Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме
на правах рукописи
АХМАДЕЕВ ИГОРЬ РАДИКОВИЧ
Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса
техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме
Специальность: 01.04.01 – Приборы и методы
экспериментальной физики
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Бийск – 2008
Работа выполнена в Институте проблем химико-энергетических технологий
Сибирского отделения Российской Академии наук
| Научный руководитель: | доктор технических наук, профессор, Ворожцов Борис Иванович |
| Официальные оппоненты: | доктор физико-математических наук, профессор, Букатый Владимир Иванович |
| кандидат технических наук, Карих Владимир Петрович | |
| Ведущая организация: | Томский государственный университет |
Защита состоится «26» июня 2008 г. в 1000 ч., в ауд. 403 г.к. на заседании диссертационного совета Д 212.004.06 при Алтайском государственном техническом университете им. И.И. Ползунова, по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова
Автореферат разослан «___» мая 2008 г.
Ученый секретарь Д. Е. Кривобоков
Общая характеристика работы
Актуальность работы
На всех стадиях своего развития человек тесно связан с окружающим миром. Гидросфера, атмосфера и литосфера Земли в настоящее время подвергаются нарастающему антропогенному воздействию. Наиболее масштабным и значительным является загрязнение среды не свойственными ей веществами природы. Среди них - газообразные и аэрозольные загрязнители промышленно-бытового происхождения. Во многих технологических процессах образуются мелкие твердые или жидкие частицы, которые могут оказывать вредное воздействие на человека.
Часто в лабораторной практике требуется в реальном времени измерять процессы зарождения пылевого облака и его изменение во времени в ограниченном объеме (1…3 м3). Требования к оперативности контроля уровня загрязненности исключают применение известных методов оценки размеров частиц путем отбора проб.
Актуальность работы, таким образом, заключается в разработке оптического метода измерения дисперсного состава техногенного аэрозоля, что позволит создать мобильный экспресс-анализатор оценки динамики запыленности атмосферы жидкими и твердыми микрочастицами, способный провести анализ в заданном месте без влияния на измеряемый объект в любой момент времени.
Цель работы
Разработка бесконтактного метода измерения дисперсного состава аэрозоля во всем контролируемом объеме на основе закономерностей рассеяния излучения и создание лазерной установки для исследования генезиса техногенных загрязнений.
Задачи исследований
1. Обосновать выбранный за основу метод малоуглового рассеяния – метод анализа измеренной индикатрисы рассеяния.
2. Разработать математическую модель рассеяния зондирующего излучения в слое аэрозоля и на ее основе разработать метод определения функции распределения частиц по размерам.
3. Обеспечить аппаратурную и программную оснащенность метода: выбор источника зондирующего излучения, разработка блока регистрации излучения и создание программного обеспечения автоматизированной обработки измерительной информации.
4. Выбрать аппаратуру и устройства для апробации разработанной установки и имитаторов аэрозолей со стандартизированными свойствами.
5. Разработать методику проведения экспериментов.
6. Обеспечить экспериментальную проверку работоспособности метода и методики для оценки параметров аэрозолей различной природы.
Объектом исследования является метод измерения дисперсного состава аэрозоля, позволяющий без влияния на исследуемую среду в процессе ее генезиса производить оценку распределения частиц по размерам с высоким временным разрешением.
Методы исследования. Для решения поставленных задач при выполнении работы использовались как теоретические, так и экспериментальные методы. Теоретические исследования проводились путем математического моделирования взаимодействия лазерного излучения с рассеивающим слоем. Полученные экспериментальные результаты сравнивались с результатами, полученными с использованием измерительного микроскопа и ситового анализа. Исследования проводились в одной из экспериментальных лабораторий ИПХЭТ СО РАН (г. Бийск).
Научная новизна
1. Предложена новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от ограниченного слоя аэрозоля, позволяющая повысить информативность метода малоуглового рассеяния.
2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозолей, что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния.
3. Разработана и сконструирована схема лазерной измерительной установки, отличающаяся возможностью проведения анализа генезиса аэрозольных сред различной природы, начиная с момента их образования.
4. Экспериментально доказана возможность применения разработанного метода для всех жидких и твердых сыпучих материалов.
