Спосіб визначення еквівалентного діаметра краплі палива в процесі випаровування і горіння

Реферат: Спосіб визначення еквівалентного діаметра краплі палива в процесі випаровування і горіння включає реєстрацію краплі цифровою відеокамерою. Потім обробляють її зображення на комп'ютері. Еквівалентний діаметр краплі визначають через площу поверхні краплі в кожний визначений момент часу, яку знаходять по формулі для площі фігури обертання півконтуру краплі навколо вертикальної осі. UA 104816 U (12) UA 104816 U UA 104816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до вимірювальної техніки, а саме до вимірювання лінійних розмірів крапель рідкого палива у процесі їх випаровування і горіння, і може бути використано в дослідно-випробувальних лабораторіях підприємств паливно-енергетичного комплексу для визначення характеристик горіння рідкого палива. Для зменшення викидів шкідливих продуктів згорання в атмосферу необхідно використовувати нові екологічно чисті види палива, такі як етанол, метанол, біопаливо, парафін. Для ефективного спалювання рідких та легкоплавких палив необхідно знати їх теплофізичні властивості, а також константи швидкості випаровування і горіння окремих крапель у широкому діапазоні початкових розмірів при різних температурах оточуючого середовища. Експериментально отримані значення констант швидкості випаровування і горіння значною мірою залежать від методики вимірювання лінійних розмірів крапель, а також характеристик вимірювального устаткування. Аналіз вітчизняних та закордонних публікацій свідчить, що на сьогодні немає єдиного загальновизнаного способу визначення еквівалентного діаметра краплі в процесі випаровування і горіння. Науковці вибирають методики вимірювання залежно від мети дослідження та наявного обладнання, і тому дані, що отримані в різних лабораторіях, можуть помітно відрізнятися. Таким чином, існує попит на коректний спосіб визначення розмірів крапель, який дасть змогу підвищити точність розрахунків констант швидкостей випаровування і горіння. Найбільш поширені способи визначення розмірів краплі, що базуються на відеореєстрації крапель та обробці отриманих зображень. Як відомо, крапля в умовах невагомості має сферичну форму, тому її діаметр дорівнює діаметру круга, який є проекцією краплі на площину зображення. Але форма краплі, яка випаровується і горить в гравітаційному полі або в конвекційних потоках, може помітно відрізняться від сферичної. До того ж вона залежить від маси краплі, тому змінюється в процесі горіння і випаровування. Для характеристики лінійних розмірів краплі довільної форми застосовують так званий еквівалентний діаметр. Оскільки швидкість процесів випаровування і горіння пропорційна площі поверхні краплі, еквівалентний діаметр визначають як діаметр кулі, площа поверхні якої дорівнює площі поверхні досліджуваної краплі. Досягнутий рівень техніки в галузі визначення еквівалентного діаметра краплі у процесі випаровування і горіння характеризують наступні публікації. Інколи дослідники нехтують відхиленням форми краплі від сферичної та вважають, що діаметр краплі дорівнює її максимальному розміру у горизонтальному перерізі. Саме так зроблено в роботі канадських вчених, які досліджували випаровування водяних крапель (A.J. Н. McGaugheya, С.A. Ward. Temperature discontinuity at the surface of an evaporating droplet // J. of Applied Physics. - 2002. V. 91, N 10. - P. 6406-6415). Оскільки краплі були немаленькі (початкові діаметри від 1,0 мм до 1,7 мм) і мали витягнуту форму, дослідники оцінили похибку визначення площі поверхні краплі і визначили, що вона складає близько 5 % для крапель з розмиром 1,0  1,5 мм. Не вказано, яким чином здійснювали цю оцінку, але можна зробити висновок, що такий спрощений підхід виправдано, якщо не потрібна висока точність або для субмікронних крапель, які є майже сферичні. Більш поширеним є другий спрощений метод, що складається з вимірювання лінійних розмірів на зображенні краплі у двох перпендикулярних напрямах (по вертикалі та горизонталі, або уздовж осей, розташованих під кутом 45° до вертикальної осі), та знаходження середнього арифметичного значення цих розмірів. Отримане значення вважають ефективним діаметром краплі. Саме такий спосіб було використано на кафедрі теплофізики для дослідження випаровування крапель в електричному полі (Чесноков М.