Д.Б., Шигапов А.Б. К измерению температуры гетерогенных сред. // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановках летательных аппаратов. Межвуз.сб. Казань. 1984. - С.56-66.

20. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Методы решения интегральных уравнений с программой на ЭВМ. Киев: Наукова думка. 1978. - 291 с.

21. Вулис Л.А. К расчету абсолютных скоростей реакций горения.// Журнал прикладной физики. 1946. Т. 16. Вып. 1.-С.83-100.

22. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. М.: Мир,1985.-509 с.

23. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическимиполидисперсными частицами. М.: Мир. 1971. - 165 с.

24. Домбровский Л. А. Излучение плоскопараллельного слоя из полых сферических частиц окиси алюминия. // Теплофизика высоких температур. 1974. Т. 12. № 6. С. 1316-1318.

25. Зимин Э.П., Кругерский A.M., Михневич З.Г. Определение объемной концентрации дисперсной фазы по измерению рассеяния света под двумя углами. // Оптика и спектроскопия. 1975. Т.19. № 1. С.155-161.

26. Иванов В.К. О линейных некорректных задачах. ДАН СССР, 1962. №2. -С. 145.

27. Исследование возможности применения голографии к изучению двухфазных течений / И.Т. Аладьев, В.М. Гинзбург, Н.Д. Гаврилова и др. // Теплоэнергетика. 1973. №8. С. 66-68.

28. Исследование содержания сажи в камере сгорания газогенератора. /Р.Х.Бикмуллин, Т.М.Магсумов, В.Б.Матвеев, А.Б.Шигапов // Теплоэнергетика и энерготехнология в проблемах добычи нефти и битума. Изд. Казанского НЦ АН СССР. 1991. С.81-85.

29. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Л.: Химия, 1987. - 264с.

30. Краснов М.Л., Киселев А.И., Макаренко Г.И. Интегральные уравнения. -М.: Наука. 1976.-215 с.

31. Кулагин Л.В. Методы измерения размеров капель при распыливании. Межвузовский сб. №2 «Взаимозаменяемость и техника измерения в машиностроении», Госэнергоиздат, 1960.

32. Лаврентьев М.М. Об интегральных уравнениях первого рода. ДАН СССР, 1960. №2.-С. 133.

33. Лаврентьев М.М. О некоторых некорректных задачах математической физики. Новосибирск. СО АН СССР. 1962. - 92 с.

34. Лаврентьев М.М., Романов В.Г., Шишатский С.П. Некорректные задачи математической физики и анализа. М.: Наука. 1980. - 286 с.

35. Левитан Л.Л., Боревский Л.Я. Голография пароводяных потоков. М.:1. Энергоатомиздат, 1989.

36. Леончик Б.И., Маякин В.П. Измерения в дисперсных потоках. М., «Энергия», 1971.

37. Лукъянович В.М. Электронная микроскопия в физико-химических исследованиях, АН СССР, 1960.

38. Мак-Картни. Оптика атмосферы. М.: Мир. 1979. - 422 с.

39. Недии В.В., Нейков ОД. Современные методы исследования пыли. «Недра», 1967.

40. Новые физические методы в биологических исследованиях. // Под ред. Г.Н.Берестовского. М.: Наука. 1987.- 216 с.

41. ОцисикМ.Н. Сложный теплообмен. -М.:Мир. 1976. -616 с.

42. Способ измерения коэффициента пропускания сильнопоглощающих веществ. А.с.1182878. М. кл. G 01 №21/85. /В.Е.Алемасов, А.А.Ананьев, А.А.Городецкий, А.Б.Шигапов, Р.Х.Шигапова, 1985.

43. Спурный К., Иех Ч., СедлачекБ. Аэрозоли. Атомиздат, 1964.

44. Стаселъко Д.И., Косниковский В.А. Голографическая регистрация пространственных ансамблей быстродвижущихся частиц // Оптика и спектроскопия. 1973. Т. 34. Вып. 2. С. 365-374.