Практическая ценность состоит в возможности использования лазерной установки экспресс-анализа генезиса аэрозольных сред в лабораторной и промышленной практике для аналитического контроля техногенных загрязнений, а также для экологического мониторинга.
Реализация и внедрение
Разработанный метод и лазерная установка определения дисперсных параметров аэрозолей применяется при выполнении тематических работ в ИПХЭТ СО РАН. Модернизация лабораторной установки для малосерийного производства позволит внедрить установку для экспериментальных исследований в других организациях.
К защите представлены
1. Математическая модель рассеяния коллимированного лазерного излучения в ограниченном аэрозольном слое.
2. Метод и лазерная измерительная установка анализа генезиса дисперсного состава аэрозолей, позволяющая получить функцию распределения частиц различной природы по размерам в диапазоне от 1 до 100 мкм.
3. Методика проведения измерений.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
- корректностью постановки решаемых задач и их физической обоснованностью;
- применением современной высокоточной исследовательской техники, ее тщательной калибровкой;
- хорошим совпадением экспериментальных данных, полученных с помощью разработанного метода, с данными, полученными одновременно другими известными методами, а также воспроизводимостью полученных результатов.
Публикации
По материалам исследований диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, разработана методика измерений.
Апробация работы
Материалы работы обсуждались на научно-технических семинарах лаборатории физики преобразования энергии высокоэнергетических материалов и лаборатории материаловедения минерального сырья ИПХЭТ СО РАН, а также на различных конференциях, среди них: XII Joint International Symposium “Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Phisics” (Tomsk: Institute of Atmospheric Optics SB RAS, 2005); II International Workshop HEMs-2006, September 11-14, 2006, Belokurikha; II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века» (г. Бийск, сентябрь 2005 г.); Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов» (г. Бийск, сентябрь 2006 г.); V Всероссийская конференция «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики» (г. Томск, 3-5 октября 2006г.); XIII рабочая группа "Аэрозоли Сибири" (г. Томск, 28 ноября - 1 декабря 2006 г.).
Личный вклад
Автору принадлежат основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработка физико-математической модели взаимодействия лазерного излучения со слоем аэрозоля, метода и аппаратуры для экспресс-анализа дисперсности аэрозолей.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и двух приложений. Общий объем диссертации 86 страниц текста, диссертация содержит 29 рисунков, 8 таблиц, список литературы из 63 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность исследований, научная и практическая значимость полученных результатов, сформулирована цель работы, изложены основные выносимые на защиту положения, приведена краткая характеристика работы.
В первой главе рассмотрены основные зависимости, позволяющие описывать характеристики аэрозольных сред: средние диаметры и виды распределений частиц по размерам.
Анализируются методы и устройства измерения параметров аэрозольных сред. Выбираются оптические методы, применение которых возможно к задаче мониторинга аэрозольных сред различной природы.
В заключении главы сформулированы задачи исследования, стоящие перед автором, преимущества и недостатки рассмотренных оптических методов для контроля дисперсных параметров аэрозольных сред.
Во второй главе описывается физико-математическая модель модифицированного метода малоуглового рассеяния в ограниченном слое аэрозоля.
Для построения оптических моделей облаков аэрозолей и расчетов характеристик рассеяния выбираются соответствующие законы распределения частиц f(D). Для различных состояний облака аэрозоля вычисляются полидисперсные коэффициенты рассеяния для данных функций распределения по размерам, которые затем сравниваются с экспериментально измеренными значениями.
Рассмотрим модель, основанную на теории переноса излучения в виде узкого коллимированного пучка лазера через туман, облака и другие, сильно рассеивающие среды, на примере частного случая для рассеяния под малыми углами, представленную на рисунке 1. Предполагается, что концентрации и функции распределения частиц по размерам частиц в каждой точке слоя одинаковы.
Луч лазера Л распространяется через рассеивающий слой (облако аэрозоля) с границами 1 и 2, образуя на плоскости Д некоторую освещенность. В результате облученность плоскости Д будет определяться не только прямым лучом, ослабленным из-за поглощения и рассеяния, но и рассеянной частью излучения.
Рисунок 1 – Схема рассеяния луча лазера в слое аэрозоля
По закону Бугера, интенсивность падающего излучения на элементарный объем dv в точке P будет равна
 , | (1) |
где 
- интенсивность зондирующего излучения;
- оптическая толщина слоя;
- коэффициент ослабления потока излучения;
Cn – счетная концентрация частиц;
x – расстояние от границы 1 рассеивающего слоя до точки P.
