Экспериментальное исследование интенсификации теплообмена электрическим ветром

    

    Рисунок 4. Построение изображения участка неоднородности. 

    Рассмотрим, как поворот луча в неоднородности приводит к смещению изображения (рис. 5). Луч ABD идет, не поворачивая. Луч ACE — повернут на угол ε. По построению точки E оказывается, что смещение луча в фокальной плоскости равно εf. В плоскости изображения оба луча придут в одну точку. 

    

    Рисунок 5. Смещение луча в фокальной плоскости из-за прохождения через неоднородность. 

    Нож Фуко установлен в фокальной плоскости  второго объектива L' и служит для того, чтобы закрывать часть света, фокусируемого объективом O₂. Смещение ножа приводит к изменению яркости изображения точки неоднородности. В случае, когда источник представляет собой равномерно освещенную прямоугольную площадку, один край которой параллелен лезвию ножа, изменение яркости изображения будет пропорционально смещению.

    Освещенность  точки изображения при отсутствии неоднородности будет равна

     ,  (9)

    η — коэффициент потерь на отражение и поглощение, B — яркость источника света, t — расстояние от главной плоскости объектива O₂ до плоскости изображения, a', b' — размеры изображения источника

    При наличии неоднородности освещенность точки изображения станет равна 

     ,  (10)

    где — смещение изображения источника света. Используя (9) и (10) получаем выражение для угла поворота луча в неоднородности:

     ,  (11)

    То  есть освещенность изображения неоднородности будет принимать значения большие  или меньшие чем освещенность свободного поля, в зависимости от того, в какую сторону происходит смещение луча света.

    При использовании диафрагмы-ножа на освещенность изображения влияет только компонента градиента показателя преломления, ортогональная лезвию. Поэтому при  каждом измерении может быть получено значение только одной компоненты. При использовании диафрагм другой формы может быть получен, например, модуль градиента показателя преломления, однако зависимость между углом отклонения луча и освещенностью точки изображения неоднородности будет уже иной.

    Величина  открытой части изображения источника  света a' выбирается исходя из требуемой чувствительности. Изменение освещенности изображения пропорционально отношению , при уменьшении величины a' становятся различимы неоднородности меньшей величины. Однако, при закрытии изображения источника увеличивается влияние дифракционных эффектов, таких как тонкие светлые полосы вдоль границ непрозрачных объектов, параллельных лезвию ножа и потемнение изображения возле границ непрозрачных объектов, что приводит к ошибкам в расшифровке.

    Ширина открытой части изображения щели также влияет и на пределы измерений. Если изучаемые неоднородности достаточно сильны, может произойти срезание значений измеряемой величины, которое будет проявляться как совпадение значений освещенности в различных точках изображения неоднородности, в то время как градиент показателя преломления в этих точка принимает различные значения.

    Показатель  преломления в газах зависит  от концентрации атомов, поэтому изменения  давления, температуры или состава  газа меняют оптические свойства. Для температуры связь дается формулой

     ,  (12)

    n₀ — значение показателя преломления при температуре T₀.

    Связь между градиентами температуры  и показателя преломления получается из соотношения

     ,  (13)

    Здесь производная зависит от значения показателя преломления, которое нам  неизвестно. В этом случае пользуются значением производной примерно в середине ожидаемого интервала измерения. Тогда соотношение (13) принимает вид

     ,  (14) 

    Используя выражения (8), (11) и (14) получаем формулу для нахождения градиента температуры, если он распределен однородно вдоль оптической оси

     ,  (15)

    Таким образом, для определения градиента температуры нужно знать геометрические параметры установки (ширина открытой части изображения щели, фокусное расстояние главных объективов, длину неоднородности) и значения освещенности изображения изучаемого объекта при наличии неоднородности и при ее отсутствии. 

    Описание  установки. 

