ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ПРОЗРАЧНЫХ СРЕДАХ С ПОМОЩЬЮ СТРУКТУРИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Б.С. Ринкевичюс, А.В. Ведяшкина, И.Н. Павлов, И.Л. Расковская, А.В. Толкачев

Кафедра физики им. В.А. Фабриканта

Национальный исследовательский университет «МЭИ», Москва, Россия

rinkevbs@mail.ru, an.vedyashkina@gmail.com, inpavlov@bk.ru, raskovskail@mail.ru, avtolk2008@yandex.ru

Содержание

1. Введение

2. Прямые и обратные задачи трехмерной лазерной рефрактографии

3. Визуализация динамики физических процессов в жидких и твердых средах

3.1 Визуализация динамики тепловых процессов в жидких средах

3.2. Визуализация динамики тепловых процессов в прозрачных твердых телах

3.3 Примеры динамики остывания нагретых тел в холодной воде

4. Визуализация процессов тепло- и массообмена методом каустик в лазерной рефрактографии

5. Заключение

Благодарности

Список литературы

Аннотация

Работа посвящена исследованию процессов тепло- и массообмена с помощью метода лазерной рефрактографии, основанного на явлении рефракции структурированного лазерного излучения (СЛИ), зондирующего оптически неоднородную среду, с последующей регистрацией полученных изображений (рефрактограмм) с помощью цифровой камеры и их компьютерной обработкой. При распространении СЛИ в оптической неоднородности могут возникать каустики, координаты которых могут быть определены с высокой точностью, что в результате дает дополнительные возможности для решения обратной задачи восстановления физических свойств среды, обуславливающих неоднородность показателя преломления. Рассмотрены условия возникновения каустик при продольном зондировании стратифицированных оптически неоднородных сред плоским и цилиндрическим лазерными пучками. Представлены результаты компьютерного моделирования 3D-рефрактограмм распространения СЛИ в диффузионном слое жидкости и в температурных полях, возникающих около нагретых или охлажденных объектов. Приведено сравнение экспериментальных и компьютерных рефрактограмм.

Ключевые слова: лазерная рефрактография, структурированное лазерное излучение, каустика. двухцветная рефрактографическая система, теплообмен, массообмен, динамические процессы.

1. Введение

Процессы тепло- и массообмена являются чрезвычайно сложными и представляют значительный интерес для исследований на основе комплексного сочетания различных научных подходов. В этом аспекте, оптические методы исследования физических процессов, происходящих в жидкостях и газах, обладают большими преимуществами по сравнению с другими методами, так как они позволяют визуализировать процесс. На основе применения лазеров были разработаны новые методы для диагностики течений жидкости и газа, а именно, метод лазерной доплеровской анемометрии, анемометрия по изображениям частиц, фотолюминесцентные методы, а также ряд других [1]. В настоящее время инструменты, использующие такие методы, широко используются в аэрогидродинамических и теплофизических экспериментах.

Исследование оптически неоднородных сред представляет существенный интерес, т.к. часто важно знать, как изменяется показатель преломления среды при нагреве или охлаждении, при изучении процессов диффузии, оптимизации работы нагревательных или охлаждающих элементов и др. В случае диагностики протяженных оптически неоднородных сред при наличии сильной рефракции возникают определенные сложности при применении классических теневых и интерференционных методов. Поэтому в такой ситуации целесообразно использовать методы, в которых информативным параметром является линейное или угловое рефракционное смещение тонкого пучка или элементов структурированного пучка, формируемого на основе дифракционных оптических элементов (ДОЭ) [2].Одним из таких методов является метод лазерной рефрактографии, основанный на явлении рефракции структурированного лазерного излучения, зондирующего неоднородную среду, с последующей регистрацией полученных изображений (рефрактограмм) с помощью цифровой камеры и их компьютерной обработкой [3, 4]. Использование СЛИ хорошо зарекомендовало себя при количественной диагностике температурных и плотностных стратификаций в жидкостях [5-7]. При рефракции в неоднородной среде происходит искажение элементов структуры пучка, возникающее из-за рефракционного смещения, которое является информативным параметром при решении обратной задачи определения физических параметров среды.

2. Прямые и обратные задачи трехмерной лазерной рефрактографии

Дискретный и регулярный характер СЛИ обеспечивает возможность количественной диагностики среды на основе экспериментально полученных рефрактограмм. Количественная диагностика подразумевает решение обратной задачи и заключается в определении параметров неоднородности (при задании ее параметрической модели) или восстановлении ее профиля в виде конечного набора чисел. Использование цифровых методов регистрации и обработки рефрактограмм позволяет решать обратную задачу восстановления профиля неоднородности одновременно с визуализацией.