Рассеянное излучение от одной частицы для области малых углов в предположении сферичности частиц определяется в виде аналитической зависимости, представленной в виде
 | (2) |
где 
– параметр дифракции (параметр Ми);
– угол рассеяния излучения;
D – диаметр частицы;
– длина волны зондирующего излучения;
J1() – функция Бесселя первого рода первого порядка.
Рассмотрим теперь случай, когда в единичном объеме dv заключено N одинаковых частиц. Рассеяние от элементарного объема в точке P, согласно формулам (1) и (2), будет равно
 . | (3) |
Падающее на плоскость Д рассеянное излучение будет определяться следующим выражением
 . | (4) |
Результат моделирования рассеяния от монодисперсных сред представлен на рисунке 2.
1 – D=5 мкм, 2 – D=10 мкм, 3 – D=30 мкм,
4 – суммарная интенсивность излучения
Рисунок 2 – Расчет интенсивности рассеянного излучения от частиц
разных размеров
Проведенное выше рассмотрение легко обобщить для случая полидисперсных систем. Под полидисперсными системами в данном случае понимается совокупность сферических частиц, отличающихся друг от друга только размерами и имеющих одинаковые оптические константы.
Полидисперсная индикатриса рассеяния для функции распределения f(D) определяется соотношением :
 | (5) |
Для области малых углов ядро интегрального уравнения (5) определяется в виде аналитической зависимости (2).
Из соотношений (2), (5) следует:
 | (6) |
Уравнения (5) и (6) описывают поток излучения, рассеянного под углом из единичного объема dv облака частиц. В соответствии со схемой (рисунок 1) необходимо учитывать излучение, рассеянное из каждой точки внутри аэрозольного облака вдоль зондирующего луча. При этом dv=Sdx, где S – площадь поперечного сечения луча лазера.
В предположении равномерности распределения концентрации и размеров частиц в аэрозольном облаке уравнение для рассеянного потока излучения, поступающего на плоскость Д, примет вид:
 | (7) |
где 
;
– интенсивность падающего в точку x излучения.
Для случая, когда коэффициент ослабления 
определяется только рассеянием в среде, т.е. коэффициент поглощения 
, он равен
Множитель B(x), учитывающий по закону Бугера ослабление рассеянного излучения, определяется соотношением
,
где 
.
Если взять слой аэрозоля в 1 м, а расстояние l2=1,5 м (рисунок 1), то рассеянное излучение от всего оптического пути до точки на плоскости Д будет падать под следующими углами (рисунок 3).
Рисунок 3 – График функции (x,y) для различных точек на
плоскости Д
В литературе показано, что если значение оптической толщины среды превышает 0,15, в обратных задачах теории рассеяния необходим учет многократных процессов.
При решении обратных задач оптики грубодисперсных сред обычно исходят из предположения однократности рассеяния. Но в силу некорректности обратной задачи, даже относительно малые отклонения от принятой модели приводят к значительным ошибкам восстановления функции распределения частиц взвеси по размерам. Одним из явлений, искажающих измеряемое световое поле, является многократное рассеяние.
Для учета интенсивности многократно рассеянного излучения и оценки условия применимости модели однократного рассеяния предполагается, что рассеивающая среда состоит из сферических частиц с параметром >>1 и образует плоский слой с оптической толщиной << р (р - оптическая толщина слоя, для которого реализуется глубинный режим излучения). Зондирующее излучение является параллельным монохроматическим потоком, нормальным к плоскости раздела; преломление и отражение на границе пренебрежимо мало, источники излучения в слое отсутствуют.
Поскольку >>1, определение интенсивности рассеянного слоем излучения традиционным для теории переноса путем разложения угловых функций в ряды по сферическим гармоникам приводит к математическим трудностям. Однако для небольших в прошедшем излучении существенно лишь рассеяние невысоких порядков, а решение уравнения близко к малоугловому приближению этого решения. Поэтому интенсивность рассеянного излучения может быть определена в виде суммы по кратности рассеяния без разложения угловых функций в ряды.
