Badania struktury rozpylonej strugi cieczy przy wykorzystaniu holografii

(1)

ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: ENERGETYKA z. 87

lóSfr Nr kol.

806

Zbigniew LESZCZYŃSKI

In s ty tu t M a s z y n P r ze p ł y w o w y c h P o l i t e c h n i k a Ł ó d z k a

BADANIA STRUKTURY ROZPYLONEJ STRUGI CIECZY PRZY WYKORZYSTANIU HOLOGRAFII

S t r e s z c z e n i e : ¥ pracy p r z e d s t a w i o n o sposób okreś la ni a i wyniki p o m i a r ó w n i e k t ó r y c h p ar a me t r ó w m i kr os t r u k t u r y r ozpylonej strugi cieczy. P o m i ar ó w m ik ro s tr uk tu r y d o k o na n o wykorzy st uj ą c w tym celu holografię. Pr z ed stawiono k o r z y ś c i wynikające ze stosowania tej m e  tody, jak r ó w ni e ż w yn ik a j ą c e z niej n ie k t ó r e trudności.

1. Wstęp

P o m i a r y struktury rozpyl on ej strugi cieo zy są bardzo trudne. Trudności te w y n i k a j ą z dużej ilości w y t w o r z o n y c h kropel, szerokiego zakresu ioh wymiarów, dużej i zróżnico wa n ej p r ęd kości kropel, Jak r ó w ni e ż zmiany k s z t a ł t ó w i w y m i a r ó w k ro p el podc za s b a d a ń itp. Dotychc z as nie ma metody uniwersalnej, k t ó r a p o z wa l ał ab y n a u z y s ka n ie jednocześnie: dużej dokła d  n oś ci pomiarów, n i e z a k ł ó c e n i a r oz p yl on ej strugi w cz asie pomiarów, n i s  k i c h k o s z t ó w aparatury, czy ma ł ej p r a c o c hł on n oś ci pomiarów.

W s z y s t k i e m e t o d y p o m i ar ow e m o ż n a podzielić n a dwie zasadnicze grupy:

- g r u p a m e t o d kontaktowych, - g r u p a m e t o d bezkontaktowyoh.

V g ru pi e m e t o d b e z k o n t a k t o w y c h m o ż n a wyróżnić n a s tę pu ją c e metody, które c h a r a k t e r y z u j ą się b r a k i e m b e z p oś r ed ni eg o k o n t a kt u z kroplami w miejscu pomiaru; są to ró ż ne o d m ia n y m et od fotograficznych:

- m e t o d a m i kr of o t o g r a f i i s y , w ą t k o w e j , - m e t o d a fluorescencyjna,

- m e t o d a separacji kropel, - m e t o d a dyfrakcyjna, - m e t o d a h olografii.

W pr a cy p r z e ds t aw io no pomiary struktury rozpylonej strugi o i e cz y przy w y k o r z y s t a n i u holografii. H o l o g r a m w odróż n ie ni u od zwykłej fotografii d aj e o b r a z trójwymiarowy, otrzymuje się więc pr ze strzenne ro z mieszczenie kropel, a n i e tylko i ch same wymi ar y jak w innych metodach. D z i ę k i tej w ła sn o śc i m a m y mo ż liwość u z y s ka n ia - po ana li z ie h o l o g ra m u - c a łe go szere

gu i nf or ma c ji d o t y c z ą c y c h rozpy lo ne j strugi cieczy, taki c h Jak: widma rozpylenia, z as tę p c z y c h średnic kropel, p r o m i en io we g o roz kł ad u średnic

(2)

kropel, promieniowego rozkładu objętości rozpylonej cieczy, koncentracji kropel itp.

V pracy zostaną przedstawione wyniki pomiarów wyZej wskazanych para

metrów rozpylonej strugi cieczy.

2. Badania holograficzne

2.1. Przedmiot badań

Do badań mikrostruktury rozpylonej strugi cieczy użyto rozpylacza wi

rowego charakteryzującego się bardzo dobrą równomiernością obwodową (od

chyłki mniejsze od 20%)*

Na rysunku 1 przedstawiono przykładowo jeden z rozpylaczy wirowych użytych do badań.