Диагностика оптически неоднородной жидкости по существу является задачей томографии, для решения которой в общем случае используется интегральное преобразование Радона [8]. Для осесимметричных неоднородностей преобразование Радона сводится к преобразованию Абеля, имеющему аналитическое обращение. Проблемы, возникающие при использовании интегрального уравнения Абеля, связаны с некорректностью задачи обращения, т.к. необходимо дифференцировать зашумленные экспериментальные измерения, а также преодолевать сингулярность в подынтегральной функции. Альтернативой такому подходу может быть решение прямой задачи рефракции семейства лучей, образующих СЛИ, и расчет соответствующих рефрактограмм. Последующая компьютерная обработка экспериментальных рефрактограмм и сравнение их с расчетными позволяет подобрать такой закон изменения показателя преломления, который обеспечивает совпадение расчетных и экспериментальных данных.

В [9] были представлены основные соотношения для решения прямой задачи рефракции структурированного лазерного излучения и моделирования трехмерных рефрактограмм СЛИ в слоистых неоднородностях. 3D-рефрактограммы (рис.1-2) позволяют получить дополнительную информацию об исследуемой среде по сравнению с классическими двумерными рефракционными картинами, так как фактически они позволяют визуализировать траектории семейства геометрооптических лучей, образующих СЛИ, во всем объеме исследуемой среды.


а)	б)

Рис. 1. Модели 3D-рефрактограмм плоского лазерного пучка, распространяющегося вблизи горячего (а) и холодного (б) шаров в жидкости.


а)	б)

Рис. 2. Модели 3D-рефрактограмм цилиндрического лазерного пучка, распространяющегося в солестратифицированной жидкости (а) и у горячего шара (б).

Экспериментальные 3D-рефрактограммы могут быть визуализированы непосредственно или восстановлены с помощью специального программного обеспечения на основе двумерных, полученных в нескольких сечениях [10] (рис.3).

Рис. 3. Построение 3D-рефрактограммы на основе двух экспериментальных 2D-рефрактограмм при зондировании цилиндрическим СЛИ пограничного слоя у охлажденного шара в жидкости.

Оцифрованная экспериментальная рефрактограмма сравнивается с набором эталонных рефрактограмм, рассчитанных для данной установки и типичных профилей исследуемой неоднородности [11]; на основе критерия минимизации среднеквадратичного отклонения выбирается расчетная эталонная рефрактограмма, наилучшим образом совпадающая с экспериментальной (рис.4); Результатом измерения являются параметры неоднородности, при которых была получена выбранная расчетная рефрактограмма.

$Описание: C:\Users\quasar\Desktop\плоскость_ред посл.bmp$

Рис. 4. Иллюстрация метода подбора параметров неоднородности на примере рефрактограмм диффузионного слоя в солестратифицированной жидкости: а) экспериментальная рефрактограмма (непосредственная визуализация), б) экспериментальная рефрактограмма, восстановленная по двумерным изображениям, в) расчетная рефрактограмма, наилучшим образом по выбранному критерию совпадающая с экспериментальными.

Использование метода трехмерной рефрактографии позволяет проводить реконструкцию показателя преломления не только объемных неоднородностей, но и тонких пограничных слоев, причем при существенной нестационарности процесса. Кроме того, использование материальных уравнений, устанавливающих связь показателя преломления с другими параметрами среды, позволяют проводить диагностику полей физических параметров среды, влияющих на значения показателя преломления. На рис. 5 представлен подробный алгоритм [12] метода подбора параметров неоднородной среды на основе сопоставления экспериментальных и расчетных трехмерных рефрактограмм для восстановления температурных, плотностных и акустических полей [13-14].

Алгоритм количественной диагностики физических процессов в жидкой среде (исследование динамических полей температуры, солености и акустического давления)

Рис. 5. Алгоритм реализации метода подбора при решении обратной задачи восстановления полей физических величин при динамических процессах в жидкости.

Таким образом, в оптике, благодаря визуализации зондирующего излучения, становится возможным реализовать решение обратной задачи, основанное на использовании уравнений для лучевых траекторий. В общем случае, как указано в [15] для однозначного восстановления значений показателя преломления среды требуется знание лучевых траекторий во всем ее объеме, однако при наличии априорной информации о характере неоднородности среды возможны различные подходы к ее диагностике. В рассмотренном выше методе подбора при непосредственной визуализации стратифицированной среды формируется качественное представление о характере неоднородности, что позволяет создать ее параметрическую модель и ограничиться одноракурсным зондированием.

В общем случае произвольной трехмерной плавно неоднородной среды требуется трехракурсное зондирование двухпараметрическим набором узких пучков {x_ij,y_ij} (точечное СЛИ) и обязательная визуализация траекторий в объеме среды [11]. Данное утверждение иллюстрируется следующей системой уравнений для рекуррентного определения составляющих градиента , , , и полных дифференциалов показателя преломления , , на траекториях, соответствующих трем ракурсам зондирования α₁, β₁; α₂ , β₂; α₃, β₃ (начальное значение при входе в среду считается известным):

;
;		(1)
;

где

. (2)

В результате решения обратной задачи рефракции восстанавливаются значения показателя преломления и его градиента, и осуществляется компьютерная визуализация сечений оптической неоднородности среды [11] (рис. 6-7).

Рис. 6. Компьютерная визуализация градиента показателя преломления, при распространении возмущения в солестратифицированной среде. Реконструкция на основе одноракурсного зондирования точечным СЛИ (моделирование эксперимента).