Уравнение переноса в малоугловом приближении есть
 , | (8) |
граничное условие запишем в виде
 | (9) |
Здесь, - объемные коэффициенты рассеяния и ослабления; x - расстояние от передней границы слоя; 
, - угол рассеяния; 
, где 
- индикатриса рассеяния элементарного объема, 
, - азимут; 
- интенсивность излучения; (х) - дельта-функция; интенсивность падающего потока принята равной единице.
Решение ищется в виде
 , | (10) |
где k — кратность рассеяния.
Угловая зависимость отношения интенсивности многократно рассеянного излучения к полной интенсивности рассеяния приведена на рисунке 4. Видно, что влияние многократного рассеяния значительнее на «крыльях» индикатрисы.
 . | (11) |
При больших значениях необходимо введение соответствующих поправок.
1 — 0.1, 2 — 0.3, 3 — 0.5, 4 — 1.0.
Рисунок 4 – Зависимость доли многократно рассеянного излучения от угла рассеяния при разных оптических толщинах
Для более точной картины рассеяния введем поправочный коэффициент в формулу (7), таким образом, полная индикатриса рассеяния на плоскости Д равна
 | (12) |
Проведенное теоретическое описание малоуглового рассеяния излучения дисперсной средой позволяет предложить следующий метод измерения, который можно называть модифицированным методом малоуглового рассеяния.
Сущность метода заключается в нахождении спектра размеров аэрозольных частиц по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния, путем сравнения ее с серией расчетных индикатрис рассеяния, найденных по формулам (7) или (12). Каждая расчетная индикатриса рассеяния рассчитывается с собственной функцией распределения.
В качестве базовой функции распределения принято гамма-распределение
(13)
где a>0 – нормирующий множитель;
, b – параметры распределения;
D – диаметр частицы.
Определение 
по измеренной индикатрисе рассеяния Ie(y) сводится к перебору параметров {,b} распределения и вычислению функционала
 | (14) |
где Ie(yi) (i=1,2,…,n) – измеренные значения индикатрисы рассеяния для дискретных значений на плоскости Д yi;
I(yi) – рассчитанные по (7) или (12) значения.
Третья глава содержит результаты экспериментальных исследований аэрозольных загрязнений различной природы на разработанном имитационном комплексе, что подтверждает его работоспособность.
Для проведения экспериментальных исследований дисперсных параметров аэрозольного загрязнения в воздухе требуется комплекс аппаратуры. В ходе работы был разработан аппаратурно-программный комплекс – лазерный измеритель дисперсности аэрозолей ЛИД-2.
Измерительный комплекс ЛИД-2 предназначен для исследования генезиса параметров дисперсности полей аэрозолей с момента зарождения и последующего процесса развития и основан на регистрации суммарной интенсивности рассеянного лазерного излучения на дисперсных частицах.
В состав комплекса входят следующие приборы и устройства (рисунок 5):
- измерительный объём размером 1 м3;
- излучатель: гелий-неоновый лазер HRP050 с длиной волны 0,632 мкм мощностью 5 мВт или HRP120 мощностью 12 мВт (тип лазера выбирается в зависимости от оптической плотности объекта исследования);
- регистрирующий блок, состоящий из 7 фотодиодов типа ФД-24К, смонтированных на одном основании;
- измерительный 8-канальный усилитель марки У-8 ;
- АЦП фирмы L-Card L783 и персональный компьютер;
- программное обеспечение для регистрации и обработки измерительной информации для определения счётной и массовой функции распределения частиц по размерам.
Частота записи измеренных данных – 100 кГц.
Время выдачи расчетной функции – 10120 секунд.
Лабораторная установка смонтирована на оптических столах. Моделирование загрязненной атмосферы осуществляется в измерительном объеме посредством заполнения объема аэрозольной средой различной природы.
1 - лазер; 2 - модулятор излучения; 3 – измерительный объем;
4 - фотодиодная линейка (7 фотодиодов); 5 - усилители постоянного тока;
6 - ЭВМ; 7- АЦП
Рисунок 5 - Структурная схема установки
Излучение лазера ориентировано под углом 90° к одной из граней измерительного объема, модулировалось с частотой 80 Гц и направлялось через рассеивающую среду. Поток оптического излучения, рассеянного под разными углами, регистрируется линейкой фотодиодов, которая расположена в плоскости, перпендикулярной лучу лазера. Линейка позволяет регистрировать рассеянное излучение под углами 0,320° относительно луча лазера. Для длины волны 0,632 мкм использовались кремниевые фотодиоды ФД-24К с чувствительной площадкой порядка 50 мм2.
