CC BY
121
УДК 536.46
Д. А. Ягодников, А. В. Игнатов, В. И. Л а п и ц к и й, В. И. Т о м а к
ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА ИЗЛУЧЕНИЯ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННАЯ ДИАГНОСТИКА ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО ТОПЛИВА
Приведены предварительные результаты отработки методики спектральных и пирометрических исследований потока продуктов сгорания пиротехнического топлива.
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
Ключевые слова: пиротехническое топливо, газодинамическая структура, продукты сгорания, конденсированная фаза, многофазный поток, спектральный анализ, сверхзвуковая струя.
При проведении исследований процессов горения пиротехнического топлива (ПТ) одной из важных проблем является изучение газодинамической структуры течения многофазных продуктов сгорания (ПС). Немаловажной также является задача измерения одного из основных параметров ПС — температуры. Измерение температуры контактными методами проблематично из-за наличия в ПС конденсированной фазы, воздействие которой на контактные датчики приводит к их разрушению. Изучение структуры многофазного потока ПС связано с трудностью, обусловленной скоростной и температурной неравновесностью потока, а также догоранием фрагментов топлива.
Исследование сложных процессов тепломассообмена и газодинамики представляется возможным и эффективным с помощью кино-или видеосъемки с сохранением большого объема информации в памяти ЭВМ и последующим детальным изучением этой информации.
Для регистрации температур может быть использован метод спек-трозональной киносъемки в узком спектральном диапазоне, заключающийся в следующем. В ПС металлизированного ПТ содержится к-фаза, представляющая собой конечные продукты сгорания ПТ и раскаленные, но еще не полностью сгоревшие частицы металла, в частности магния или алюминия, и поэтому спектр излучения ПС является сплошным. Однако при горении таких топлив также образуются газообразные ПС, обусловливающие излучение молекул и, следовательно, возникновение молекулярных полос спектра, в основном полос MgO и AlO. Таким образом, для применения методов яркостной или цветовой пирометрии необходимо в видимом спектральном диапазоне излучения ПС выбрать участок, где источником излучения является только к-фаза.
Цель настоящей работы заключается в регистрации спектра излучения ПС ПТ на основе алюминия или магния и исследовании процесса истечения ПС ПТ из сопла модельного газогенератора с помощью спектрозональной киносъемки и оптико-электронной дешифровки видеоизображений.
Экспериментальные исследования проводились на модельном генераторе, использующем заряд ПТ и воду в качестве основного окислителя. Модельная установка и методика проведения эксперимента подробно описаны в работе [1]. Отметим, что камера сгорания (КС) газогенератора выполнена двухзонной. В первой зоне реализуется взаимодействие ПТ с водой при оптимальном соотношении компонентов, а во второй — процесс тепломассообмена с дополнительным количеством воды для получения оптимального состава и температуры ПС.
В целях выявления постоянного закона горения использовался заряд торцевого горения, забронированного по наружной цилиндрической поверхности. Применяемое ПТ состоит из натриевой селитры с добавками магния (микронного диапазона размеров) ультра- или на-нодисперсного алюминия с удельной поверхностью 7,2 м2/г [2, 3].
Осциллограмма изменения давления (рк) в КС газогенератора, температуры (Т) ПС во второй зоне, расходов воды (т 1, т2) в первой и второй зонах, а также развиваемого модельным двигателем усилия (Р) приведены на рис. 1. Наибольшее значение давления в КС составило ~0,8 МПа. Регистрация температуры прекратилась через 1,5 с после начала испытания в связи с эрозионным разрушением
Рис. 1. Осциллограмма эксперимента
Рис.2. Схема регистрации спектра ПС ПТ:
1 — факел; 2 — видеокамера; 3 — блок фокусировки; 4 — оптический волновод; 5 — спектрограф; 6 — матовая пластина; 7 — цифровая камера
термопары. Этот момент обозначен на графике изменения температуры точкой А. Отметим, что в данном эксперименте полнота сгорания ПТ оценивалась по коэффициенту расходного комплекса ^ = 0,63.
Для исследования особенностей процессов горения ПТ на основе алюминия и магния в среде водяного пара регистрировался спектр излучения ПС в видимом диапазоне длин волн. Схема регистрации приведена на рис.2. Излучение факела 1 ПС за срезом сопла модельной установки проецировалось на входную щель спектрографа
ИСП-51 5 с помощью блока фокусировки 3 и оптического волновода 4. Щель спектрографа и волновод позволяют регистрировать излучение факела горения шириной мм. На плоскость матовой пластины 6 спектрографа, установленной в его фокальной плоскости, визировался объектив цифровой камеры 7 (Canon PowerShot A540) и проводилась видеосъемка спектра в процессе эксперимента со скоростью до 60кадр./с. Одновременно осуществлялась видеосъемка факела с помощью видеокамеры 1 (Vision Hi Tech) с установленным на объектив последней интерференционным светофильтром.
В настоящей работе выполнен качественный спектральный анализ ПС пиротехнического состава на основе алюминия и магния. Как следует из рис. 3, спектр излучения является сплошным с наложением неразрешенного дублета натрия в области длин волн ~589 нм, что соответствует спектру излучения серого тела. Аналогичный спектр зарегистрирован при исследовании процессов воспламенения и горения
Рис. 3. Спектр излучения ПС ПТ
алюминизированного смесевого твердого топлива и двухкомпонент-ного порошкообразного топлива на основе алюминия и перхлората аммония [4].