3 ° ° _____________________ Z. L e s z c z y ń s k i

20

Rys. 1. Badany rozpylacz wirowy

2.2. Holograficzne badania struktury rozpylonej strugi cieczy Hologramy rozpylonej strugi cieczy wykonane zostały na specjalnym stoisku w Centralnym Laboratorium Optyki. Schemat tego stoiska przedsta

wia rysunek 2.

Rys. 2. Schemat stoiska do wykonywania hologramów rozpylonej strugi cieczy: 1 - laser impulsowy, 2 - zwierciadło półprzepuszczalne, 3, 7 • zwierciadło, k - soczewka z przysłoną „pinhole*, 5 • wiąz

k a robocza, 6 - rozpylana struga, 8, 9 - soczewka, 10 - wiąz

ka odniesienia, 11 - hologram

(3)

B a d a ni a struktury rozpylonej strugi o i e o z y ... 3<jt

u. i «. — i jui-n—wm».»!»!—< ...i ..niimi m—mmii. 11 i i i i n

H o l o g r a m y zostały w ykonane d la trzech wa rtości nad oi śn i en ia przed roz

p y l a c z e m A p =: 1 * 1 (>5, 2 « 1 o 5 , 3 * 1O5 (PaJ,. Czynnikiem rozpylanym była woda.

T a k wy ko n an e h o l o g r a m y b y ł y o dt wa rz a ne i analizowane n a stoisku p r z e d s t a w i o n y m schematy cz n ie n a rysun k u 3.

2

Rys. 3* Schemat sto is ka d o od tw ar z a n i a h ologramów: 1 - laser He - Ne, 2 - zwierciadło, 3, 4 - soczewka, 5 - hologram, 6 - obraz r z e  c z y w is ty rozpylonej strugi, 7 — k a m e r a telewizyjna, 8 - stolik ws p ół rz ędnościowy, 9 - m o n i t o r telewizyjny, 10 - kie ru nk i prze

suwu hologramu, 11 - k i e r un k i p r z es uw u kamer y

O p r a c o w a n i e p olegało n a p o mi e rz en iu w y m ia ró w i liczby k r op el w okre

ślon y ch d w ó c h p ł a s z o z y z n a o h i n a tej po d stawie wyzna cz en ie wskaza n yc h pa

rametrów. O b r a n e p ł a sz cz yz n y pom ia r ow e przyjęto w odległości I - 1*5 mm, X I - 65 m m od w y l o t u z rozpylacza, czyli w o dl eg ł o ś c i a c h zapewniających ca łk o wi te u fo rm o w a n i e się kropel.

B adany r o z p y l a c z p o s i a d a w y s o k ą ró wnomierność obwodową, dlatego też w k aż de j p ł a s zc zy źn i e w y b ra n o tylko p e wi en o bszar obserwacji. Obsz ar ten so n do wa no za p o mo cą k am er y t e l e w i z y j n e j , zmieniając współrzędne wzdłuż d w ó c h p r o s t o p a d ł y c h kierunków. Zapewniało to zliczenie (analizę) wszys

t ki ch k r o p e l w d a n y m obszarze. Schemat sondowania obszaru obserwacji oraz jego wielkość prz ed s ta wi on o nr r y s un k u 4.

W y m i a r y je d no st ko w eg o Obsza:. ? ob se r wa cj i w y n i ka ją z wymiarów monitora t elewizyjnego i s u ma rycznego p ow ię k s z e n i a wynos z ąc eg o 200 x.

