УДК 621.9.016 Получение данных о скорости волны горения с помощью высокоскоростного микропирометрического комплекса определения температуры и скорости распространения пламен. М.П. Бороненко, С. А. Осипенко, И. Ю. Пермяков Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Югорский государственный университет» 628012, г. Ханты-Мансийск, Россия Актуальность работы. Методы скоростной (10-4-10-6с) и сверхскоростной (10-7-10-10с) регистрации, быстропротекающих процессов, непрерывно развиваются и совершенствуются в связи с интенсивными исследованиями взрывных явлений, импульсных электрических и лазерных разрядов в конденсированных системах, газах и плазме. Оптические методы регистрации являются наиболее перспективными, благодаря их высокой чувствительности, бесконтактности и безынерционности. Их применение для определения скорости движения частиц, а так же температуры в процессах, происходящих при плазменном напылении, напылением электровзрывом, затруднены в связи с малым размером и высокой скоростью частиц. Использование видеокамеры ВидеоСпринт с наносекундным затвором, позволяет произвести оценку скорости частиц в данных процессах [1]. Постановка цели и задач исследования. Цель исследования: апробация видеокамеры ВидеоСпринт в качестве диагностирующего инструмента быстропротекающих высокотемпературных процессов. Для реализации исследования были поставлены следующие задачи: - регистрация движения частицы при помощи видеокамеры ВидеоСпринт; - преобразование изображения в числовой массив данных; - обработка числового массива, получение данных о скорости волны горения; Объект исследования. В качестве диагностируемого объекта был выбран искристый огонь (бенгальский огонь), так как его горение включает в себя СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) и движение самосветящихся объектов. Методы исследования. В работе использованы методы оптической пирометрии, методы теплофизических измерений, методы цифровой обработки информации, были сопоставлены теория и экспериментальные результаты. Научная новизна и практическая значимость. Разработан высокоскоростной микропирометрический комплекс определения температуры и скорости распространения пламен. Данный комплекс позволяет существенно расширить знания о структурообразовании в условиях быстропротекающих процессов, увеличивает возможность определения основных теплофизических параметров, процессов СВС и плазменной обработки дисперсных материалов. Экспериментальная установка и физика эксперимента. Для реализации поставленных задачи был собран экспериментальный стенд, в состав которого входило следующее оборудование: 1- оптическая скамья; 2-бенгальский огонь; 3-камера ВидеоСпринт; 4- электронно-оптический преобразователь (ЭОП); 5монитор; 6-системный блок; 7-клавиатура (рис. 1). Оптическое излучение бенгальского огня через объектив высокоскоростной видеокамеры ВидеоСпринт падает на фотокатод, преобразуясь в поток электронов, который усиливается на микроканальных пластинах, а затем на люминофорном экране ЭОПа преобразуется в излучение [2]. После, излучение попадает на светочувствительную область матрицы прибора с зарядовой связью (ПЗС), где происходит экспозиционное (от 20 нс до 20 мкс) накопление заряда (размер светочувствительной области - 15.3*12.3мм, диагональ 19.67мм; размер пикселя 12*12мкм). Затем происходит оцифровка данных аналого-цифровым преобразователем (АЦП) разрядностью 10 бит; и запись видеофайлов - 8 бит. После дискретизации и квантования сигнала в АЦП изображение в памяти видеокамеры представляет собой матрицу, каждый элемент которой является пикселем определённой яркости. Рис. 1. Высокоскоростной микропирометрический комплекс измерения температуры и скорости распространения пламён. Особенностью данной видеокамеры является наличие стробируемого электроннооптического преобразователя (ЭОП). Стробоскопический эффект достигается тем, что после срабатывания затвора ЭОП происходит дополнительное срабатывание затвора выбранное количество раз с установленным интервалом. Во время стробируемого режима длительность импульса, отпирающего ЭОП, определяет время экспозиции кадра. При этом на экране ЭОП формируется количество изображений, равное числу дополнительных срабатываний затвора. В данной видеокамере используется стробирование “фотокатод – вход МКП”, т.к. выключенном состоянии электроны не достигают МКП при любом уровне облучения фотокатода. Определение скорости распространения волны горения. Процесс горения характеризуется наличием подвижной зоны реакции, имеющей высокую температуру и отделяющей еще не прореагировавшие (холодные) вещества от продуктов реакции [4]. Это даёт возможность оценить скорость горения по быстроте выравнивания температур в разных областях. Рис. 2. Изменение температуры в двух выбранных точках изображения Т1,Т2. Оценка скорости распространения волны горения возможна двумя способами: по изменению яркости пикселей в выбранных областях и по изменению размеров выбранной области реакции. Скорость распространения области горения в первом случае находилась следующим образом: время, за которое волна горения дошла из точки с максимальной температурой Т1 в точку с максимальной температурой Т2 , например, равно 0,048с. , Y2-Y1=0,0144 см, следовательно, локальная скорость Vy=0,3 см\с. При наблюдении перемещения изолиний температуры хорошо видно как распространяется тепловая волна: происходит отток тепла из одной области в другую, при котором происходит прогрев вещества в холодной области. Расчёт скорости по изменению положения температурных изолиний: от отметки по оси Y=0,045 до Y=0,35 см прошло 1,02с, скорость 0,305см/с. Рис. 3. Изменение границ областей изотемпературных линий. Проверку правильности вычислений скорости провели путём измерения времени, за которое бенгальский огонь полностью сгорает. Выводы. В ходе апробации видеокамеры ВидеоСпринт в качестве диагностического инструмента быстропротекающих процессов были получены следующие результаты: 1. Оценка скорости распространения волны горения даёт адекватный результат в обоих случаях: по изменению яркости пикселей в выбранных областях и по изменению размеров выбранной области реакции. 2. Было установлено, что использование видеокамеры ВидеоСпринт позволяет эффективно изучать быстропротекающие высокотемпературные процессы. Литература и источники: 1. 2. 3. Гуляев И.П., Гуляев П.Ю., Долматов А.В. Трековый анализ скорости частиц и определение фундаментальной диаграммы потока ламинарного плазмотрона //Ползуновский альманах.- 2008.-№2.-C.13-14. Гуляев П.Ю., Иордан В.И., Гуляев И.П., Соловьев А.А. Оптико-электронная система диагностики двухфазных потоков динамическим методом счета частиц // Изв. вузов. Физика, 2008, Т.51, №9/3, С. 79-87. Иордан В.И., Гуляев П.Ю., Евстигнеев В.В. Комплекс методов цифровой обработки изображений для исследования эффектов локальной неустойчивости и нестационарности волны горения процесса СВС // Ползуновский вестник, 2005, №4 (ч.1), С. 152-170. 4. Publishing house Education and Science s.r.o.//Дни Науки 2012// URL: http://www.rusnauka.com/10_DN_2012/Tecnic/12_103951.doc.htm/ (дата обращения 14.05.2012) 5. Gulyayev P.Yu., Evstigneyev V.V., Philimonov V. Yu. The Temperature Conductivity of the Reacting Mediums // Advances In Condensed Matter & Materials Research, Volume 2, Nova Science Publishers, Inc., New York, 2002, P. 235-241.