Для построения фотодиодной линейки использовались близкие по уровню выходного сигнала фотодиоды. Для учета отклонений уровня сигналов введены поправочные коэффициенты для каждого фотодиода.
Так как с увеличением угла рассеяния интенсивность излучения резко падает, коэффициенты усиления выбирались таким образом, чтобы каждый канал был одинаково информативен. Имитацией рассеивающей среды для настройки служила стеклянная матовая пластина.
Напряжение Ui(t) фотодиода снималось с сопротивления 10 кОм, подсоединенного параллельно фотодиоду, усиливалось с помощью многоканального усилителя У-8 со следующими коэффициентами усиления (таблица 1). Усиленный сигнал регистрировался на входе АЦП фирмы L-card L-783, установленной в персональном компьютере.
Таблица 1 - Коэффициенты усиления каналов
| Канал | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Коэффициент усиления | 5000 | 2000 | 2000 | 1000 | 1000 | 1000 | 500 |
Запись и обработка измерительной информации осуществлялась с помощью программного обеспечения для АЦП и специального разработанного программного обеспечения.
Для восстановления функции распределения из зарегистрированного сигнала на фотодиодную линейку было разработано программное обеспечение на основе физико-математической модели, представленной в главе 2. Алгоритм программы построен на прямом поиске путем решения серии прямых задач оптики светорассеяния, обычно несколько сотен решений.
В качестве функции распределения частиц по размерам выбрано гамма-распределение, заданное выражением (13).
Окончив поиск в заданном диапазоне параметров, программа выдает значения и b гамма-распределения, при которых функционал (14) минимален.
Экспериментальная проверка работоспособности измерительного комплекса ЛИД-2 проводилась с использованием специально изготовленного пиротехнического распылителя (рисунок 6)
1 – нижняя опорная крышка; 2 – верхняя крышка; 3 – направляющее кольцо;
4 – болт; 5 – пиротехническое вещество; 6 – распыливаемое вещество;
7 – инициатор пиротехнического состава
Рисунок 6 – Модельный пиротехнический распылитель
Измерения проводились в измерительной камере объемом 1 м3.
Для создания аэрозоля в распылительное устройство импульсного типа (рисунок 6) помещался пиротехнический состав массой 0,2 г, закрывался полиэтиленовой пленкой и сверху засыпалось в углубление распылителя 1 г мелкодисперсного порошка.
Данным методом имитировался импульсный выброс загрязнителя в атмосферу. Схема эксперимента приведена на рисунке 7.
Рисунок 7 - Схема эксперимента по измерению параметров
аэрозольного загрязнения
Распылитель устанавливался в центр измерительного объема. Луч лазера проходил на расстоянии 30 см от верхней крышки распылителя. Для сравнения результатов, полученных с помощью ЛИД-2, применялся оптический анализатор размеров частиц PIP 9.0, описанный в приложении А. Для этого в измерительный объем помещались предметные стекла для анализа осажденных частиц.
Для имитации загрязнения были взяты стандартизированные порошки алюминия и других материалов, для которых были проведены измерения ситовым методом и на микроскопе PIP 9.0.
После установки распылителя измерительный объем закрывается со всех сторон для устранения засветки фотодиодов фоновым излучением, излучение лазера проходит через окна, расположенные на двух параллельных сторонах измерительного объема.
Рисунок 8 – Регистрируемый сигнал на фотодиодной линейке
После инициации распылителя аэрозоль заполняет измерительный объем, и рассеянное излучение регистрируется на фотоприемном блоке. На рисунке 8 изображен зарегистрированный сигнал на ЭВМ. Из рисунка видно, что измерительный объем за десятые доли секунды заполняется аэрозолем, а модулированный сигнал помогает исключить влияние фонового излучения. Интенсивность рассеянного излучения на разных фотодиодах для выбранного момента является входными данными для программы обработки.
С использованием выражений
и 
определены среднестатистические диаметры частиц для гамма-распределения (13).