45. Стырикоеич М.Л., Катковская К.Я., Серов ЕЛ. Парогенераторы электростанций. M.-JL: Энергия. 1966. - 384 с.

46. Таймаров М.А. К определению полей температур в топках и газоходах котлов.БКЗ-210-140Ф.// Деп.ВИНИТИ. №1584-В97. 1997.

47. Тихонов А.Н. О регуляризации некорректно поставленных задач. ДАН СССР, 1963. №1. - С. 153.

48. Тихонов А.Н. О решении некорректно поставленных задач. ДАН СССР,1963. №3. С. 151.

49. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука. 1986.-287 с.

50. Тихонов А.Н., Гласко В.Б. О приближенном решении интегральных уравнений Фредгольма 1-го рода. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1964. Т.4. №1-4.

51. Тихонов А.Н., Гончарский А.В. Регуляризуюгцие алгоритмы и априорная информация. -М.: Наука. 1983. 198 с.

52. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука. 1990- 230 с.

53. Турчин В.Ф. Решение уравнения Фредгольма 1-го рода в статистическом ансамбле гладких функций. // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1967. Т.7. №6. С. 1270-1284.

54. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С. Использование методов математической статистики для решения некорректных задач. // Успехи физических наук. 1970. Т. 102. Вып.З. С.347-386.

55. Фигурновский Н.А. Седиментометрический анализ. М.: Изд-во АН СССР, 1948.-332с.

56. Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва. Изд. МГУ, 1957. 442 с.

57. Ходаков Г.С., Юдкин Ю.П. Седиментационный анализ высокодисперсных систем. М.: Химия, 1981. 192 с.

58. Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: ИЛ. 1961. - 536 с.

59. Шигапов А.Б. Определение концентрации и размеров частиц дисперсной среды в теплоэнергетических установках. // Вестник КФ МЭИ. 1996. -С.96-99.

60. Шигапов А.Б. Погрешности расчета радиационных свойств полидисперсной системы частиц. // Теплофизика высоких температур. 1990. №3. С.553-557.

61. Шигапов А.Б., Бикмуллин Р.Х. Определение оптических констант сажистых частиц по измеренным радиационным и дисперсным свойствамсреды. // 6-ой Всесоюзный семинар "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена". Тез. докл. -М.: 1988. С. 119-120.

62. Шигапов А.Б., Бикмуллин Р.Х. Экспериментальное исследование содержания частиц сажи в продуктах сгорания. // Тепловые процессы в двигателях и энергоустановок летательных аппаратов. Межвуз.сб. -Казань. 1988. С.62-67.

63. Шигапов А.Б., Вафин Д.Б. Влияние неравномерности распределения параметров двухфазного потока на излучение среды. // Тепловые процессы и свойства рабочих тел двигателей летательных аппаратов. Межвуз. сб. Казань. 1980. - С. 110-114.

64. Шигапов А.Б., Исхаков Э.М. К определению закона распределения капель углеводородного горючего. // 6-ой Всесоюзный семинар "Обратные задачи и идентификация процессов теплообмена". Тез. докл. М.: 1988. -С.121-122.

65. Шигапов А.Б., Сабирзянов В.Г., Бикмуллин Р.Х. Определение закона распределения твердых частиц дисперсного потока по размерам с помощью индикатрисы рассеяния методом подбора по Тихонову. // ИВУЗ. Авиационная техника. -1991. №3. - С.40-43.

66. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. Твердые выбросы в отработавших газах дизельных двигателей КамАЗ // Известия вузов. Машиностроение. -2001.-№1.- С. 43-48.

67. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. Твердые выбросы в отработавших газах дизельных двигателей КамАЗ // Материалы докладов российского национального симпозиума по энергетике. Т.З. Казань: КГЭУ. - 2001. -С. 267-270.

