Разработка телевизионного анализатора субмикронных аэрозолей и его применение для исследования образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ И ГОРЕНИЯ

На правах рукописи

МАВЛИЕВ Раиид Андарьянович

УДК 541.182.3:621.397.6

РАЗРАБОТКА ТЕЛЕВИЗИОННОГО АНАЛИЗАТОРА СУБМИКРОН1Ш АЭРОЗОЛЕЙ И ЕГО Ш2ЛЕКЕНИЕ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ В ТУРБУЛЕНТНОЙ ЗАТОПЛЕННОЙ СТРУЕ.

(01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва)

Автореферат диссертации .на соискание учекоЛ степени кандидата физико-математических наук.

Ковосибирск-1990

У У/С;"'

Работа выполнена в Институте химической кинетики и горения СОАН СССР.

Официальные оппоненты: доктор физико-магемагических наук,

заведующий лабораторией Г.В.Гадияк

кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией М.П.Анисимов

Ведущая организация: Научно-исследовательский физико-химический институт им.Л.Я.Карпова.

Защита состоится "/£'"1990 г. в АГ часов на заседании специализированного совета К002.20.01 при Институте химической кинетики и горения СОАН СССР по адресу: 630090, Новоси-бирск-90, ул.Институтская 3.

С диссертацией можно ознакошться в библиотеке Института химической кинетики и горения СОАН СССР.

Автореферат разослан "ршифл 1990 Г.

Ученый секретарь Совета

кандидат фяз.-мат. наук ^асД^ Л.Н.Краснопоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы обусловлена возрастающей ролью аэрозолей в природных и промышленных процессах. При этом образование аэрозоля зачастую происходит в турбулентной затопленной струе, характеризующейся пространственной неоднородностью таких параметров как температура, давление паров конденсирующегося вещества, скорость потока, и наличием градиентов и пульсаций этих параметров. В этих условиях очень актуальны!.« становятся экспериментальные исследования процессов образования аэрозоля , позволяющие установить этнические соотношения параметров, а такте проворить имеющиеся теоретические модели и определить пути их совераенстЕования.

В настоящее время имеется немного экспериментальных работ посвященных аэрозолеобразованшо в турбулентной струе, кроме того, в большинстве тлеющихся экспериментальных работ параметры образующихся в турбулентной струе частиц определяются после завершения всех процессов. Это мо^ет слупить причиной имеющихся расхождений мезду теоретическими и экспериментальными даннкли (в несколько порядков по концентрации образующихся частиц, в несколько раз но размерам частиц ). В связи с этил весьма важшл является рапЕитие методов исследования аэрозолей, в особенности дистанционных, позволяющих получить детальную информацию по кинетике образования частиц в турбулентной струе на начальных стадиях.

Целью работа является разработка дистанционного метода исследования субмикрсшшх аэрозолей, экспериментальная проверка его возможностей п исследование при помощи данного метода кинетики образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе.

. Научная новизна;В результате работы теоретически и экспериментально показана возможность дистанционного определения параметров частиц субмикронного диапазона размеров при использовашш высокочувствительной телевизионной камеры для регистрации рассеянного частицами излучения.

Экспериментально исследована кинетика образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе с использованием телевизионного анализатора для определения параметров частиц субмикронного раз-

мера.

Впервые показана возможность регистрации субмикронных частиц в пламенах и определения их параметров.

Показана возмокность исследования скорости и структуры потоков с использованием субмикронных частиц в качестве безынерционных маркеров.

Практическая ценность. Разработанная методика исследования субмикронных а&ро?олей может быть применена для исследования процессов образования частиц в различных природных и промышленных процессах.