    Теневой прибор ИАБ-451 состоит из осветительной и приемной частей, между которыми устанавливается изучаемый объект. Каждая из частей представляет собой металлическую трубу диаметром 250 мм и длиной 2400 мм. На одном торце каждой трубы установлен мениск, на другом – главное зеркало, мениски установлены с той стороны трубы, что примыкает к камере с неоднородностью. Они служат для устранения аберраций, а главные зеркала работают подобно линзам: одно из них формирует из сходящегося  параллельный пучок лучей и называется коллиматором, а второе из параллельного формирует сходящийся пучок и называется коллектором. Фокусное расстояние главных объективов совпадает и равно 1917,6 мм. 

    На  боковой поверхности каждой из труб установлена каретка, перемещающаяся вдоль оси прибора с помощью маховиков. Перемещение нужно для постановки осветительной щели и ножа в фокальную плоскость главных зеркал. Величина перемещения отсчитывается по шкале с нониусом и может меняться в пределах 0-50 мм с точностью 0,1 мм. На каретках установлены механизмы поворота креплений ножа и щели. Вращение осуществляется с помощью маховика, для грубой установки можно освободить крепления рычажком и установить нужное положение, просто повернув крепление.

    

    Рис. 6. Каретка приемной части. 1 — шкала продольного перемещения, 2 — шкала поворота, 3 — нож, 4 — маховик перемещения ножа, 5 — маховик продольного перемещения каретки, 6 — маховик поворота ножа и рычажок свободного вращения. 

    Источником  света является сверхяркий светодиод Luxar синего цвета.  Питание светодиода производится от источника HY1803D. Последовательно с диодом включено сопротивление 360 Ом для уменьшения яркости свечения. Напряжение в цепи обычно составляет 4,2. В, при этом не происходит засветка видеокамеры. Диод освещает щель, выполненную из 2 половин бритвенного лезвия. Ширина щели 0,85 мм. Края щели устанавливаются вертикально. Для создания изображения источника в точности на щели осветительной части теневой установки использовалась линза. Источник, как и линза, был установлен на рельс.

    Каретка приемной части (рис. 6) имеет держатель для ножа Фуко и механизм для его перемещения поперек оптической оси прибора. Нож также выполнен из бритвенного лезвия и закреплен на каретке 4 винтами. Перемещение ножа производится микрометрическим винтом с точностью 0,01 мм. Для создания изображения неоднородности точно в объективе видеокамеры был использован дополнительный объектив, установленный вместе с камерой на рельс.

    Изображение исследуемого объекта фиксируется  видеокамерой EVS VSC-746USB с объективом HELIOS-44-2. Камера установлена на рельсе и может перемещаться во всех направлениях для фокусировки и выбора участка поля зрения. Можно менять увеличение с помощью установки на объектив дополнительных колец. Сигнал с камеры передается на компьютер в цифровом виде по интерфейсу USB. Через него же камера получает питание. Запись отдельных изображений производится программой EVSCap, видеофайлов – программой Ulead DVD MovieFactory 2 SE. Для получения количественных данных проводилась съемка видеофайлов длиной 4-6 с. Для минимизации влияния шума камеры было проведено усреднение видео при помощи программы avi_meaner.m, разработанной в работе [7].

    Для измерения температуры нагревателей использовались терморезисторы EPCOS B57861S номинальным сопротивлением 10 кОм  при 25°C. Сопротивление резисторов измеряется с помощью схемы, показанной на рис. 7. Схема собрана в корпусе с отсеком для элемента питания и разъемом для подключения 2 терморезисторов и кабеля, подключаемого к АЦП. Используются 3 канала АЦП L-Card для измерения напряжений на терморезисторах и сопротивлении R (16 кОм). Источник питания — гальванический элемент напряжением 1,5 В. Сопротивление резисторов находится по формуле

     , (16)

    

    Рис. 7. Схема подключения терморезисторов. Цифры возле разъемов обозначают номер на колодке. 

    Используются  градуировочные данные, указанные изготовителем  терморезисторов (рис. 8). Заявленная точность измерения сопротивления составляет 1%, что приводит к погрешности в 0,3°C в интервале температур 0-125°C.