Рис. 7. Компьютерная визуализация сечений цилиндра с радиальной и азимутальной неоднородностями показателя преломления при динамическом изменении параметра азимутальной неоднородности. Реконструкция на основе одноракурсного зондирования точечным СЛИ при условии визуализации траекторий лучей внутри среды (моделирование эксперимента).

Анализ методов решения обратной задачи восстановления показателя преломления по известным лучевым траекториям в объеме и на выходе из среды представлен в работах [11, 16-18]. Возможность диагностики слоистых неоднородностей на основе особых точек рефрактограмм (по положению и форме каустических поверхностей) рассмотрена в [19-20].

3. Визуализация динамики физических процессов в жидких и твердых средах

3.1 Визуализация динамики тепловых процессов в жидких средах

В настоящее время разработаны схемы лазерных рефрактографических систем с различными характеристиками [3, 12, 21]. На рис. 8 а,б приведены схема и фотография новой измерительной системы визуализации и исследования тепловых процессов в жидкостях [12], в которой могут одновременно использоваться два оптических эффекта: рефракция лазерных пучков в оптически неоднородной среде (крупномасштабные неоднородности) и рассеяние лазерного излучения на мелких, специально вводимых частицах (мелкомасштабные неоднородности). В системе применяются два лазера, работающие в различных спектральных диапазонах и в различных режимах. Рефрактографический канал (рис.8а) состоит из лазера с блоком формирования структурированного лазерного излучения 1, исследуемой кюветы с жидкостью 2, в которую погружаются нагретые или охлажденные тела 3, полупрозрачного экрана 5. Рефрактораммы регистрируются с помощью цифровой фотокамеры 6. Указанные элементы установлены на основании 7. Координатник 4 позволяет перемещать исследуемые тела в трех направлениях. Рефрактографический канал позволяет визуализировать и исследовать пограничные слои около изучаемых тел.

патент_рис

а)

DSC_0156-m

б)

в)

Рис. 8. Двухцветная рефрактографическая установка: а) схема, б) фотография, в) визуализация вихря

Второй канал предназначен для регистрации рассеянного частицами излучения. Он состоит из лазера 9 с блоком формирования структурированного лазерного излучения в виде плоского лазерного пучка, распространяющегося параллельного плоскости чертежа. В исследуемую кювету с жидкостью 2 могут погружаться нагретые или охлажденные тела, а также различные нагреватели, установленные на координатнике 4. Рассеянное на частицах излучение регистрируется цифровой камерой 10, подключенной к компьютеру 8. При использовании двухимпульсного лазера этот канал выполняет функции лазерного анемометра по изображениям частиц. Для обработки изображений, характеризующих теплофизические процессы в жидкости, используется специальное программное обеспечение, с помощью которого строятся рефрактограммы и визуализируется поле скоростей частиц в потоке.

Система позволяют получить полную картину потока, по которой рассчитываются такие характеристики процесса нагревания или охлаждения как: поле скоростей около исследуемого объекта (скорость движения частиц в среде); поля градиентов температур в различных слоях и зонах жидкости; характер (ламинарный или турбулентный) движения слоев жидкости в различных фазах нагрева или охлаждения жидкости; поле градиента показателя преломления среды; время нагрева или остывания; степень однородности нагрева или остывания жидкой среды. Дополнительно можно определять время гомогенизации смешиваемых растворов в химических реакторах. На рис. 17 показан пример визуализации движения вихря в воде.

Полученные на установке рефракционные картины позволяют оценить геометрические размеры характерных зон около исследуемого объекта, например, толщину пограничных слоёв или выявить зоны с нестационарными течениями. Кроме того, возможно построить двумерные поля скоростей, выбрать оптимальную форму нагревателей и их пространственное расположение в технологических резервуарах с целью обеспечения равномерного, полного и быстрого нагрева или охлаждения жидкости в различных технологических процессах химической, пищевой, энергетической промышленности и в оборудовании коммунальных служб.

Наглядное представление о возможностях описанной выше рефрактографической установки можно показать на примере исследования тепловых полей и вызванных ими конвекционных течений в непосредственной близости от трубчатого спирального нагревательного элемента.

Для получения картин визуализации конвекционных потоков в области между витками нагревательного элемента применялась следующая методика: с помощью координатного устройства 4 (см. рис. 8а) трубчатый нагревательный элемент располагался таким образом, чтобы плоский лазерный пучок, сформированный во втором канале установки, зондировал пространство между его витками; после чего видеокамера 10 (см. рис. 8а) включалась в режим записи, а сам нагревательный элемент подключался к электрической сети. Внесенные в воду светорассеивающие частицы (алюминиевая пудра) начинали перемещаться и отслеживать возникающие течения в жидкости. Характер этих конвекционных потоков определялся временем работы нагревателя.