Получение данные по кинетике образования частиц в турбулентной затопленной струе могут служить основой для разработки теоретической модели данного процесса.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на IY Всесоюзной конференции по аэрозолям (Ереван, 1982), на I Всесоюзного симпозиума по макрокинетике и газодинамике (Алма-Ата,1984), на III Международном семинаре по структуре газофазных пламен (Алма-Ата,1989), на XY Всесоюзной конференции по актуальным вопросам физики аэродисперсных систем (Одесса,1989), на Секции аэрозолей Московского правления ВХО им.Менделеева (Москва,1990). По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ в виде статей и тезисов докладов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, приложений и списка цитируемой литературы (94 наименования). Работа изложена на 179 стр. машинописного текста и содержит 7 таблиц, 39 рисунков, 22 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении показана актуальность проблемы, сформулированы основные задачи исследования и описана структура диссертации.

В первой главе приведен обзор литературы по экспериментальным исследованиям образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе и по методам исследования аэрозолей.

Основное внимание уделено рассмотрению конденсационного образования аэрозоля в химически инертных системах. Кроме практического, данная задача имеет чисто научный интерес, так как исс-

ледование образования аэрозоля в струе является одним из методов экспериментальной проверки теорий зародышеоСразования.

Обзор работ, посвященных исследованию процессов конденсационного образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе показывает, что экспериментально этот вопрос исследован слабо, а теоретические модели дают результаты существенно отличающиеся от экспериментальных. В настоящее время отсуствуют надежные экспериментальные данные по кинетике образования аэрозоля в струях, особенно в начальной стадии формирования. Получение таких данных монет иметь решающее значение для разработки моделей, описывающих эти процессы. Одной из причин отсуствия таких данных является сложность дистанционного определения параметров субмикронных частиц. Другие методы определения параметров образующихся частиц (контактные) плохо применимы при исследовании таких объектов как струи из-за наличия градиентов и пульсаций скоростей. Кроме того, в этом случае неизбежны искажения потока и , следовательно, процесса образования частиц.

Уровень экспериментальных исследований этого процесса определяется в первую очередь уровнем методик определения параметров аэрозольных частиц. Первые работы носили качественный характер, визуально определялось наличие аэрозоля при различных условиях. На основе проведенных наблюдений делались выводы о влиянии тех или иных факторов на процесс аэрозолеобразования. Разработка методов определения параметров аэрозольных частиц позволила проводить эксперименты на количественном уровне /1,2/. Однако практически во всех исследованиях информацию о параметрах частиц получали после завершения процессов их образования, так как имевшиеся методики не позволяли проводить дистанционные измерения параметров частиц в начале процесса. Это затрудняет сопоставление теоретических моделей с экспериментальными данными и их анализ, что, по-видимому, является одной из причин больших расхождений между теорией и экспериментом.

Анализ методов исследования аэрозолей показывает, что наиболее предпочтительными для экспериментальных исследований образования аэрозолй в турбулентной затопленной струе являются оптические методы, позволяющие проводить дистанционные измерения. Однако использование этих методов ограничивается достаточно большим порогом регистрации по размером частиц (для большинства

методик составляющим 0.2-0.5 мкм), как правило когда частицы дорастают до таких размеров, процессы образования частиц и трансформации их параметров уже завершаются.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование возмок-ности регистрации частиц нанометрового диапазона размеров оптическим способом при использовании высокочувствительной телевизионной камеры для регистрации рассеянного частицами лазерного излучения.

Оптические методы исследования аэрозолей включают в себя освещение исследуемых частиц лазерным или другим излучением высокой интенсивности и регистрацию расеянного частицами излучения. Для регистрации оптического сигнала как правило используют ФЭУ, при этом возникают проблемы с выделением сигнала из фонового излучения, обусловленного рассеянием света в среде и на элементах оптики. Влияние этих факторов, практически определящих предельный размер регистрируемых частиц, значительно уменьшается при использовании высокочувствительной телевизионной камеры, в которой считывание сигнала производится с отдельных независимых участков фотокатода (идея метода предложена А.Н.Анкиловым). На регистрацию сигнала влияет только фоновое излучение попадающее на этот участок. Так как оптический сигнал от частицы пространственно локализован, это позволяет существенно уменьшить влияние фонового излучения, обусловленного рассеянием света на аппаратуре и среде-носителе,на регистрацию сигнала .Проведенные оценки показывают, что при чувствительности телекамеры Ю-6 ж и интенсивности освещения зоны наблюдения Ю4 вт/см2 возможна регистрация аэрозольных частиц диаметром до 15 нм. Это на порядок ниже порога регистрации традиционных методов, использующих фотоэлектронные умножители. Кроме того,появляется возможность одновременного наблюдения многих частиц,что позволяет существенно (на 2-3 порядка) поднять верхний предел исследуемых концентраций (до Ю7 -108 см-3).

