Брызгунов Павел Александрович — кандидат технических наук, ассистент
sc 57844836600
Москва, 111250
Pavel A. Bryzgunov — PhD, Assistant
sc 57844836600
Moscow, 111250
Писарев Дмитрий Сергеевич — старший преподаватель
sc 16239539100
Москва, 111250
Dmitry S. Pisarev — Senior Lecturer
sc 16239539100
Moscow, 111250
Злывко Ольга Владимировна — кандидат экономических наук, доцент, доцент
sc 57060525900
Москва, 111250
Olga V. Zlyvko — PhD (Economy), Associate Professor, Associate Professor
sc 57060525900
Moscow, 111250
Рогалев Андрей Николаевич — доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой
sc 34980078500
Москва, 111250
Andrey N. Rogalev —
sc 34980078500
Moscow, 111250
Рогалев Николай Дмитриевич — доктор технических наук, профессор, ректор
sc 6507029432
Москва, 111250
Nikolay D. Rogalev —
sc 6507029432
Moscow, 111250
Введение. Представлены результаты экспериментального исследования структуры течения и поля температур в конвективной струе воздуха и продуктов сгорания природного газа, формирующейся над пламенем горелки малой мощности. Проанализированы пульсационные и спектральные характеристики потока в ключевых точках отбора, что позволило сделать вывод о характере течения в основных точках струи. Предложено для анализа спектральных характеристик потока использовать временные ряды изменения поля смещений точек.
Метод. В работе для визуализации течения и определения температур использован фоново-ориентированный шлирен-метод с последующей постобработкой в разработанной в ходе исследования программе. Преимуществом данного подхода в сравнении с традиционным оптическим шлирен-методом является отсутствие необходимости в параболических зеркалах, а также возможность получения результатов в цифровом виде, удобном для дальнейшей обработки. В ходе эксперимента за объектом исследования, который снимался видеокамерой, помещался фон со случайно расположенными черными точками. Колебания плотности среды вызывали изменения коэффициентов преломления среды, вследствие чего точки на фоне на видеокадрах смещались, причем смещение точек пропорционально изменению коэффициента преломления, который в свою очередь пропорционален градиенту плотности и, соответственно, градиенту температуры среды. Смещение точек определялось с применением кросс-корреляционного анализа каждого кадра в сравнении с кадрами при отсутствии возмущений. Далее поле смещений подвергалось фильтрации посредством медианного фильтра с целью минимизации шумов и статистических выбросов. Отфильтрованное поле смещений использовалось для вычисления поля температур, при этом решалась задача Коши относительно температуры с известной производной в точке и заданных граничных условиях.
Основные результаты. Получена совокупность мгновенных полей смещений точек, мгновенных и осредненного полей температуры, позволивших сделать выводы о структуре течения. В характерных точках струи получены осциллограммы величины смещения, а также спектры пульсаций, имеющие инерционный интервал, соответствующий закону «–5/3».
Обсуждение. Предложенный в работе подход позволяет в дополнение к бесконтактному исследованию поля температур также исследовать турбулентные пульсации течения в случае квазидвухмерных или осесимметричных потоков.
The article presents the results of an experimental study of the flow structure and temperature field in a plume formed above a low-power burner flame. The pulsation and spectral characteristics of the flow at key sampling points were analyzed, which allowed us to draw a conclusion about the nature of the flow at the main points of the jet. It is proposed to use time series of changes in the point displacement field to analyze the spectral characteristics of the flow. In this work, the Background Oriented Schlieren method was used to visualize the flow and determine temperatures followed by post-processing in the program developed during the study. The advantage of this approach compared to the traditional optical Schlieren method is that there is no need for parabolic mirrors as well as the ability to obtain results in digital form convenient for further processing. During the experiment, a special background with randomly located bright dots was placed behind the object of study which was filmed by a video camera. Fluctuations in the medium density caused changes in the refractive indices of the medium, as a result of which the points on the background of the video frames displaced, and the displacements of the points was proportional to the change in the refractive index which in turn is proportional to the density gradient and, accordingly, to the temperature gradient of the medium. The displacement of the points was determined by cross-correlation analysis of each frame in comparison with the frames in the absence of disturbances. Then the displacement field was filtered by a median filter in order to minimize noise and statistical outliers. The filtered displacement field was used to calculate the temperature field, while solving the Cauchy problem for temperature with a known derivative at a point and specified boundary conditions. A set of instantaneous point displacement fields, instantaneous and time-averaged temperature fields was obtained, which allowed us to draw conclusions about the flow structure. At characteristic points of the jet, oscillograms of the displacement value were obtained as well as pulsation spectra with an inertial interval corresponding to the “–5/3” law. The approach proposed in the work allows, in addition to contactless study of the temperature field, also studying turbulent flow pulsations in the case of close to two-dimensional or axisymmetric flows.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.