Приведенные видеоматериалы наглядно иллюстрируют сложную структуру тепловых полей под витками трубчатого нагревательного элемента, а также возникающих в исследуемой зоне течений жидкости. На рис. 9а представлена визуализация конвекционных потоков внутри витка этого элемента через 9 секунд после включения нагревательного элемента. Рис. 9б демонстрирует изображения, полученные в рефрактографическом канале измерительной установки при прохождении плоского лазерного пучка под тем же нагревательным элементом, находящемся в холодной воде.


а)	б)

Рис. 9. Визуализация тепловых процессов в нагревательном элементе: а) визуализация потоков по рассеянному излучению, б) рефрактогамма прошедшего плоского пучка снизу нагревательного элемента.

3.2. Визуализация динамики тепловых процессов в прозрачных твердых телах

Эксперименты по изучению распространения теплового поля в прозрачных твердых телах проводились с органическим стеклом и базировались на рефрактографическом методе исследования оптических неоднородностей.

Основной особенностью выполненных экспериментов являлось применение в качестве зондирующего излучения системы параллельных лазерных пучков, образующей в сечении сетку (20 × 20 - пучков).

Ниже будут описаны условия, при которых проводились исследования.

Объектом исследований являлся элемент из органического стекла. На верхней грани элемента располагался сосуд из тонкостенного алюминия В данный сосуд в ходе эксперимента заливалась горячая вода.

Структурная схема измерительной системы приведена на рисунке 10.

Рис. 10. Структурная схема измерительной системы. 1 – лазер; 2 – дифракционный оптический элемент; 3 – расходящиеся лазерные пучки; 4 – длиннофокусная линза; 5 – исследуемый объект; 6 – нагревательный элемент; 7 – матовый экран; 8 – цифровая видеокамера.

В качестве источника лазерного излучения 1 был применен маломощный (5 мВт) твердотельный лазер с диодной накачкой, работающий на длине волны λ = 532 нм (зеленый цвет). Лазерный пучок направлялся на дифракционный оптический элемент (ДОЭ) 2 фирмы «LASIRIS» после которого формировалась система расходящихся лазерных пучков 3, в поперечном сечении которой получалась сетка с числом пучков 20 × 20, расположенных равномерно по сечению. Для формирования системы параллельных лазерных пучков, использовалась длиннофокусная сферическая линза 4.

Система параллельных лазерных пучков зондировала приповерхностную область в органическом стекле 5 под алюминиевым сосудом с горячей водой 6.

За исследуемым объектом 5 располагался матовый экран 7, на котором наблюдалось изменение во времени рефрактограмм. За экраном была установлена цветная цифровая видеокамера 8 для их регистрации.

На рисунке 11 показаны отдельные элементы экспериментальной установки.


а) лазер с ДОЭ, длиннофокусная линза и образец из органического стекла.	б) матовый экран с изображением сетки лазерных пучков и объектив видеокамеры.
Рис. 11. Элементы экспериментальной установки.

На рис. 12 представлена визуализация динамики распространения теплового фронта в оргстекле.

Рис. 12. Визуализация динамики распространения теплового фронта в оргстекле с помощью СЛИ в виде матрицы точек.

Таким образом, наглядно представлена динамика видоизменения рефрактограмм, характеризующих распространение теплового фронта под поверхностью образца из оргстекла при изменении её температуры. Методика обработки рефрактограмм подробно приведена в работе [4].

3.3 Примеры динамики остывания нагретых тел в холодной воде

На рис. 13 показана визуализация динамики остывания нагретого шара диаметром 50 мм до температуры 80° в холодной воде 20° с помощью узкого лазерного пучка. Весь процесс остывания занимает десятки минут.

Рис. 13. Визуализация остывания горячего шара в воде с помощью узкого лазерного пучка.

На рис. 14 показана визуализация динамики остывания горячего цилиндра в холодной воде с помощью двух плоских лазерных пучков, расстояние между которыми составляло 50 мм. В жидкость были введены мелкие частицы, позволяющие визуализировать процесс остывания в рассеянном свете.

Рис. 14. Визуализация остывания нагретого цилиндра с помощью двух плоских пучков.

Рис. 15. Изменение лазерной рефрактограммы под дном горячего шара. Нижний плоский лазерный пучок находится на большом расстоянии от цилиндра и не отклоняется.

Рис. 16. Визуализация процесса остывания шара в широком лазерном пучке. Прямотеневая визуализация.

Рис. 17. Визуализация движения водяного вихря с помощью широкого лазерного пучка в рассеянном свете.

Рис. 18. Визуализация движения водяных потоков в нагревательном элементе с помощью широкого лазерного пучка в рассеянном свете.