Н., Казакова И.Н., Грызунова Т.В., Андрианова И.С. Испарение капель водних растворов натрий-хлор в электрическом поле // Физика аэродисперсных систем. - Вып. 39. - 2002. - С. 170-176.). Цей спосіб є досить простим і зручним, але методична похибка визначення діаметра краплі може бути значною. Така спрощена процедура широко використовувалася раніше, коли обробка даних від аналогових приймачів випромінювання (фотоматеріали або фотодіоди) була досить трудомісткою. На сьогодні такий підхід не виправданий. Використання цифрових відеокамер створює базу для коректного визначення еквівалентного діаметра та зменшення методичної похибки вимірювань шляхом комп'ютерної обробки отриманих зображень. Оскільки форма крупних крапель помітно відрізняється від сферичної, дослідники часто використовують більш точне еліптичне наближення. Так, в статті вчених зі Сполучених Штатів (C.L. Dembia, Yu-Cheng Liu, С. Т. Avedisian. Automated data analysis for consecutive images from droplet combustion experiment // Image Analysis & Stereology. - 2012. - V. 31. - P. 137-148) описано алгоритм автоматизованої обробки зображень палаючих крапель. Автори вказали, що форма крапель відрізняється від сферичної навіть в умовах невагомості на початковому етапі вільного 1 UA 104816 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 падіння камери згорання, а також в момент запалення краплі, тому еліптичне наближення є більш коректним. Тоді ефективний діаметр краплі визначається як середнє геометричне її розмірів уздовж великої і малої осей еліпса. Створено алгоритм автоматизованого визначення розмірів палаючих крапель, зображення яких частково перекрито випромінюванням часток сажі. Алгоритм складається з двох етапів: 1) визначення координат пікселів, що лежать на контурі краплі; 2) чисельний підбір рівняння кола або еліпса, які щонайкраще описують визначені точки. Далі, виходячи з отриманого рівняння, знаходять еквівалентний діаметр краплі. Найближчим аналогом є спосіб розроблений ізраїльськими дослідниками, який базується на відеореєстрації крапель та комп'ютерної обробки отриманих зображень (I. Aharon, V. К. Tam, and В. D. Shaw. Combustion of Submillimeter Heptane/Methanol and Heptane/Ethanol Droplets in Reduced Gravity// Journal of Combustion. - 2013). За допомогою цього способу було вивчено горіння окремих крапель сумішей гептану із етанолом та метанолом у невагомості. Дослідження горіння крапель здійснювали у вільно падаючій камері згорання (час падіння 2,2 секунд) в науково-дослідницькому центрі NASA (місто Клівленд, штат Огайо). Краплю, початковий діаметр якої не перевищував 1 мм, підвішували на тонку нитку з карбіду кремнію. Потім її підпалювали іскровим розрядом між двома симетрично розташованими електродами. Відразу після спалахування електроди відводилися від краплі. Палаюча крапля та її факел реєструвалися двома швидкісними кінокамерами Milliken: крапля з частотою 375 кадр/сек, а полум'я з частотою 125 кадр/сек. Водночас краплю і полум'я фотографували двома CCD камерами. Отримані кадри оцифровували і обробляли на комп'ютері за допомогою інструментарію Image Processing Toolbox пакету MATLAB. Було написано спеціальну програму обробки зображень, яка включала такі операції: 1) поворот кадру, щоби зображення нитки було розташовано горизонтально; 2) кадрування, тобто обрізання зображення; 3) перетворення півтонового зображення краплі у бінарне з порогом бінаризації, визначеним по методу Otsu; 4) розрахунок еквівалентного діаметра бінарного зображення краплі згідно з формулою для площі круга. Описаний спосіб дозволяє обробляти значні масиви експериментальних даних завдяки розробленого алгоритму автоматизованої обробки зображень. Суттєвим недоліком даного методу є обмеженість сфери застосування, оскільки його коректно використовувати тільки для сферичних крапель. Якщо краплі не є сферичними, то методична похибка визначення діаметра є значною. Задачею корисної моделі, є розробка коректного способу визначення еквівалентного діаметра крапель довільної форми у процесі випарування і горіння, що досягається завдяки технічному ефекту за рахунок точного визначення площі поверхні краплі шляхом комп'ютерної обробки зображень краплі. