Н. В. ПЕТРОВ
Научный руководитель – СТАСЕЛЬКО Д. И., д. ф.-м. н.
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
ПОСТРОЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТЕЙ МИКРОЧАСТИЦ В ПОТОКЕ ГАЗА
Представлена программа обработки последовательных серий изображений треков быстролетящих частиц размерами 30-40 мкм в высокотемпературных газовых потоках, полученных при помощи камеры «Наноскан» с временным разрешением 10 нс. С помощью этой программы на основе экспериментальных данных, полученных на стенде МВТУ, найдены радиальные распределения частиц по скоростям и концентрациям, необходимые для оценки эффективности воздействия таких потоков на обрабатываемые поверхности при нанесении твердых покрытий и резке образцов.
Методы изучения параметров частиц в потоках по обработке их индивидуальных изображений (particle image velocimetry), основаны обычно, на подсветке частиц двумя короткими лазерными импульсами с регулируемым временным интервалом между ними [1], [2]. При высокой температуре потоков, становится возможным регистрировать изображения движущихся световых частиц в виде треков, с помощью современных ПЗС-камер, сопряженных с высокоскоростными оптическими затворами, регулирующими длительность экспонирования. Такая форма изображения, а так же равномерный средний уровень фона значительно улучшает условия распознавания индивидуальных изображений частиц, хотя ограниченная яркость их свечения снижает отношение сигнал/шум у изображения. Применительно к рассматриваемой задаче изучения высокотемпературных ( К) высокоскоростных (500-700м/с) потоков невысокие значения отношения сигнал/шум (2-5) получаемых в эксперименте изображений потребовали разработки специализированной программы с использованием необходимых указаний оператора на ключевых стадиях обработки.
Для реализации необходимого программного алгоритма, удовлетворяющего условиям задачи, была использована многофункциональная среда National Instruments Labview, основанная графическом языке программирования «G», в паре со специализированным графическим модулем National Instruments IMAQ Vision. Первая позволяет осуществлять все необходимые действия с полученными из изображения данными, второй представляет собой обширный набор библиотек средств обработки и анализа изображений.
Обрабатываемые изображения треков частиц представляют собой наборы широких горизонтальных сфокусированных и расфокусированных полос различной длины, зачастую накладывающихся друг на друга. Исходные изображения имеют очень малый контраст, и требуют дополнительного высветления, что приводит к существенному разбросу по среднему значению интенсивности для каждой из частиц. Поэтому реализация полностью автоматического алгоритма выявления частиц для дальнейшего анализа, посредством пороговой обработки (treshold) становится крайне затруднительной, а расфокусировка и наложение изображений дополнительно усложняет данную задачу. В связи с этим, было решено производить выборку частиц для распределения в полуавтоматическом режиме. Пользователем обозначаются примерные области, в которых находятся изображения треков, а программа уже точно определяет их размер и координаты. Реализация такого алгоритма внутри цикла по условию, позволила исключить влияние частичного наложения изображений частиц друг на друга и использовать информацию от довольно сильно расфокусированных изображений частиц. Дальнейшая обработка данных заключается в выборке длин и координат треков частиц, соответствующих областям, заданным пользователем, с их последующей перекомпоновкой для построения распределений. Реализованы возможности различных усреднений – по интервалу скоростей, по вертикальной координате в радиальном распределении. Подсчет количества частиц в выбранной области позволяет оценить их концентрации.
В результате обработки 200 кадров с изображениями частиц установлено, что изученная струя содержит широкий спектр скоростей частиц, которые хорошо описываются гауссовым распределением с максимумом около 600 м/с и полушириной 106 м/сек. .Достигнутое на практике время обработки одного массива данных достаточно для приемлемого представления результатов и позволяет с помощью данной программы оперативно оценивать результаты эксперимента и принимать решение по его дальнейшему проведению в реальном времени.
Список литературы
1. Grant I. (1997): Particle Image Velocimetry: review, Proc. Institution of Mechanical Engineers, 211 Part C:55–762.
2. Lourenco L; Krothapalli A; (1995): On the accuracy of velocity and vorticity measurements with PIV. Exp Fluids 18:421-428.