4. Визуализация процессов тепло- и массообмена методом каустик в лазерной рефрактографии

При распространении структурированного лазерного излучения (СЛИ) в средах с неоднородным распределениям показателя преломления могут возникать каустические поверхности. Каустическими поверхностями или, проще, каустиками называют огибающие семейства лучей [22]. Местоположение каустик может быть определено с высокой точностью с помощью специально разработанного алгоритма, что дает дополнительную информацию для решения обратной задачи восстановления свойств исследуемой среды. В работах [23, 5] было показано, что каустики, в случае использования структурированного излучения, представляют собой огибающие точек экстремумов, возникающих при рефракционном искажении структурных элементов пучка; при отсутствии каустик экстремумы на изображении не наблюдаются. Теория каустик напрямую связана с одним из разделов математики – теорией катастроф [24]. Компьютерное моделирование распространения СЛИ в оптических неоднородностях с целью определения параметров каустик очень важно в случае распространения излучения в твердых средах. При образовании каустик наблюдается перераспределение интенсивности лазерного излучения, в результате чего в областях наибольшей яркости среды могут разрушаться. На основании этого явления проводятся работы по определению свойств кристаллов [25-27].

Первый тип неоднородности, рассматриваемый в работе с точки зрения образования каустических поверхностей, – диффузионный слой жидкости. Диффузионный слой жидкости возникает при контакте двух или более сред с различными физическими характеристиками (показателями преломления). Диффузионный слой является стратифицированной средой, то есть показатель преломления зависит только от одной декартовой координаты. Если медленно наливать тонким слоем на поверхность более плотной жидкости с показателем преломления n₁ менее плотную жидкость с показателем преломления n₂, то со временем между ними образуется диффузионный слой, распределение показателя преломления в котором может быть описано через функцию гиперболического тангенса [28]:

(3)

где h – характеристическая полуширина слоя, x_s – середина слоя. Границы слоя x₁ и x₂ определяются по уровню отклонения градиента показателя преломления от значений n₁ и n₂ на 10^-5 соответственно.

Этот тип неоднородности может быть зондирован СЛИ различной формы: линией, матрицей точек, набором конических колец, крестом и т.д. Компьютерная и экспериментальная 3D-визуализация рефракции цилиндрического лазерного пучка и динамика образовании каустик при изменении положения центра пучка представлены в работе [29]. В данной работе рассматривается зондирование диффузионного слоя плоским лазерным пучком. На Рис.19 и Рис.20 показана динамика 3D-рефрактограмм плоского пучка в диффузионном слое жидкости при углах наклона лазерной плоскости 45° и 90° соответственно при изменении разности показателей преломления более плотной и менее плотной жидкостей (n₁ = 1,3320, n₂ изменяется в пределах от 1,3370 до 1,3440). Для количественной диагностики распределения показателя преломления в данной работе используются рефрактограммы, полученные при угле наклона лазерной плоскости 90°.

Рис.19. Динамика 3D-рефрактограмм плоского лазерного пучка в диффузионном слое жидкости (угол наклона 45°).

Рис. 20. Динамика 3D-рефрактограмм плоского лазерного пучка в диффузионном слое жидкости (угол наклона 90°).

С целью наблюдения и регистрации каустик при распространении плоского лазерного пучка в диффузионном слое жидкости может быть использована экспериментальная установка, изображенная на Рис. 21. С помощью лазера 1 и оптической системы 2 создается плоский лазерный пучок, зондирующий диффузионный слой 4 в кювете 3. 2D-рефрактограма 7 регистрируется с помощью цифровой камеры 5 и в последующем обрабатывается на персональном компьютере 6 с помощью специально разработанного программного обеспечения 8 [30].

1 – лазер, 2 – оптическая система, 3 – кювета, 4 – диффузионный слой, 5 – цифровая фотокамера, 6 – ПК, 7 –2D-рефрактограма, 8 – ПО
Рис. 21. Экспериментальная установка для регистрации каустик плоского лазерного пучка в диффузионном слое жидкости.

Для создания диффузионного слоя использовалась дистиллированная вода и раствор NaCl. Для регистрации рефрактограммы в дистиллированную воду были добавлены рассеивающие частицы. Параметры среды: показатель преломления соленой воды n₁ = 1,3443 и дистиллированной n₂ =1,3310. Динамика рефрактограмм, полученных в ходе эксперимента в различные моменты времени, представлена на Рис. 22.

Рис. 22. Экспериментальные 2D-рефрактограммы плоского лазерного пучка в диффузионном слое жидкости в различные моменты времени (Δt = 6 мин).

Для определения параметра h и толщины диффузионного слоя жидкости была разработана программа обработки рефрактограмм, позволяющая выполнять фильтрацию изображений, выделение из изображений каустических поверхностей и проводить их сравнение с теоретически рассчитанными. На основании данного алгоритма была определена зависимость толщины диффузионного слоя d во времени. Полученная зависимость представлена на Рис.23.

Рис. 23. График зависимости толщины диффузионного слоя от времени.

Таким образом, регистрация рефрактограмм в различные моменты времени с равными промежутками позволяет оценить зависимость толщины слоя от времени. При практических измерениях погрешность собственно вычислительного алгоритма пренебрежимо мала и основной вклад будет вносить погрешность определения координаты слияния каустик. В связи с этим применимость алгоритма будет ограничена в непосредственной окрестности области слияния каустик и на больших дистанциях от неоднородности.

Следующий тип оптической неоднородности, в котором рассматривается динамика 3D-рефрактограмм, – сферически симметричное температурное поле около нагретых и охлажденных объектов в жидкости. Результаты компьютерного моделирования рефракции плоского лазерного пучка около охлажденного шара в горячей воде показаны на рис. 24.

