Приборы и техника эксперимента, 2019, № 5, стр. 150-152

Разработан лазерный анализатор капель в облаках и в двухфазных турбулентных выбросах со скоростью до 300 м/с, предназначенный для дистанционного измерения оптической плотности капель D = lg(I₀/I) и поверхностной концентрации S = π〈d²〉n мелких и крупных капель, а также их стандартного отклонения σ(D) и σ(S). Здесь I₀ и I – соответственно интенсивность лазерного излучения без и в присутствии капель, 〈d²〉^0.5 – их среднеквадратичный диаметр, n – счетная концентрация [1, 2].

Лазерный анализатор капель содержит (рис. 1) два параллельных измерительных канала I и II для одновременного измерения поверхности соответственно мелких и крупных капель, а также инерционный сепаратор III крупных капель, установленный на входе аэрозольного потока в канал I. Каждый измерительный канал включает в себя систему подвески 1 на тросе или мачте на высоте до 50 м, полупроводниковый лазер 2 с коллиматором в зоне анализа 3 капель, фотодиод 4 с коллиматором для регистрации излучения, электронный блок 5 для управления излучателем 2 и приемником излучения 4 с системой оцифровывания и передачи сигнала с помощью витой пары к удаленному компьютеру. Прямоугольный корпус 6 выполнен в виде швеллера из пластика или металла и имеет прямоугольное отверстие для конвективного двухфазного потока капель и воздуха в зону анализа 3. Сепаратор III содержит прямоугольный канал 7 постоянного сечения с установленным в нем пористым цилиндром 8 для поперечного обтекания аэрозольным потоком. Для длительной эксплуатации и устранения возможного осаждения капель на поверхность линз объективов лазеров и фотодиодов предусмотрена система их обдува чистым воздухом.

Рис. 1.

Схема двухканального лазерного анализатора капель (а) и фотография фрагмента зоны оптического анализа капель (б).

Пористый цилиндр 8 диаметром D, равным ~3.5 см, из волокнистого полиэстера предназначен для инерционного улавливания крупных капель c впитыванием жидкого фильтрата внутрь пористой структуры для устранения их срыва с поверхности цилиндра и дробления воздушным потоком с образованием вторичных капель. Емкость его пористой структуры для поглощения жидкого фильтрата превышает 2 г/см.

При обтекании цилиндра 8 эффективность захвата крупных капель c траекторией движения, близкой к прямолинейной, составляет Е ≈ 100%. Основным параметром, определяющим инерционное осаждение более мелких капель, является число Стокса Stk = τV/D. Здесь τ ≈ ρ_кd ²С/(18η) – время релаксации капли, для которой сила сопротивления среды определяется формулой Стокса [1, 2]; V – скорость газа вдали от цилиндра; ρ_к – плотность жидкости капли; d – ее диаметр; С – поправка Каннигема на скольжение газа; η ≈ 1.8 ⋅ 10^–4 П – динамическая вязкость воздуха при 20°С; ρ ≈ 0.00129 г/см³ – его плотность при той же температуре. Отметим, что при числе Рейнольдса Re = ρDV/η > 1000 размер пограничного слоя составляет ~D/(2(Re)^1/2), а эффективность Е ≈ 50% при Stk = 1.6. Если Stk > 10, влияние пограничного слоя незначительно и E ≥ 90% [1, 2]. Критическое число Стокса с учетом пограничного слоя равно ≈0.25 [1, 2].

Согласно теории рассеивания плоской электро-магнитной волны [1, 3], половина ослабления падающего на однородную крупную сферу ($d \gg \lambda $) потока энергии обусловлено дифракцией волн длиной λ на ее контуре, а другая – рассеиванием за счет отражения и поглощения. Известно [1, 3], что ослабление излучения в дисперсной среде, согласно закону Ламберта–Бугера–Беера, можно рассчитать по формуле I = I₀exp(–КL), где К – объемный коэффициент ослабления. Это справедливо при однократном рассеянии света каплями или в случае, когда его многократным рассеиванием можно пренебречь, а также при расстоянии между каплями более (4–5)d и для достаточно большого числа рассеивателей $nL\pi d_{1}^{2}{\text{/}}4 \gg 1$ в оптической зоне 3 диаметром d₁ и длиной L [3]. Коэффициент К = F(Z, d/λ)(S/4), где Z = πdd₁/(2λL), а F(Z, d/λ) – функция, которая учитывает индикатрису рассеивания излучения каплями и размеры анализатора [3].

При Z → 0 или 1 значения F(Z, d/λ) → 2 или 1.5 соответственно. В случае $Z \gg 1$ функция F(Z, d/λ) → 1, и выраженное через поверхностную концентрацию капель ослабление света составит I ≈ I₀exp (–SL/4). Для полидисперсных капель D = = SL/9.2, а их массовая концентрация М = Sρd*/6 в приближении, что вклад от каждой из групп капель в D аддитивен. Здесь d* = 〈d³〉/〈d²〉 и 〈d³〉^1/3 – средний массовый диаметр капель [1–3].

Анализатор имеет следующие основные характеристики. Его быстродействие составляет 5–10 мкс, диапазон измерения D ≈ 0.03–3.5, а максимальная измеряемая концентрация капель S ≤ 150–200 м²/м³ при их объемной концентрации < 0.1 об. % и длине оптической зоны L = 15–27 см. Лазерный анализатор устойчив к воздействию магнитного поля с напряженностью до 200 А/м и промышленной частотой 50–60 Гц, выдерживает избыточное давление во фронте ударной волны до 10⁵ Па, а также скоростной напор воздуха до 300 м/с. Анализатор позволяет измерять температуру газа от –100 до 60°C термопарой хромель–алюмель с быстродействием ≤0.15 с, а также определять соотношение поверхностных концентраций S относительно мелких, с d < 10–20 мкм, и более крупных капель.