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб визначення еквівалентного діаметра краплі палива в процесі випаровування і горіння, який полягає в тому, що краплю реєструють цифровою відеокамерою та обробляють її зображення на комп'ютері, згідно з корисною моделлю, що еквівалентний діаметр краплі в кожний визначений момент часу визначають через площу поверхні краплі, яку знаходять по формулі для площі фігури обертання півконтуру краплі навколо вертикальної осі. Здійснюють спосіб наступним чином із застосуванням експериментальної установки (Фіг. 1): парафін нагрівають до плавлення на водяній бані, потім шприцом краплю (3) навішують на підвіс (2) штатива (1). Підпалювання краплі здійснюють за допомогою котушки Румкорфа (4). Палаючу краплю реєструють камерою Trust WB-1400T (5), скрізь об'єктив мікроскопа (6) зі збільшенням х16. Відеофайли з камери передають безпосередньо на комп'ютер (7), де обробляють згідно з розробленим алгоритмом, який включає такі операції: 1) зчитування кадру; 2) обрізання зображення для прискорення подальшої обробки; 3) медіанна фільтрація зображення для зменшення рівня шумів; 4) підвищення контрастності зображення; 5) перетворення зображення з півтонового у бінарне; 6) вертикальний розтин бінарного зображення краплі навпіл; 7) виділення півконтуру зображення краплі; 8) апроксимація півконтуру поліномом; 9) розрахунок площі поверхні обертання графіку знайденого полінома навколо осі абсцис; 10) визначення еквівалентного діаметра краплі в пікселях через площу поверхні обертання; 11) для перерахунку отриманої величини діаметра в міліметри, використовують відоме значення діаметра підвісу. 2 UA 104816 U На Фіг. 2 наведено приклад обробки зображення краплі: зображення краплі отримане за допомогою камери скрізь об'єктив мікроскопа; бінарне зображення краплі; півконтур краплі; півконтур краплі у вигляді графіку, виходячи з якого розраховують площу поверхні обертання. Еквівалентний діаметр Deg визначають згідно з відомою формулою для діаметра сфери з 5 площею поверхні S : 1/ 3  6S  Deg       . По знайдених значеннях діаметра краплі Deg в послідовні моменти часу t розраховують константу швидкості процесу горіння і випаровування наступним чином: будують графік залежності квадрату діаметра від часу t . Як правило, залежність D 2 ( t ) близька до лінійної eg 10 функції: D2 ( t )  D2 (0)  Kt де K є константа швидкості випарування або горіння. Таким чином, eg eg маємо: K 15 D 2 ( t )  D 2 ( 0) eg eg . t Випробування запропонованого способу здійснювалося в лабораторії НДЛ-5 Одеського національного університету імені І.І. Мечникова. В таблиці наведено значення еквівалентного діаметра палаючої краплі октадекану в послідовні моменти часу, які знайдено корисною моделлю та найближчим аналогом. Таблиця t, сек D, піксель прототип D, піксель пропонов. δD, % 20 25 30 35 40 45 9,05 9,29 9,45 9,61 9,77 9,93 10,01 10,17 50,4 48,8 48,2 46,6 46 44,8 44,7 43,2 46 45 44,3 42,8 42,1 40,8 40,3 39,2 9,6 8,5 8,8 8,9 9,3 9,8 10,6 10,2 На Фіг. 3 наведено графіки залежності D 2 ( t ) , де графік A побудовано за найближчим eg аналогом, а графік Б з використанням пропонованого способу. По нахилу графіків отримано такі 2 2 значення константи швидкості горіння октадекану: А) K=6*10 кв. пікс./сек; Б) K=5,3*10 кв. пікс./сек. Таким чином, встановлено, що використання запропонованого способу дозволяє уникнути методичної похибки визначення еквівалентного діаметра, яка сягає 10 % при використанні найближчого аналога. Враховуючи, що похибка вимірювання часу незначна (δt