Данный метод является эффективным при регистрации частиц в средах с большим коэффициентом рассеяния (нацример в воде) или при наличии собственного свечения (пламя). Оценки показывают, что при использовании достаточно простой системы подавления собственного свечения возможна регистрация частиц диаметром до 50-100 нм непосредственно в факеле пламени.

Использование импульсного лазера позволяет применить данную методику для исследования частиц в турбулентной затопленной струе. Малая длительность импульса (<1СГ7 с) позволяет получать точечные изображения частиц движущихся со скоростями до 100 м/с. Это позволяет использовать данную методику для исследования структуры потоков с использованием частиц субмикронного размера в качестве безынерционных маркеров.

Так как определение амплитуды сигнала,регистрируемого телевизионной камерой .достаточно сложно (особенно при работе в режиме ON-LINE),распределение частиц по размерам определяется следующим образом. Измеряется число зарегистрированных частиц при разных порогах регистрации,полученный набор данных обрабатывается специализированной программой. Программа позволяет определять параметры распределения в предположении,что частицы подчиняются нормально-логарифмическому закону распределения по размерам,а интенсивность в луче лазера-закону Гаусса. Другой метод обработки данных - численное диференцирование полученных данных, позво-лявдее получить интегральное распределение по размерам.

В третьей главе представлены результаты экспериментов по технической реализации предлагаемого метода, регистрации субмикронных частиц в кидкостях и пламенах, а такае по применению предлагаемого метода для исследования структуры потока с использованием субмикронных частиц в качестве безынерционных маркеров.

Для проверки сделанных оценок, а также для исследования процессов образования аэрозоля была создана экспериментальная установка, основу которой составляют высокочувствительная телекамера и лазер с большой интенсивностью излучения. Схема установки приведена на рис.1.

В основном использовались лазеры трех типов - ЛГ-75, ЛГ-67 и ЛТИ-701 (ЛТИ-702). Излученйе лазеров ЛГ-75 (максимальная мощность 20 мвт) и ЛГ-67 (максимальная мощность 2 вт) имет непрерывный характер, лазера ЛТИ-701 (ЛТИ-702) (максимальная мощность 2 вт)- импульсный. Во всех случаях излучение лазера фокусировалось, использовались линзы с Г = 100 мм и фотообъективы И-50 и Ю-12 (Г ,= 50 мм). Для измерения мощности излучения использовался прибор ИМ0-2Н.

Рис Л. Схема экспериментальной установки. Генератор тестовых частиц (I), термопреципитатор (2), разбавители (3), конденсационный укрупнитель (4), фотоэлектрический счетчик(5), цифропечать (6), аэрозольная кювета (7), объективы (8,11), лазер (9), измеритель мощности (10), телекамера (12), телевизор (13), видеомагнитофон (14).

Изображение счетного объема переносится оптической систэмой на фотокатод высокочувствительной телевизионной камеры, которая была создана на основе промышленной телевизионной установки ПТУ-28. Для этого в телевизионной камере КТП-39, входящей в состав ПТУ-28, были произведена замена передающей телевизионной трубки ЛИ-421 на суперкремникон "Карп", сочлененный с электронно-оптическим преобразователем "Вяз". Супер-кремникон и ЭОП имеют волоконно-оптические шайбы, что позволяет сочленять их без потери оптического сигнала. Для питания суперкремникона и ЭОП создан высоковольтный источник питания с регулируемым напряжением о - 10 кВ (для суперкремникона) и 10 - 25 кВ (для ЭОП). Чувствительность данной телекамеры по паспортным данным суперкремникона и ЭОП должна составлять 5-10~4лк.