Лазерные анализаторы капель использовались для исследования биологически активных капель солей галогенидов щелочных металлов (NaCl, KI, KBr, KCl и т.п.) для галотерапии [4], мониторинга турбулентных двухфазных струй в атмосфере и внутри помещений, а также при анализе субмикронных капель для испытания аэрозольных фильтров, согласно ГОСТ P 51251-1999.

На рис. 2 приведены измеренные значения поверхностной концентрации мелких и крупных капель с d ≈ 1–4000 мкм от времени t при распылении раствора глицерина (С₃Н₈О₃) c массовой концентрацией KI порядка 2 масс. % модифицированным распылителем ЭКРП-600/0.8 с расходом воздуха ~5 л/с и концентрацией капель 200–220 г/м³. Скорость аэрозольного потока перед цилиндром 8 составляла V ≈ 12–13 м/с. Кривые 1^II и 2^I соответствуют суммарным значениям поверхностной концентрации S соответственно мелких и крупных капель в каналах II и I без цилиндра 8. Среднеарифметические значения поверхностной концентрации в каналах I и II совпадали и были равны 〈S^II〉 ≈ 4.25 м²/м³ при σ^II(S) ≈ 0.5 м²/м³ и величине dS/dt < 1 м²/(м³ · с). Среднее арифметическое время флуктуаций удельной поверхности капель 〈t〉 ≈ 20 ± 1 мс, а их стандартное временное отклонение σ(t) ≈ 15 ± 1 мс за время распыления 600 с. Это позволяет сделать вывод о стабильной генерации биоактивных капель. Кривая 1^I соответствует значениям поверхностной концентрации мелких капель после сепарации крупных капель пористым цилиндром 8 перед каналом I. В этом случае 〈S^I〉 = 1.65 м²/м³ и σ^I(S) = 0.58 м²/м³, соответственно отношение 〈S^II〉/〈S^I〉 составляет 2.58. Мелкие капли с d ≤ 15 мкм и τ ≤ 0.0007 с практически не осаждались на цилиндре, так как их число Стокса Stk ≤ 0.25. Для более крупных капель, с d = 40 и 100 мкм, Stk = 1.6 и 10.3, а эффективность Е ≈ 50 и 90% соответственно. В результате доля поверхности мелких капель, с d < 15 мкм, составила < 30–32% [1–3]. Это согласуется с данными инерционного анализа капель глицерина импактором с круглыми соплами и дисковыми подложками [1, 2].

Рис. 2.

Измеренные значения поверхностной концентрации S мелких и крупных капель с d ≈ 1–4000 мкм от времени t при распылении раствора глицерина (С₃Н₈О₃) c массовой концентрацией KI порядка 2 масс. %. 1^II и 2^I – суммарные значения поверхностной концентрации S соответственно мелких и крупных капель в каналах II и I без цилиндра 8; 1^I – поверхностная концентрация мелких капель после сепарации крупных капель пористым цилиндром 8 перед каналом I.

Разработана сеть лазерных анализаторов с передачей данных каждые 5–10 мкс в компьютеры, удаленные на безопасное, до 1200 м, расстояние от анализируемого облака. Собранная информация непрерывно поступает на сервер по оптоволоконной линии длиной до 10 км с сетевым интерфейсом 100 Мбит Ethernet. Программное обеспечение позволяет сохранять данные в компьютере сервера.

В процессе мониторинга помещений анализировалась оптическая плотность воздуха, содержащего капли диаметром 0.1–1 мкм из смеси глицерина и пропиленгликоля (С₃Н₈О₂) электронных сигарет марки Х6-E, а также частицы дегтя и смолы различных табачных сигарет, имеющие выпуклую и вытянутую форму или частично состоящие из агрегатов размером от 0.01 до 1.5 мкм. Показано, что оптическая плотность воздуха флуктуировала в диапазоне D ≈ 0.03–3 в зависимости от времени и места анализа. Соответственно S ≈ 1–100 м²/м³, и концентрация субмикронных капель составила n ≈ 10¹²–10¹⁴ штук/м³. Отметим, что полученные значения n согласуются с величинами концентрации, измеренными путем униполярной зарядки капель газовыми ионами коронного разряда и последующего измерения токов переноса заряженных частиц [1, 2].

Быстродействующая сеть лазерных анализаторов капель с визуализацией на местности системой ГЛОНАСС-GPS использовалась при проведении масштабных экспериментов, связанных с моделированием аварий в системах хранения топливных жидкостей массой несколько сотен тонн. В результате при импульсном распылении жидкостей из емкостей хранения в атмосферу была измерена поверхностная концентрация мелких и грубодисперсных капель диаметром от 5 до 5000 мкм. Установлены временные особенности высокоскоростных, до 300 м/с, двухфазных, затопленных струй диаметром до 15–20 м, длиной более 100 м и объемом > 10⁴ м³.

Быстродействующая сеть лазерных анализаторов капель может быть использована в технологии галотерапии, для мониторинга двухфазных выбросов и облаков капель в атмосфере и внутри помещений, а также в системах экологического контроля нефтегазовых объектов.