    

    Рис. 8. Зависимость сопротивления терморезистора от температуры. 

    Обработка данных, записанных при помощи L-Card, и вычисление средних значений температуры производилась при помощи программы tempO3.m, представленной в работе [7].

    Один  терморезистор прижимается к месту измерения проволочными скобками. В месте контакта наносится теплопроводящая паста КПТ-8. Другой терморезистор используется для измерения температуры окружающей среды и находится в измерительной камере, удален от нагревателя.

    Нагреватель, использовавшийся в работе, представляет собой алюминиевую пластину шириной 85 мм, высотой 95 мм. Нагревание производится нихромовой спиралью, закрепленной на текстолитовой пластине. С внешней стороны он закрыт слоем пенопласта толщиной 18 мм. С боков пластина также закрыта слоем пенопласта толщиной 10 мм. Нагреватель устанавливался вертикально на специальной подставке. Сопротивление нагревателя составляет 4,2 Ом. Напряжение на нагреватель подавалось от источника  HY1803D.

    

    Рис. 9. Поперечное сечение нагревателя (схематично). 1 — алюминиевая пластина, 2 — нихромовая проволока, 3 — текстолит, 4 — пенопласт. 

    Схема высоковольтной установки представлена на рис. 10.

    

    Рис.10. Принципиальная схема высоковольтной установки. 

    Для создания электрического ветра был использован высоковольтный источник питания ВИДН-30, с диапазоном напряжений от 0 до 30 000 В. Регистрации тока производилась с использованием АЦП L-Card L-761 14-разрядный, диапазон напряжений: +/- 5 В. С помощью АЦП регистрировалось падение напряжения на номинальном сопротивлении, которое представляло из себя два последовательно включенных резистора по 3,3 кОм каждый и было включено в основную цепь последовательно.

    При расшифровке данных важно, чтобы  исследуемая неоднородность была протяженной вдоль оптической оси теневого прибора, то есть необходимо, чтобы рассматриваемая задача была двухмерна и имела симметрию вдоль оси OZ. Можно предположить, что для создания сильно неоднородного электрического поля, необходимого для зажигания коронного разряда и возникновения электрического ветра, необходимо использовать активный электрод, также имеющий симметрию вдоль оси OZ, к примеру, проволоку или лезвие. Однако исследования, проведенные в работе [6], а также при выполнении лабораторных работ в высоковольтной лаборатории, указывают на то, что отрицательная корона имеет очаговую структуру и на протяженных объектах располагается нерегулярно, а положительная полярность коронного разряда сильно ограничивает диапазон используемых напряжений значением пробивного напряжения. Для создания электрического ветра, равномерно вдоль оси OZ, обдувающего нагреватель, была использована гребенка игл с расстоянием между иглами равным 9 мм. Выбор данного расстояния также обоснован исследованиями, проведенными в [6], которые показывают, что при низких напряжениях эффект самогашения соседних коронных разрядов не дает возможности образоваться чехлу короны на всех иглах одновременно при меньшем расстоянии между иглами. 
 

    Расшифровка теневых картин. Восстановление поля градиента температуры, поля температуры. 

    Получение данных при помощи теневого прибора проходило в 4 этапа:

    - Запись видеофайла изображения объекта и температуры окружающей среды, усреднение файла видео программой avi_meaner.m для минимизации влияния шумов камеры на расшифровку. Входным аргументом программы является имя файла видео и имя получаемого файла изображения. Для усреднения температуры использовалась программа tempO3.m

    - Установка необходимой мощности нагревателя и ожидание установления стационарной температуры.

    - Запись видеофайла теневой картины  и температуры нагревателя при  установившейся температуре. Усреднение видео и температуры.

    - Расшифровка теневой картины, восстановление градиента температуры.

    - Восстановление поля температуры  по ее градиенту.

    - Анализ результатов.

    Для получения теневой картины пригодной  к расшифровке была проведена  тщательная юстировка теневого прибора, а также осветительной и приемной частей установки.