Сравнение данных по дисперсности частиц с результатами, полученными другими методами, представлено в таблице 2.
Таблица 2– Сравнение результатов разных методов
| АСД-1 | АСД-4 | АСД-6 | ||||
| D32, мкм | D43, мкм | D32, мкм | D43, мкм | D32, мкм | D43, мкм | |
| Ситовой анализ | 18 | 23 | 8,4 | 10 | 7,2 | 8,3 |
| Измерение на микроскопе | 19,71 | 21,42 | 8,38 | 9,77 | 5,7 | 6,44 |
| Модифицированный метод малоуглового рассеяния | 17,4 | 21,12 | 8,2 | 10,3 | 6,2 | 7,45 |
Из таблицы видно, что разброс результатов, полученных с использованием разных методов, составляет не более 15%.
С помощью оптического анализатора частиц PIP 9.0, с каждого предметного стекла было проанализировано около 10000 частиц. Микрофотографии частиц для порошков алюминия представлены на рисунке 9.
Рисунок 9 – Микрофотографии мелкодисперсных порошков алюминия при 400-кратном увеличении
Для оценки возможного применения ЛИД-2 при определении дисперсности твердых аэрозолей различной природы проведены исследования с порошком SiO2, мела и карбамида, результаты сравнительных измерений массового распределения с использованием разных методов представлены на рисунке 10.
а) б)
в)
а) – мела; б) – SiO2; в) – карбамида
Рисунок 10 – Гистограммы массового распределения частиц по размерам
Полученные результаты показывают возможность использования ЛИД-2 для достаточно точной оценки дисперсности аэрозольной загрязненности твердыми частицами любого состава.
При использовании карбамида импульсное воздействие на порошок повлияло на дисперсность порошка, он оказался боле мелким, чем был до распыления. Это связано с тем фактом, что прочность карбамида невелика, за счет этого можно получать модели аэрозольного загрязнения более мелкой дисперсности.
Применимость метода для исследования жидко-капельного аэрозоля проверена на воде, в создании модельной аэрозольной среды использовался модельный пиротехнический распылитель.
Так как жидкость способна испаряться со временем, вместо предметных стекол взята белая бумага, а распыляемая жидкость подкрашивалась красителем.
Гистограмма счетного распределения частиц по размерам следовым методом и ЛИД-2 представлена на рисунке 11.
Метод измерения отпечатков является приблизительным и дает завышенные размеры частиц, поскольку предметные экраны воспринимают поток интегрально за все время развития процесса, и возможно взаимное наложение частиц.
Рисунок 11 – Гистограмма счетного распределения частиц водного аэрозоля по размерам, полученные на ЛИД -2 и методом отпечатков
Для исследования жидкого аэрозоля более мелкой дисперсности использовался усовершенствованный распылитель пиротехнического типа. В качестве имитационной жидкости брался водный раствор глицерина. Проведено исследование динамики зарождения облака аэрозоля, график изменения во времени модального диаметра дифференциальной функции распределения показан на рисунке 12.
Рисунок 12 - Динамика изменения модального размера функции
распределения частиц по размерам в облаке аэрозоля при зарождении
Из графика видно, как происходит уравновешивание изменения дисперсного состава созданного аэрозольного облака со временем.
Особый интерес представляет случай, когда аэрозоль способен быстро менять свое дисперсное состояние, что не позволяет использовать методы отбора и накопления капель. К таким веществам относятся быстроиспаряющиеся жидкости.
Для имитации аэрозоля опасных быстроиспаряемых веществ был взят этанол, для которого было проведено измерение спектра размера частиц от момента образования облака аэрозоля до момента полного испарения (рисунок 13).
Рисунок 13 – Генезис спиртового аэрозоля
На рисунке 13 видно, как происходит изменение массового распределения частиц аэрозольного облака за счет осаждения и испарения крупных частиц, факт длительного существования мелких частиц требует дополнительного исследования.
В заключении главы изложены перспективы развития разработанного метода, связанные с возможностью определения концентрации частиц и возможности доработки установки для исследования факела распыла в различных сечениях форсунок.
В Заключении представлены основные выводы и результаты работы.