68. Шигапов А.Б., Ярхамов Ш.Д. О точности вычисления параметров рассеянного излучения // Теплофизика высоких температур. 2002. - №2. -С. 194-198.

69. Шифрин КС., Перелъман А.Я., Волгин В.М. Расчет плотности распределения радиусов частиц по интегральным характеристикамспектрального коэффициента ослабления. // Оптика и спектроскопия. 1981. Т.5. №6.-С.963-972.

70. Шифрин КС., Голиков В. И. Определение спектра капель методом малых углов. // В сборн. Исследование облаков, осадков и грозового электричества. -М.: Изд. АН СССР. 1961. С. 116-121.

71. Элементы теории функций и функционального анализа. / А.Н.Колмогоров, С.В.Фомин и др. -М.: Наука. 1989. 623 с.

72. Ярхамов Ш.Д., Шигапов А.Б. Нефелометрия двухфазных топочных газов // Материалы докладов I Форума молодых ученых и специалистов Республики Татарстан. / КГЭУ. Казань, 2001. - С. ?-?.

73. Ярхамов Ш.Д., Шигапов А.Б. Определение параметров двухфазных сред по изменению характеристик рассеянного света // Материалы докладов IV аспирантско-магистерского научного семинара КГЭИ. / КГЭИ. -Казань, 2000. С. 71-72.

74. Adams J.M. A Determination of the Emissve Properties of a Cloud of molten Alumina Particles. // Jour. Spectrosc. Radiative Transter. 1967. V.7. p.273-277.

75. Bauer E., Carlson D.J. Mie Scattering Alumina and Magnesia Spheres. // Jour. Spectrosc. Radiative Transter. 1964, V.4. p.363-374.

76. Bauer E. The Scattering in Infrared Radiation from Cloude. // App.Opt. 1964. V.3. № 2. p.197-202.

77. Chu C.M., Churchill S.W. representation of the Angular Distribution of Radiation Scattered by a Spherical Particle. // Journal of the Optical Society of America. 1955. V.45. №11. -p.958-962.

78. Gill, P.E., W. Murray, M.A. Saunders, and M.H. Wright "Procedures for

79. Optimization Problems with a Mixture of Bounds and General Linear Constraints," ACM Trans. Math. Software, Vol. 10, pp. 282-298, 1984.

80. Hopf E. Mathematical Problems of Radiative Eguilibrium. London. Cambrige Univer. Press. 1934. №31.

81. Kattawar G.W., Plass G.N. Electromagnetic Scattering from Absorbing Spheres. //App.Opt. 1967. V.6. №8. -p.1377-1382.

82. Koppel D.E. Analysis of Macromolecular Polydispersity in Intesity Correlation Spectroscopy: The Method of Comulants. //J. Chem. Phys. 1972. V.57. №11. -p.4814-4820.

83. Krascella N.L. The Absorption and Scattering of Radiation by small Solid Particles. // Jour. Spectrosc. Radiative Transter. 1965. V.5. -p.245-251.

84. Menguc M.P., Viskanta R. Radiative transfer in three-dimensional rectangular enclosures containing inhomogeneous, anisotropically scattering media. // Jour. Spectrosc. Radiative Transter. 1985. V.33. №6. -p.533-549.

85. Penndorf R. Scattering and Extinction Coefficients for small Absorbing and Non-absorbing Aerosols. // Journal of the Optical Society of America. 1962. V.52. p.896-905.

86. Penndorf R. Mie Scattering in the Forward Area. // Infrared Phys. 1962. №2. -p.85-102.

87. Penndorf R. Angular Mie Scattering. // Journal of the Optical Society of America. 1962. V.52. №4. -p.402-408.

88. Penndorf R. In Electromagnetic Scattering ed.by M.Kerker. Oxford. Pergamon Press. 1963.

89. Plass G.N. Mie Scattering and Absorption Gross Sections for Absorbing Particles. //J.Appl. Opt. 1966. V.5. №2. -p.279-285.