Приборы и техника эксперимента, 2019, № 4, стр. 158-159

Лазерный анализатор предназначен для определения скорости турбулентных струй при мониторинге двухфазных выбросов и облаков капель углеводородов, а также других веществ путем измерения времени прохождения аэрозольным фронтом расстояния L между двумя параллельными лучами полупроводниковых лазеров.

Анализатор (рис. 1) имеет крепление 1 для его подвески на мачте или тросе и состоит из двух состыкованных корпусов 2 и 3 из швеллеров с прямоугольными отверстиями для прохождения потока аэрозольных частиц в двухканальную зону оптического анализа 7 длиной Z = 15–54 см, а также из электронного блока 4. Последний предназначен для анализа сигнала термопар хромель–алюмель, управления лазерами 5 и 6 и синхронного детектирования сигналов приемников излучения 8 и 9, оцифровывания данных и передачи их по витой паре к удаленному компьютеру, подключенному через оптоволоконную линию к серверу. Зона анализа 7 освещается параллельными плоскими лучами I и II шириной около 2 мм от лазеров 5 и 6. Расстояние L между лучами варьируется от 9 до 15 см.

Рис. 1.

Схема лазерного анализатора скорости аэрозольных потоков (а) и фотография двухканальной зоны анализа с лазерами и фотодиодами (б). Q – анализируемый аэрозольный поток в оптическую зону.

При попадании аэрозоля в оптическую зону ослабление света обусловлено дифракцией волн, их рассеиванием за счет отражения и поглощения [1, 2]. Скорость V аэрозольного потока рассчитывается по формуле как V = L/τ, где τ – время прохождения аэрозольным потоком расстояния L между лазерными лучами I и II. Величина τ регистрируется по изменению интенсивности света, измеряемого фотодиодами 8 и 9.

Диапазон измерения скорости V составляет от 1 до 200 м/с; температура двухфазного потока определяется с помощью термопары с быстродействием 0.15 с; оптическая плотность D = lg(I₀/I) ≤ 3.5; удельная поверхностная концентрация крупных капель S = π〈d²〉n = 9.2D/Z ≤ 150 м²/м³ при температуре Т ≤ 55°С [1, 2]. Здесь I₀ и I – интенсивности излучения в отсутствие и в присутствии капель, 〈d²〉 – средний квадрат диаметров капель, n – их концентрация. Быстродействие системы измерения и передачи сигналов 5–10 мкс.

Анализатор устойчив к воздействию магнитного поля до 2 Э и промышленной частотой до 50–60 Гц, выдерживает избыточное давление во фронте ударной волны до 10⁵ Па и напор воздуха до 300 м/с.

Анализатор использовался при работе с модельными системами и для анализа облаков и высокоскоростных выбросов в атмосферу двухфазных турбулентных струй капель воды и топливных жидкостей длиной до 100 м и объемом >10⁴ м³.

При наблюдении падающих со скоростью V ≈ ≈ 1–2 м/с шариков из свинца или силумина диаметром 4.5 мм измеренные скорости их падения практически совпали с расчетными значениями и с видеоданными измерений. Сигналы анализатора при прохождении между лучами I и II такого шарика при выстреле из пневматического пистолета приведены на рис. 2. Измеренное значение V ≈ 148 ± 5 м/c согласуется с паспортными данными и с результатами видеоанализа.

Рис. 2.

Временная зависимость напряжения U на фотодиодах 8, 9 при регистрации лучей I и II соответственно в процессе движения шарика из пневматического пистолета через оптическую зону длиной Z  = 27 см, время пролета шариком расстояния L ≈ 10 см составляло τ ≈ 676 мкс, его скорость V ≈ 148 ±5 м/c.

Измеренная скорость турбулентного аэрозольного потока на расстоянии 10–15 см от сопла пневматического генератора ЭКРП-600/0.8 составила V ≈ 11.4 м/c. Это согласуется с измеренной термоанемометром скоростью аэрозольного потока (~11–12 м/c). Диаметр относительно крупных капель воды равен 50–2000 мкм, а их массовая концентрация – 200–220 г/м³ при расходе воздуха 3 л/с.

Разработана сеть лазерных анализаторов скорости для сканирования аэрозольных выбросов в атмосфере по их объему. Анализаторы устанавливались на мачтах или тросах на высоте до 50 м. Экспериментальные данные передавались в компьютер, удаленный от облака на расстояние 600–1200 м и подключенный к серверу оптоволоконной линией длиной до 10 км. Сеть была использована при экспериментах с моделированием аварий в системах хранения опасных жидкостей. Измерялась скорость движения турбулентного потока капель диаметром ~50–3000 мкм при импульсном диспергировании нескольких сотен тонн керосина с образованием в атмосфере затопленной двухфазной струи [3] объемом >10⁴ м³, диаметром <20 м и длиной 80–100 м при скорости ветра 1–4 м/с и Т = 28°С. За время измерений от 0.4 до 2 с скорость на оси струи флуктуировала от 5 до 50 м/с со стандартным отклонением ~9.8 м/c и среднеарифметическим значением 20.5 м/c. Полученные результаты согласуются с видеоданными наблюдений о распространении аэрозольного фронта в процессе диспергирования жидкости. Измеренные величины D и S пульсировали соответственно от 0.1 до 3.5 и от 5 до 150 м²/м³.

Анализаторы позволили измерить скорость испарения при импульсных выбросах капель сжиженного природного газа с d ≈ 1–5 мм в атмосферу при конвективном теплообмене с воздухом при Т = 20–25°С. Показано, что классические теории испарения Ленгмюра и Максвелла, а также Мейсона с учетом подвода тепла к капле за счет молекулярной теплопроводности [1] не описывают экспериментальные данные.

Сеть лазерных анализаторов аэрозольных потоков с временем быстродействия 5–10 мкс может быть использована для мониторинга атмосферы и контроля экологической безопасности объектов нефтегазовой индустрии, а также для обоснования выбора инженерных моделей при описании турбулентного движения двухфазных затопленных струй [3].