Рис. 24. Динамика 3D-рефрактограмм распространения плоского лазерного пучка около холодного шара в горячей воде.

При исследовании конвективных процессов у поверхности нагретых или охлажденных тел в жидкости корреляционная обработка рефракционных изображений структурированных пучков позволяет восстанавливать распределение температуры в пограничном слое. Однако в ряде задач необходимо определить только температуру поверхности объекта. В этом случае для проведения бесконтактного контроля теплофизических характеристик процесса целесообразно использовать эмпирические зависимости температуры поверхности от положения особых точек наблюдаемых каустик. Рассматривая динамику, показанную на Рис.24, можно сделать вывод о зависимости температуры поверхности шара от расстояния, на котором фиксируется особая точка, «клюв», каустики. Фактически положение особой точки определяется разностью температуры поверхности и жидкости.

5. Заключение

В работе описано применение метода лазерной рефрактографии для количественной диагностики процессов тепло- и массообмена. Представлены результаты компьютерного моделирования 3D-рефрактограмм распространения СЛИ в диффузионном слое жидкости и в температурных полях, возникающих около нагретых или охлажденных объектов. Описаны экспериментальные установки для регистрации двумерных и трехмерных рефрактограмм. Приведено сравнение экспериментальных и расчетных рефрактограмм, посредством которого было восстановлено распределение температурного поля в пограничном слое жидкости.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 14-08-00948-а и № 16-32-00530-мол_а).

Список литературы

1. Settles G.S. Schlieren and Shadowgraph Techniques,Visualizing Phenomena in Transparent Media, Springer, New York, 2001, P. 387.

2. Дифракционная компьютерная оптика / Под ред. В.А.Сойфера. Физматлит, 2007. 736 с.

3. Евтихиева О.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Лазерная рефрактография. Физматлит. 2008. 176с.

4. Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Structured Beams in Laser Refractography Applications. In books: Laser Beams Theory, Properties and Applications. Nova Science Publishers. Inc. 2011. Pp.399-414.

5. Raskovskaya I.L. Specific Imaging of Caustics upon Refraction of Structured Laser Radiation in Stratified Media. Technical Physics. 2015. 60(6). Pp. 911–916.

6. Rinkevichyus B.S., Raskovskaya I.L., Tolkachev A.V., Vedyashkina A.V. Structured Laser Radiation in Optical Inhomogeneous Media Refractography. PIERS Proceedings, Prague, Czech Republic, July 6-9, 2015. Pp. 2660–2664.

7. Rinkevichyus B.S., Pavlov I.N., Raskovskaya I.L., Tolkachev A.V. Laser Refractography: Principles and Applications in Studies of Thermophysical Processes in Liquids, Recent Advances in Fluid Mechanics and Thermal Engineering. International journal of energy and environment. 2015. Vol. 9. Pp. 102-111.

8. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Низкотемпературная плазма. Т. 13. Томография плазмы. Наука. 1995.

9. Кузьмичева М., Расковская И., Ринкевичюс Б. Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование рефракции плоского лазерного пучка в оптически неоднородных средах. Научная визуализация. 2013. Т. 5. № 3. С. 17-39.

10. Есин М.В., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Трехмерные рефрактограммы и их применение для диагностики градиентных неоднородностей. Радиотехника и электроника. 2012. Т. 57. № 4. C. 485.

11. Расковская И.Л. Лазерная рефракционная томография фазовых объектов. Квантовая электроника. 2013. Т. 43, №6, C. 554-562

12. Патент на полезную модель «Система визуализации и измерения параметров физических процессов в жидкой среде», № 105433 от 10.06.2011. БИ – 16-2011. МПК G01F1/00.

13. Гречихин В.А., Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С. Влияние акустооптического эффекта на погрешность измерений колебательной скорости частиц лазерным доплеровским анемометром. Автометрия 2000. №5. С. 92-101

14. Расковская И.Л. Распространение лазерного пучка в среде с акустической волной. Радиотехника и электроника. 2004. №11. С.1382-1389.

15. Микаэлян А.Л. Оптические методы в информатике. М.: Наука. Физматлит, 1990.

16. Расковская И.Л. Структурированные пучки в задачах лазерной рефрактографии. Радиотехника и электроника. 2009. том 54. №12. С.1524-1531.

17. Расковская И.Л. Рефракционный метод диагностики двумерно-неоднородных сред. Радиотехника и электроника. 2013. Т.58. №1. С. 38-45

18. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Лазерный рефракционный метод визуализации и количественной диагностики диффузионного слоя жидкости при наличии внутренних волн. Научная визуализация. 2015. т. 7. №4. С.76-86

19. Расковская И.Л. Волновая модель рефракции лазерных пучков с дискретным изменением интенсивности в сечении и их применение для диагностики протяженных нестационарных фазовых объектов. Квантовая электроника. 2015. Т. 45. №8. C. 765-770

20. Расковская И.Л. Особенности отображения каустик при рефракции структурированного лазерного излучения в стратифицированных средах. Журнал технической физики. 2015. Т. 85. №. 6. С. 126-131.