Для автоматизации получения данных с телекамеры созданы специальные блоки обработки информации (совместно с В.А.Репко-вым). Первый вариант реализован в виде отдельного устройства, второй вариант модуля для предварительной обработки информации и накопления данных выполнен в стандарте КАМАК. Во втором варианте управление работой модуля, а также прием и обработку информации

осуществляет измерительно-вычислительный комплекс на основе микро-ЭВМ Электроника-60. Данные модули связи позволяют осуществлять следующие функции:

а) Выделение сигналов от частиц, превышащих определенный порог регистрации. Формирование .сигналов от частиц в выделенной зоне счета и подсчет их числа.' Так как изображение частицы запишет несколько строк по вертикали, тлеется специальная схема идентификации сигнала от отдельной частицы.

б) Формирование зон счета числа частиц с разметкой на телеэкране. ПодсЕвтка на экране телевизора изображений частиц, превышающих порог регистрации.

в) Индикация чнсла частиц .па предыдущем полукадре в зоне счета п номера кадра на телевизионном экране. Сутяягрованне числа частиц з шделэнной зоне за 20 полукадров и швод на цифропэча-тащэо устройство (автономный модуль).,

г) Определение числа частиц в 256 не зависших зонах ш координат 1024 частиц, накопление информации во внутреннем ОЗУ. Вывод хгпформециа в гшкро-ЭЕМ для дальнейшей обработки (модуль в стандарте ШШ ).

Программное обеспечение для работы н тестирования модуля написало па языках БЕЙС!® я ФОРТРАН. Пря работе из ФОРТРАН использовалась библиотека подпрогрс?.?.! для работы с КАМАК. Программы, ннпзсЕшше на языке БЕЙС12С, носят отладочный характер. Основной когаьпекс програга, вклззчащий около 20 подпрограмм на языке ООРТРАИ, позволяет осуществлять следующие процедуры:

а) инициализацию модуля связи п установление параметров его работы

б) считывание данных пз модуля в "координатном" и "зоннсм" рзпннзп, запись втнх дгнннх на даек, швод на печать

в) предварительную обработку данных и вывод информации на цветной рсстровпй дисплеи

г) управление работой, чтение информации и обработку данша кз модулей КАМАК - входного регистра, аналого-цп$ровош1х преобразователей АЦП-12 и АЦП-Ю

д) уцравлеяпэ хсмплакссм в цэлсм при прогэденпп экспериментов п документирование полученной ИЕформацпя.

Проверка возкогаостя реа.таз2ц:-гл данного метода, а тетсэ оценок предельного размера регистрируемых частиц ос^т.эстзлллась

экспержэniалько с использованием тестовых частиц, которые получали термоконденсаццонным способом в специально созданном генератора. Для определения распределения по размерам частицы осаждались в тврмоцроцшптаторэ на форглзаровую пленку и исследовались затем под электронные макроскопом У3;,3-100Л. Результаты обработки показали, что расцрэделеппэ по размерам хороао подчпня-ется логарифлкчески-пориальному закон}'. Для определения концентрации аэрозоль укрупнялся в конденсационном укрупнителе типа КУСТ.

Для определения концентрации регистрируемых телекамерой частиц аэрозоль направлялся в специальную кювету, внутрь которой фокусировалось излучение лазора. 11а играно телевизора при это:,; наблюдались изображения частиц. Телевизионное изобрагэшш записывалось на видеомагнитофон с послэдупцо£ визуальной обработкой стоп-кадра. Для определения концентрации подсчитывалось число частиц в счетно:.; объема, размеры счетного объема определялись при больной концентрации крупных частиц по пзпэрашю:.'<у оптическому увеличению телекамеры.