В Приложениях приведены описания аппаратуры и методов используемых для сравнения с результатами, полученными с помощью ЛИД -2.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Разработана новая математическая модель рассеяния лазерного излучения от слоя аэрозоля, обладающая большей информативностью за счет регистрации рассеянного излучения от всего объема, взаимодействующего с лазерным излучением.
2. Разработан модифицированный метод малоуглового рассеяния, основанный на алгоритме прямого поиска для определения функции распределения частиц по размерам путем решения серий прямых задач оптики аэрозолей, что позволило отказаться от решения некорректных обратных задач оптики светорассеяния при восстановлении функции распределения частиц по размерам по измеренной малоугловой индикатрисе рассеяния.
3. Сконструирована и реализована лабораторная лазерная измерительная установка, позволяющая проведение экспресс-анализа генезиса аэрозольных потоков различной природы в заданном объеме.
4. На основе разработанного программного обеспечения автоматизирован процесс измерения динамики изменения аэрозольного поля с частотой 100 кГц, позволяющий определять параметры аэрозоля, генезис распределения частиц в объеме с момента образования аэрозоля и его изменение при длительном времени существования.
5. Проведены экспериментальные исследования разработанным методом дисперсного состава мелкодисперсных порошков алюминия, песка, мела и органических частиц. Сравнение с другими методами доказало работоспособность разработанного модифицированного метода малоуглового рассеяния по определению дисперсных параметров аэрозольных облаков в заданном объеме с погрешностью 515%.
6. Применение метода для исследования генезиса жидких и легкоиспаряющихся аэрозолей показало возможность использования метода для контроля и мониторинга аэрозолей различной природы.
Основное содержание диссертационного исследования опубликовано в следующих работах:
1 Ахмадеев, И.Р. Измерение размеров конденсированных частиц в гетерогенной плазме продуктов сгорания / И.Р. Ахмадеев, С.С. Бондарчук, А.А. Павленко // Известия ВУЗов. Физика. 2006. – Т 49. – №6. – С.16-19.
2 Ахмадеев, И.Р. Модифицированный метод спектральной прозрачности измерения дисперсности аэрозолей / В.А. Архипов, И.Р. Ахмадеев, С.С. Бондарчук, Б.И. Ворожцов, А.А. Павленко, М.Г. Потапов // Оптика атмосферы и океана. – 2007. – Т 20. – №1. – С. 48-52.
3 Ахмадеев, И.Р. Автоматизированная система измерения параметров аэрозолей / И.Р. Ахмадеев, Е.В. Максименко, Е.В. Муравлев, А.А. Павленко, Ю.В. Коркин // II Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых «Материалы и технологии XXI века», г. Бийск. – 2005. – С. 59-62.
4 Ахмадеев, И.Р. Измерение параметров двухфазных потоков методом светорассеяния / И.Р. Ахмадеев, Е.В. Максименко, А.А. Павленко //Научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и применения конденсированных энергетических материалов», г. Бийск. – 2006. – С. 94-98.
5 Ахмадеев, И. Р. Модифицированный метод малоуглового рассеяния для измерения дисперсности аэрозольных частиц // Материалы V Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». г. Томск: Издательство Томского университета. – 2006. – С. 55-56.
6. Ахмадеев, И. Р. Экспериментальный комплекс исследования продуктов сгорания при испытании бессопловых генераторов / А.А. Павленко, А.Б. Ворожцов, И.Р. Ахмадеев, Е.В. Максименко, М.Г. Потапов // Материалы V Всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики». г. Томск: Издательство Томского университета. – 2006. – С.146-147
7. I.R. Akhmadeev, Investigation of combustion products parameters while testing model nozzles generators / M.G. Potapov, A.A. Pavlenko, A.B. Vorozhtsov, I.R. Akhmadeev, E.V. Maximenko // II International Workshop HEMs-2006, September 11-14, 2006 Belokurikha, Altai region High energy: Demilitarization, Antiterrorism and Civil Application. – С.42-43
Ахмадеев Игорь Радикович
Метод и быстродействующая лазерная установка для исследования генезиса
техногенного аэрозоля по рассеянию луча в контролируемом объеме
____________________________________________________________________
Отпечатано в ИПХЭТ СО РАН
659322, Алтайский край, г. Бийск, ул. Социалистическая, 1
Формат 6084 1/16. Усл. печ. л. – 1. Тираж 100 экз.