21. Расковская И.Л., Ринкевичюс Б.С., Толкачев А.В. Диагностика конвективных процессов в пограничном слое жидкости методом лазерной рефрактографии. ИФЖ. 2010. Т. 83. № 6. С. 1149-1156.

22. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. Наука. 1980. 304 с.

23. Raskovskaya I.L. Refractometry of optical inhomogeneous media by registration of caustics position with used of structured laser radiation. Avtometriya. 2014. Vol. 50. No. 5. Pp. 92-98.

24. Arnold V.I., Gusein-Zade S.M., Varchenko A.N. Singularities of Differentiable Maps. Volume I. Springer. 2012. P. 393.

25. Gao G., Li Z., Negahbanb M. Dynamic fracture analysis of polycarbonate by the optical method of caustics. Procedia Materials Science. 2014. No. 3. P. 165-176

26. Pazis D.N., Agioutantis Z., Kourkoulis S.K., The optical method of reflected caustics applied for a plate with a central hole: critical points and limitations. An international journal for experimental mechanics. 2011. Vol. 47. No.6. P. 489-498.

27. Gdoutos, E.E. The optical method of caustics for the solution of fracture mechanics problems. 15th International Conference on Experimental Mechanics. 2012. Paper 3819

28. Vedyashkina A.V., Raskovskaya I.L., Pavlov I.N. Formation of Caustics by Refraction of Structured Laser Radiation in the Diffusive Layer of Liquid, PIERS Proceedings, Prague, Czech Republic, July 6-9, 2015, P. 884–887

29. Vedyashkina A.V., Rinkevichyus B.S. 3D-visualization of Caustics’ Formation in Laser Refractography Problems, Physics Procedia. 2015. Vol. 73. Pp. 205–210

30. Vedyashkina A.V., Rinkevichyus B.S., Raskovskaya I.L. Noncontact measurements of optical inhomogeneity stratified media parameters by location of laser radiation caustics. Proceedings of the 18th International Symposium on Application of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon, Portugal, 4-7 July 2016. Pp. 1849 – 1865.

VISUALIZATION OF DYNAMIC THERMAL PROCESSES IN TRANSPARENT MEDIA BY STRUCTURED LASER RADIATION

B.S. Rinkevichyus, A.V. Vedyashkina, I.N. Pavlov, I.L. Raskovskaya, A.V. Tolkachev

The V.A. Fabrikant Physics department of National Research University “MPEI”, Moscow, Russian Federation

rinkevbs@mail.ru, an.vedyashkina@gmail.com, inpavlov@bk.ru, raskovskail@mail.ru, avtolk2008@yandex.ru

Abstract

The work is devoted to investigation of heat and mass transfer processes by laser refractography method which based on phenomena of refraction of structured laser radiation (SLR) probing an optical inhomogeneous medium and also digital registration and computer processing of receiving images (refractograms). When SLR propagates in optical inhomogeneous medium the caustics may appear, whose coordinates can be determined with high accuracy. It gives additional possibilities for reverse problem solving on reconstruction of physical properties of media which cause to inhomogeneity in refractive index. The conditions of caustics appearing are considered in case of longitudinal probing of stratified media by plane and cylindrical laser beams. The results of computer modeling of 3D-refractograms of SLR propagation in diffusive liquid layer and in temperature fields appearing near heated and cooled objects are represented. Comparison of experimental and calculated refractograms are given.

Keywords: laser refractography, structured laser radiation, caustics, two-colors refractographic system, heat transfer, mass transfer, dynamic processes.

References

1. Settles G.S. Schlieren and Shadowgraph Techniques,Visualizing Phenomena in Transparent Media, Springer, New York, 2001, P. 387.

2. Sojfer V.A.(ed.) Difrakcionnaja komp'juternaja optika [The diffractive optics computer]. Fizmatlit, 2007. 736 p. [In Russian]

3. Evtihieva O.A., Raskovskaja I.L., Rinkevichjus B.S. Lazernaja refraktografija [Laser refractographyy]. Fizmatlit. 2008. 176 p. [In Russian]

5. Raskovskaya I.L. Specific Imaging of Caustics upon Refraction of Structured Laser Radiation in Stratified Media. Technical Physics. 2015. 60(6). Pp. 911–916.