K r o p l e z na jd uj ą ce się w o bszarze obserwacji są na ekranie monitora b a r d z o w y ra źn e (ostre) i p o s i a d a j ą w środku jasno świecącą plamkę. Krople te b y ł y m i e r z o n e za p o mo cą p r z y m i ar u liniowego. K a ż d ą kroplę p r zy po  rz ą dk o w a n o do odpowied ni e go zak re su średnio. Z uwagi na to, że układ po

m i a r o w y za pe w ni ał p o w i ęk sz en i e 200 x, przy ję t o szerokość przedziału średnic r ó w n ą 25 /ha. U s t a l o n o w zwią zk u z p o w y ż sz ym 16 przedziałów średnic i tak: 0 •» 25/®‘, 26 * 5 0 /om... 376 * 400 /Mn. Krople powyżej 400 /om d l a d a n e g o r o z p y l a c z a n i e występują.

N a p o d s t a wi e p o m i a r ó w w y zn ac zo n o nastę p uj ąc e parametry:

- p r o c e n t o w ą liczbę k r op el w d a n y m p r z e d z i a l e , c zyli ¿ 5 ^ = h n ^ / N

(4)

302 Z. Leszozyrisfcl

= Ati^ / 2 n n ^ dla kaZde j wielkości nadciśnienia przed rozpylaczem, - krzywą sumaryczną rozkładu ilościowego kropel,

- średnie średnice kropel,

• promieniowy rozkład średnie kropel,

- promieniowy rozkład objętości rozpylonej cieczy, ' - koncentracje k ropel.

1 - rozpylona struga cieczy 2 - płaszczyzny pomiarowe 3 - Jednostkowy obszar obser

wacji

U - wybrany obszar obserwacji 5 — kierunki przesuwu jednos

tkowego obszaru obserwa

cji

Rys. k. Schemat sondowania wybranego obszaru płaszczyzny pomiarowej

2.3. Wyniki pomiarów

Z przebadanych kilku rozpylaczy przedstawiono przykładowo wyniki po

miarów niektórych parametrów rozpylonej strugi cieczy dla jednego z roz

pylaczy. Wyniki pomiarów tych parametrów przedstawiono na rysunkach , i tak na rysunku 5 przedstawiono funkcję ilościowego rozkładu oraz krzywą sumaryczną rozkładu ilościowego kropel, zaś na rysunku 6 zależność między zastępczymi średnimi średnicami kropel a wielkością nadciśnienia przad rozpylaczem, tzn. zależności:

Rys. 5• Funkcja ilościowego rozkładu kropel i krzywa sumaryczna rozkładu ilościowego kropel

(5)

Ba¿aala struktury rozpylonej strugi cieczy.

303

d 10 - ¿radniej arytmetycznej średnicy kropel 2 * 1 * ¿n.

d ^ = »... = f( /3p) ,

d 20 • ¿redalej powierzohniow^jj średnicy kropel

d Z 0 =

A n

~ = f( d i ) ,

śjg “ średniej objętościowej średnicy kropel

30

1

I x l • d n i

= Ap),

d ^2 - średniej średnicy Sautera

d 32 =

An.

2 *i ' ^ n i gdzie: xi - średnia średnica z przedziału,

= f( Ap),

Rys* 6* Zależność średnich średnic kropel od spadku ciśnienia przed rozpylaczem

Na rysunku 7 przedstawiono zmianę objętości rozpylonej strugi cieczy wzdłuż promienia, a na rysunku 8 promieniowy rozkład średnich średnic kropel.

Na rysunku 9 przedstawiono zmianę koncentracji kropel w funkcji zmian nadciśnienia przed rozpylaczem. V tym prz*ypadku koncentrację określa się jako;

(6)

Z. L e s z o z y ś s k i

0

Rys. 7. Zmiana objętości rozpylonej cieczy wzdłuż promienia rozpy

lonej strugi

r ( m ] Promieniowy rozkład średnich średnic kropel

ffdzie: £

F

i i i . £

F

- suma powierzchni rzutu wszystkich kropel na płaszczyznę pomiarową,

- powierzchnia całej ń P : 1 0 5 [ P J

Rys. 9* Zmiana koncentracji kropel w zależności od spadku nadciśnie

nia przed rozpylaczem

(7)

B a d a n i a s t r u k t u r y r o z p y l o n e j s t r u g i o i e o z y . 305

3» Zakończenie

Analizując przedstawione wyniki badań można stwierdzić, eo następuje:

1. Metoda holografii posiada wiele zalet, a mianowicie daje obraz przestrzenny, z którego można uzyskać każdą ilość informacji, pozwala na wielokrotne odtwarzanie “zamrożonego" obrazu kropel i zapewnia wysoką dokładność pomiaru ( powtarzalność wyników).