Опредэлезше предельного размера рвгистрпруб!.:ых твлэкс.эрой частиц производилось слэдусгцп« обрьзои. По одазашшц надо кэто-дгкий кз^эралась лолная концентрация частиц и их рашрзделэнко по разглэра;.!. Затем определялась концентрация частиц, зарогкстрл-розаннкх. телэкаглэрзй, и на распределении по размера:,з находился разглэр, соотЕэтствунь^ соотношению концэнтрсций.

Зависимость предельного разбора рогастрхфуешп частиц от интенсивности освощзния счетного объема црпиэдопа на рис.£. Ifc. это:.: ив рис. представлены расчетные загсхстостЕ,полученное ранее, в такте продольные рзауэрц для разккх воллчнн счетного объема прп условии что он слузшт основным источнико:,; фонового излучения .

Полученные результаты позволяют сделать выводы, что использование высокочувствительной телевизионной трубки и качестве прпэмнкка рассеянного часгацама излучения позволяет значительно снизить влияние фоновой засветки на регистрацию сигнале к, следовательно, уменьшить предельный размер регистрируемых частиц по сравнению со схемами, использующими фотоэлектронные умножители. При интенсивности освещения счетного объема I03 вт/см2 использование телекамеры чувствительностью 3-Ю-4 лк позволяет ре-

Рлс.2. зависимость диаметра регистрируегасс частиц от гнтозсяепости освещения счетного объема. Прятаэ - расчет при чувствительности телекамеры Ю"5 ), 3-Ю-4 лк(2), Ю-3 лс(3). Пушстпрннэ ллени - размеры частиц для которых СИГНаЛ/ИУ?! =1 при счетном объеме 2-Ю-5 с;Г3(4), 2-Ю-7 с:Г3(5), 8-Ю~11с:Г'3 (6).

гпстрпровэть аорозолышо частица дламетрсм до 25 ил, что согласуется со сделснныкл рзкэе сцэнке?.<я. Необходимо отлетать, что прэдэльнкй разгар регистрируемых частиц определялся чувтштель-нсстьэ использозавпэйся аппаратуры. Теоретически предел, обусловленный глияшем фонового излучения, значительно шс.э (около

10 ЕМ ).

Еоз'.юзпость регистрации суСмикронннх частиц в еодо проверялась текзе экспериментально с использованием разбавленных суспэнзтг! латексов. Проведенгаэ эксперименты показали, что частицы размером 110 пм надегяо регистрируются, эксперименты с кэнкппкя частпцагя не проводились из-за наличия Фоноеых частиц с размером 50-100 пм в использовавшейся дистиллрованной воде.

Почти на порядок меньший по сравнения с другими методикана предельный размер позволил провести исследования образования частиц из пересыщенных водных систем и влияния на эти процессы различных внешних факторов, подробные результаты которых

изложены в диссертации С.Л.Коиечкина.

Как отмечалось выше, данная методика может быть применена для исследования поля течения. Эта возможность была использована для экспериментального изучения возмущенного зондом поля скоростей при масс-сиектрометрических исследовниях структуры пламен. Впервые для визуализации структуры штока в качестве безынерционных маркеров использованы субмикронные частицы, что позволило исследовать структуру потока при малых давлениях и существенных градиентах скорости.

Возможности данной методики могут быть весьма полезны при исследовании структуры гетерогенных пламен, однако для этого необходимо исключить влияние собственного свечения пламени на регистрацию частиц. Для проверки возможности этого были проведены эксперименты то регистраци частиц в пламенах модельных пиросос-тавов. Для подавления свечения пламени в оптическую систему телекамеры были введены интерференционный светофильтр и обтюратор, синхронизованный с лазером. В большинстве случаев этого было недостаточно (наблюдалось свечение пламени), поэтому дополнительно изменялась чувствительность телекамеры до исчезновения засветки и уверенной регистрации частиц. При этом почти для всех использовавшихся составов предельный размер регистрируемых частиц составлял 0.1-0.12 мкм.

Полученные результаты свидетельствуют о возкоености применения данной методики для регистрации субьшкроншх частиц в пламенах и струях и возмокности исследования пространственной структуры процессов образования и трансформация частиц.