8. Pikalov V.V., Mel'nikova T.S. Nizkotemperaturnaja plazma. T. 13. Tomografija plazmy. [Low-temperature plasma. Vol. 13. Plasma tomography.]. Science. 1995. [In Russian]

9. Kuzmicheva M., Raskovskaya I., Rinkevichyus B. Jeksperimental'noe issledovanie i komp'juternoe modelirovanie refrakcii ploskogo lazernogo puchka v opticheski neodnorodnyh sredah [Experimental Research and Computer Modeling of Refraction of the Plane-Structured Laser Beam in Optical Inhomogeneous Medium]. Scientific Visualization. 2013. Vol. 5. No. 3. Pp. 17-39. [In Russian]

10. Esin M.V., Raskovskaja I.L., Rinkevichjus B.S., Tolkachev A.V. Trehmernye refraktogrammy i ih primenenie dlja diagnostiki gradientnyh neodnorodnostej [Three-dimensional refractograms and their use for the diagnosis of gradient inhomogeneities]. Journal of Communications Technology and Electronics. 2012. Vol. 57. No. 4. Pp. 485. [In Russian]

11. Raskovskaja I.L. Lazernaja refrakcionnaja tomografija fazovyh ob#ektov [Laser refractive imaging phase objects]. Quantum Electronics. 2013. Vol. 43. No. 6. Pp. 554-562. [In Russian]

12. A utility model patent "system visualization and measurement of physical parameters of the processes in a liquid medium", No. 105433 from 10.06.2011. BI – 16-2011. MPK G01F1/00.

13. Grechihin V.A., Raskovskaja I.L., Rinkevichjus B.S. Vlijanie akustoopticheskogo jeffekta na pogreshnost' izmerenij kolebatel'noj skorosti chastic lazernym doplerovskim anemometrom [Influence of the acousto-optic effect on the accuracy of the vibrational particle velocity measurements by laser Doppler anemometer]. Optoelectronics, Instrumentation and Data Processing. 2000. No. 5. Pp. 92-101. [In Russian]

14. Raskovskaja I.L. Rasprostranenie lazernogo puchka v srede s akusticheskoj volnoj [Distribution of the laser beam in a medium with an acoustic wave]. Journal of Communications Technology and Electronics. 2004. No. 11. Pp. 1382-1389. [In Russian]

15. Mikajeljan A.L. Opticheskie metody v informatike [Optical methods in computer science]. Science. 1990. [In Russian]

16. Raskovskaja I.L. Strukturirovannye puchki v zadachah lazernoj refraktografii [Structured beams in laser refractography problems]. Journal of Communications Technology and Electronics. 2009. Vol. 54. No. 12. Pp. 1524-1531. [In Russian]

17. Raskovskaja I.L. Refrakcionnyj metod diagnostiki dvumerno-neodnorodnyh sred [Refractive method of diagnosing two-dimensional mediums]. Journal of Communications Technology and Electronics. 2013. Vol. 58. No. 1. Pp. 38-45. [In Russian]

18. Raskovskaya I.L., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Lazernyj refrakcionnyj metod vizualizacii i kolichestvennoj diagnostiki diffuzionnogo sloja zhidkosti pri nalichii vnutrennih voln [Visualization and quantitative diagnostics of a diffuse liquid layer in the presence of internal waves by laser refraction technique]. Scientific Visualization. 2015. Vol. 7. No. 4. Pp. 76-86. [In Russian]

19. Raskovskaja I.L. Volnovaja model' refrakcii lazernyh puchkov s diskretnym izmeneniem intensivnosti v sechenii i ih primenenie dlja diagnostiki protjazhennyh nestacionarnyh fazovyh ob#ektov [The wave model of refraction of the laser beams with discrete changes in the intensity in the cross section, and their use for the diagnosis of non-stationary phase of extended objects]. Quantum Electronics. 2015. Vol. 45. No. 8. Pp. 765-770. [In Russian]

20. Raskovskaja I.L. Osobennosti otobrazhenija kaustik pri refrakcii strukturirovannogo lazernogo izluchenija v stratificirovannyh sredah [Features display caustics with refraction of the structured laser light in stratified media]. Technical Physics. 2015. Vol. 85. No. 6. Pp. 126-131. [In Russian]

21. Raskovskaja I.L., Rinkevichjus B.S., Tolkachev A.V. Diagnostika konvektivnyh processov v pogranichnom sloe zhidkosti metodom lazernoj refraktografii [Diagnosis of convective processes in the boundary layer of fluid by laser refractography]. Journal of Engineering Physics. 2010. Vol. 83. No. 6. Pp. 1149-1156. [In Russian]

22. Kravcov Ju.A., Orlov Ju.I. Geometricheskaja optika neodnorodnyh sred [Geometrical optics of inhomogeneous media]. Science. 1980. 304 p. [In Russian]

23. Raskovskaya I.L. Refractometry of optical inhomogeneous media by registration of caustics position with used of structured laser radiation. Avtometriya. 2014. Vol. 50. No. 5. Pp. 92-98.

24. Arnold V.I., Gusein-Zade S.M., Varchenko A.N. Singularities of Differentiable Maps. Volume I. Springer. 2012. P. 393.

25. Gao G., Li Z., Negahbanb M. Dynamic fracture analysis of polycarbonate by the optical method of caustics. Procedia Materials Science. 2014. No. 3. P. 165-176

27. Gdoutos, E.E. The optical method of caustics for the solution of fracture mechanics problems. 15th International Conference on Experimental Mechanics. 2012. Paper 3819

29. Vedyashkina A.V., Rinkevichyus B.S. 3D-visualization of Caustics’ Formation in Laser Refractography Problems, Physics Procedia. 2015. Vol. 73. Pp. 205–210