2. Jednym z największych problemów metod fotograficznych, a wśród nich i metody holograficznej jest określenie wymiarów kropel. Krople widoczne na monitorze - chociaż dosyć ostre - jednak sprawiają trudność przy określaniu ich zarysu, gdyż kontur ich zlewa się z tłem. Szczególnie trudne jest wyszukiwanie kropel o małych wymiarach, gdyż giną one w tle hologramu.

3. Metoda holografii, jak każda z metod fotograficznych, ma również pewne ograniczenia, do których zaliczamy:

- wielkość mierzonych kropel od 2 jim, - prędkość ruchu kropel do około 100 m/s,

3 5 3

- maksymalna koncentracja kropel w granicach 10 + 10 /cm bądź ił < 0

,

1

,

- głębokość holografowanej próbki 5 ♦ 20 om.

ii. Ze względu na czasochłonność i zmęczenie wzroku dla usprawnienia badań konieczne jest stosowanie zautomatyzowanego układu zliczania kro

pel. Często do pomiaru kropel używa się przyrządu zwanego ąuantimetrem, który jednak jest mało przydatny ze względu na zbyt małą ostrośó anali

zowanych obrazów.

5. Ważną zaletą w badaniach holograficznych jest możliwość zastosowa

nia holografii dwuimpulsowej — można wtedy dokonywać badań dynamiki ru

chu kropel, a więc określić prędkości k r o p e l ,trajektorie kropel itp.

Pierwsze próby dla naszego użytku zostały wykonane i dalej będą kontynu

owane, pozostaje tylko problem interpretacji wyników.

Literatura

[1] Doskonalenie metod i urządzeń do badania transportu masy i energii z uwzględnieniem warunków niestacjonarnych ( Proca zbiorowa) Archiwum

Prac IMP - 823 i IMP - 81*5- Politechnika Łódzka 1982 i 1983 r.

Orzechowski Z.: Rozpylanie cieozy. WNT, Warszawa 19?ó.

[

3

] Pluta M. (red.): Holografia optyozna. PWN, Warszawa 1980.

M

BbiKoa B.H. Jl&BptHTbce M. M3Mepenne cKopocreu K arem

s

P.ayxpa.$noM

noroKe • MH^cenepno-<pu3MvecKHti ou.yp»an 13721. Hoadpt tom f W N?5.

(8)

306

Z. Leszczyriski

nfirMiKJlOBAHUfl CTP/KTyPi» PACIIHJtEHHOid CTPyH KHjiKOCIH HPil MCnOJlb3OiAHH]0 TOMOrPAiHH

P e 3 d m e

E paSoie yKa3aHQ onocoS onpeAejiem«

u

pe3yjibiaiK H3MepeHHa Heicosopax aa- paMerpoB MHKpocTpyKiypH pacniuieHHoa CTpya k h a x o c t h. HaMepeHH

a

MHxpocipyjciy- pti CAeaaao H3noai30Baeica roMorpa$HaeoKHft MeiOA. >'Ka3aHo

buvoau

BHBaxajMiHe o aioit MeioAH, a raxie HeKoiopue rpyABocTH bthx HOCjreAoBaHHfi»

INVE S TI GA TI O N OF MI CR O S T R U C T U R E OF L U Q U I D S PRAY BY H OL OG R A P H I E M E T H O D

S u m m a r y

T he d e scription method of some liquid spray m ic r os tr uc t ur e parameters and results of m e as ur e me nt s are presented. Th e mea su r em en ts were perfor

med by bolographie method. Some advantages and di ff i culties of presented experimental method are emphasized.