В четвертой главе показана применимость данной методики для определения параметров частиц в турбулентной струе п привэдэны экспериментальные результаты по кинетике образования частиц дз-бутилфалата в турбулентной затопленной струе, а такте результаты сопоставления полученных данных с расчетными.

На базе описанной выше методики создана установка для исследования кинетики образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе, схема установки во многом аналогична привэденой на рис. I. Высокочувствительная телекамера и лазер, использованию в установке позволяют регистрировать частицы диаметром до 70 ем при концентрациях до Ю7 см-3 и скоростях движения до 100 м/с. Данная установка позволяет исследовать потоки и струи истекающие

непосредственно в атмосферу или в кювету с фильтрованным спутннм потоком для исследования гомогенного аэрозолеобразования. Оптические окна кюветы позволяют исследовать простанственное распределение частиц начиная непосредственно со среза сопла и до удалений 100 мм по вертикали. Зона наблюдения, представляющая собой цилиндр диаметром 50 мям и длиной I мм, неподвижна в пространстве, поэтому для исследования пространственного распределения используется перемещение объекта. Для этого объект исследол-вания (генератор струи) закреплен на системе сканирования, позволяющей передвигать объект по Еертиналн на 90 мм (с шагом I км) и по двум горизонтальным ос.™ на 30 км (с иагом 0.1 мм). Предусмотрена еозкоеность отбора частиц из потока на удалениях 140-300 км от сопла для определения массовой.концентрации и исследования фотоэлектрическим анализатором аэрозолей/3/. Для определения массовой концентрации использовался отбор аэрозоля на волоконные фильтры с последущим спектрофотометрическим анализом.

Несколько слов об объекте исследования. Нагретый до 100 -110 °С воздушный поток содержащий пары дибутилфталата (ДБЭ) истекает из сопла со скоростью 20 м/сек в спутный поток, ДЕзаущЕйся в канале сечением 60*60 ш со скоростью I м/сек. Температура спутпого потока могла варьироваться в диапазоне 280-295°К для изменения скорости аэрозолеобразования.

Система автоматизации установки, реализованная на базе стандарта КАМАК, позволяэт измерять тегшературу газовых потоков в разных точках генератора и его пространственное положение. Главной задачей этой системы является прием и обработка данных с высокочувствительной телевизионной к8?«эры. Информация, накопленная модулем связи "толекамерп-КАМАК", передается в микро-ЭЕ'Л для дальнейшей обработки сигналов л восстановления распределении частиц по размерам с учетом неоднородности освещавшего лазерного излучения. Разработана программа позволяющая по указание i екпэ зависимостям определять параметры логарийжчески-нормальноЗ функции распределения частиц по размерам.

Исследовалось два режима образования аэрозоля. В первом случае фильтрация потока перед соплом не осуществлялась и в струе присутствовали недоиспарившюся частицы, которые слутли

Рис.3. Зависхвдость концентрации чзстиц от тэггпературц спутного потока т0. Точки - Бкспэриглзнгальше данные, кривые - расчот по одномерной модели при указанных температурах сопла (?с) и насыкения (Тн) паров днОутилфталата.

ядрами для гетерогенной конденсации (дибутилфталат вводился в генератор в бидэ аэрозоля). Во втором резжле осуществлялась фильтрация ядер конденсации в парогазовом потоке, зависимость концентрации частиц Н0 от температуры спуткого потока Т0 для этого случая приведена на рис.3.

Наблюдается характерная для гомогенной конденсации резкая зависимость концентрашш от Т0, причем при Т0>294 К (температура проведения экспериментов по гетерогенной конденсации ) частицы практически не регистрируются ( но < 102 см~э).