Полученный результат позволяет рекомендовать для исследования горения ПТ спектрозональную кино- и видеосъемку в узком спектральном диапазоне с помощью интерференционного светофильтра, имеющего максимум пропускания на длине волны от 500 до 570 нм. Так, в настоящей работе использовался светофильтр с максимумом пропускания на длине волны 552 нм.
На рис. 4 приведена выборка из покадровых оцифровок изображений истечения ПС ПТ из соплового блока в процессе испытания. Приведенные изображения иллюстрируют последовательную смену режимов запуска, горения воспламенительного и инициирующих составов, работу на номинальном режиме, а также останов газогенератора. Видеограммы, полученные с частотой 25 Гц, позволяют определить момент окончания процесса воспламенения заряда и выхода модельного двигателя на режим (рис. 4, ж) по резкому сужению струи. Кроме того, на рис. 4 видны пульсации факела, обусловленные соответствующими пульсациями давления в КС.
Обработка цифрового черно-белого видеоизображения проводилась при помощи следующего программного обеспечения:
1. Пакет Virtual Dub, при помощи которого выполнялись все основные преобразования (причем в этой программе должен быть установлен фильтр "Pseudocolor", который позволяет заменять цвета в каждом кадре видеоролика в соответствии с выбранной палитрой).
2. Программа Adobe Photoshop, в которой создается файл палитры.
3. Программа "Конвертер палитры", которая преобразует созданную пользователем палитру в файл данных для фильтра Pseudocolor.
4. Прикладная программа AVIedit, с помощью которой выбранные кадры из видеоролика экспортируются в графические изображения в формате BMP.
На рис. 5 показан в псвевдоцветовом изображении обработанный по приведенной методике отдельный кадр работы двигателя на установившемся режиме. При этом использован принцип наложения псевдоцветового обработанного изображения истекающей струи ПС на исходное полутоновое изображение.
Количественный пирометрический анализ выполнен по методике [5], согласно которой для шкалы серого создается шкала цветности, где каждому цвету соответствует определенная степень серого. Число цветов на шкале и их значение определяются экспериментально в зависимости от оптимального сочетания и информативности получаемого изображения. Градуировка шкалы серого и, соответственно, цветовой шкалы осуществлялась при помощи видеосъемки вольфрамового тела
Рис. 4. Исходная полутоновая видеограмма испытания
Рис. 5. Результаты дешифровки видеоизображения
накала светоизмерительной лампы СИ8-200У. Таким образом, создается шкала соответствия цветов интенсивности засветки ПЗС-матрицы видеокамеры и яркостной температуры, соответствующей излучению серого тела.
Анализ пирометрической диагностики процесса истечения ПС приведен на рис. 5. Вверху кадра наложены серый и соответствующий ему цветовой клин, а также значения температур на границах цветового перехода; внизу кадра показаны значения текущего времени работы двигателя и номер текущего кадра.
Изображение данного кадра свидетельствует о наличии пересветки ПЗС-матрицы видеокамеры, что позволяет сделать вывод о существовании высокотемпературной зоны в ядре истекающей струи с температурой не меньше 1800 К. Полученные высокие значения температур можно объяснить догоранием непрореагировавшего металлического горючего = 0,63) в процессе истечения сверхзвуковой струи в окружающую среду — воздух, являющийся окислителем.
Таким образом, в настоящей работе предложена методика для проведения спектральных и пирометрических исследований ПС ПТ при помощи видеосъемки. На примере обработки видеоизображений струи ПС при огневых стендовых испытаниях модельного двигателя показана возможность проведения качественного спектрального и количественного пирометрического анализа, результаты которого позволят оценить эффективность рабочего процесса в модельной двигательной установке, работающей на металлсодержащем ПТ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экспериментальная установка для определения характеристик горения гидрореагирующих топлив / А.В. Игнатов, Н.Е. Сальников, Д.А. Ягодников и др. // Современные проблемы пиротехники: Материалы IV Всеросс. науч.-техн. конф. - Сергиев Посад, 2007. - С. 170-172.
2. Пат. 2068400 РФ. МКИ27 В 82 В 3/00. Способ получения ультрадисперсного порошка и устройство для его осуществления / Павловец Г.Я., Егоров Н.К., Ма-лашинС.И. и др. (РФ). -№ 345909; Заявл. 12.02.1996; Опубл. 28.10.1996; НКИ 78-706. - 5 с.
3. П р и м е н е н и е ультра- и нанодисперсных компонентов в пиротехнических системах / Н.М. Вареных, В.Н. Емельянова, С.Н. Ваганова и др. // Энергетические конденсированные системы. Материалы III Всеросс. конф. - М., 2006. -С. 25-26.
4. Ягодников Д. А. Воспламенение и горение порошкообразных металлов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 436 с.
5. Теплинский М. В., Ягодников Д. А. Цифровая обработка и анализ визуализации результатов огневых испытаний модельного ракетного двигателя на твердом топливе // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Машиностроение. -2005. -№ 3. - С. 34-41.
Статья поступила в редакцию 15.04.2011