На этом же рис. приведена зависимость концентрации частиц от Тс, рассчитанная по одномерной модели образования аэрозоля в

турбулентной струе. При разработке модели предполагалось, что значения температуры, давления паров, скорости подчиняются известным полу о?,лирическим зависимостям для турбулентной струи и что аэрозолеобразование не влияет на эти параметра (уменьшение концентрата! пора из-за конденсации на частицы учитывалось). При рассчете динамики параметров частиц вдоль оси струи учитывались гомогенная кондэнсацил, рост частиц, истощение пора, уменьшение концентрации частиц к пара вследствии разбавления. Для описания распределения частиц по размерам использовалось разбиение на классы по логарифмической шкале с определением среднего размера частиц внутри класса. Для рассчетов по данной модели разработана программа на языке ФОРТРАН. В результате расчетов получали распределения частиц по размерным классам для заданных удалений от сопла и исходных параметров.

Рассчеты проводились как для гомогенного, так и для гетерогенного режимов. В последнем случае параметры ядер конденсации варьировались для согласования с икспоржентальшта данными. При моделировании варьировалось та:сш начальное давление пара тган-дексирущегося вещества в струе ( от 50 до 100 % массовой концентрации Еоцества нп входе в генератор,определенной ¡экспериментально) п поверхностное патягвпис ДШ, отлкчэщоеся по дзншлл разных авторов па 10 %.

В экспериментах определялось распределение параметров аэрозоля по сэчению струп на разных удалениях от среза сопла, для этого определялось число рэгастряруекых чсстнц при разных порогах регистрации. Кз подобных зависимостей, -получоЕпых для гемо-гошюго и гетерогенного рзгпатав, определялась динамика по оси струп концентрация чсотяц,(представления по рпо.4) п гадального разгара частсц (рте.5). На этях г» рис.4,6 сплошными 1фивн-мл представлены результаты моделирования.

Для гетерогенного решша расчеты по одномерной • модели позволяют получить удовлетворительное согласование результатов, что служить свидетельством корректности модели п отсутствия грубых опнбок. Для гомогенного рэгаз.'э одномерная модель дает от-личакцуюся от экспериментально!! дпнвггку размера частиц и кх концентрации, хотя при удалениях от сопла больше ICO калибров получаются близкие значения этих параметров. Это свидетельствует о важности исследования кинетики процесса особе!шо на начальных

Рис.4. Зависимость концентрации частиц, прэвышаяащх 0.18 мкл, от расстояния до сопла при гомогенном (а) и гетерогенном (б) образовании аэрозоля. Кривые - расчет по одномерной модели, точки-экспериментальные данные.

стадиях, где имеются существенные расхождения ыевду эксперзлен-тальнши и расчетными данными. Исследования на удалениях болылэ 100 калибров могут оказаться неэффективными, так как в этой области при существенно отличающихся экспериментальной и расчетной кинетиках процесса когхко получить близкие значения параметров аэрозоля.

Как видно по- рис.4, динамика числа частиц, превышающих определенный порог, существенно меняется в зависимости от регзта и сильно зависит от температуры спутного потока, тогда как экспериментальные данные по динамике размера частиц вдоль осп струи для двух рейтов отличаются мозду собой незначительно. Экспэри-

Рис.5. Динамика средне-геометрического размера частиц вдоль оси струи. Кривая - расчет по одномерной модели, точки - расчет по модели Сутугина-Токаря при давлении паров ДБФ на срезе сопла 0.38 км.рт.ст.(I), 0.19 мм.рт.ст.(2), экспериментальные данные для гомогенного (+) и гетерогенного («) режимов.

ментальная динамика размеров частиц для гомогенного резтала существенно отличается от рассчитанной по одномерной модели и по "квази-двумерной" модели Сутугина-Токаря /4/(расчеты для одного рэяима проведены Я.И.Токарем). Согласно экспериментальным данным частицы появляются в струе уже на удалениях около 20 калибров, что отличается от предсказаний обеих моделей. Возмокной причиной этого являеется перенос в центральную зону струи частиц образующихся на периферии. Сопоставление кинетики образования и роста частиц в гомогенном и гетерогенном режимах с экспериментальными данными позволяет сделать вывод о больпой роли процессов переноса ядер конденсации поперёк струи.

выводы.

1. Теоретически обоснован способ исследования частиц нано-метрового диапазона размеров оптическеим методом, основой которого является регистрация рассеянного частицами излучения при помощи высокочувствительной телевизионной камеры, что позволяет

а) зарегистрировать оптический сигнал от отдельных частиц диаметром до Ю нм ( почти на порядок ниже порогового размера известных фотоэлектрических анализаторов, использующих ФЭУ)

б) исследовать аэрозоли при концентрациях до Ю8 см-3 ( это на 2-4 порядка выше чем у фотоэлектрических анализаторов).

2. Проведено экспериментальное обоснование возможности технической реализации предложенного способа регистрации субмикронных частиц. Проведенные эксперименты подтвердили сделанные оценки характеристик предлагаемой методики и показали возможность регистрации частиц диаметром до 25 нм при интенсивности освещения счетного объема Ю4 вт/см2 и чувствительности телевизионной камеры 3»10"4 лк.

3. с использованием данной методики исследована кинетика образования частиц дибутилфталата в турбулентной затопленной струе, истекающей в спутный поток фильтрованиего воздуха.Получены данные по кинетике роста и образования частиц на оси и по сечению струи в гомогенном и гетерогенном режимах.

4. Разработана одномерная модель образования аэрозоля в турбулентной затопленной струе с учетом процессов гомогенного зародшеобразования, конденсационного роста частиц, коагуляции, разбавления в струе и истощения паров вещества в этих процессах. Для гетерогенного режима модель позволяет получить удовлетворительное согласив экспериментальной и расчетной кинетики роста частиц. При гомогенном режиме аэрозоль на оси струи образуется на гораздо мопыних расстояниях, чем это предсказывает модель, причем размер частиц также превышает расчетный. Анализ экспериментальных и расчетных данных показывает, что одной из причин расхождений могут быть процессы поперечного переноса частиц в струе, которые не учитываются в данных моделях.

5. Впервые показана возможность регистрации субмикронных частиц в пламенах пиросоставов. Использование телевизионной методики в сочетании с частотной и временной фильтрацией позволяет

исключить влияние свечения факела пламени на регистрацию сигнала от частиц размером до 70-100 нм.

6. С использованием телевизионной методики проведено исследование структуры потока вблизи пробоотборника, используемого при масс-спектрометрических исследованиях. Впервые для визуализации структуры потока в качестве безынерционных маркеров использованы субмикронные частицы, что позволило исследовать структуру потока при малых давлениях и существенных градиентах скорости.

Основные результаты диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Кошечкин С.Л..Мавлиев Р.А.,Анкилов А.Н. Исследование процесса образования дисперсной фазы в водных растворах... Коллоида.Ж., 1987, т.49, N 4, с.741-745.

2. Куценогий К.П. .Коробейничев о.П..Мавлиев P.A. .Терещенко А.Г. Экспериментальное определение возмущенного зондом поля скоростей при масс-спектрометрических исследованиях структуры пламен. ДАН COOP, 1985, т.282, N 6, с.1425-1428.

3. Мавлиев Р.А.,Анкилов А.Н..Куценогий К.П. Телевизионный анализатор субмикронных аэрозолей. Коллоида.s. 1981, Т.43, N6, C.I089-I095.

4. Мавлиев Р.А.,Анкилов А.Н..Куценогий К.П. Использование высокочувствительной телевизионной аппаратуры для регистрации субмикронных частиц. ДАН СССР, 1981, т.258, N б, C.I357-I360.

5. Мавлиев Р.А.,Анкилов А.Н. Методике регистрации субмикронных частиц в сложных газофазных потоках. В сб.:Моделирование процессов гидрогазодинамики и энергетики. Под ред. В.М.Фомина.Новосибирск 1985, с.226-230.

6. Мавлиев P.A..Анкилов А.Н. Исследование кинетики образования аэрозоля в турбулентной струе. Тезисы докладов XY Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Одесса, 1989, т.1, с.8.

7. Мавлиев Р.А.,Анкилов А.Н. Установка для исследования частиц в струе. Тезисы докладов XY Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы физики аэродисперсных систем", Одесса, 198Э, т.1, с.208.