С огнем человечество знакомо, можно сказать, с момента своего рождения. Со страхом и удивлением смотрел наш далекий предок на молнии и вызываемые ими лесные пожары. Но эти чувства сравнительно быстро сменились желанием приручить небесное пламя, использовать его для различных нужд. Так началась, как принято говорить сегодня, исследовательская работа в этой области. Не прекращается она и в наши дни. Причем ведется на самом современном научном уровне. Заведующий кафедрой физической и вычислительной механики Национального исследовательского Томского государственного университета доктор физико-математических наук Егор ЛОБОДА изучает свойства пламени и плазменной струи с применением методов термографии и математического моделирования. Проект молодого ученого, посвященный этой теме, получил государственную поддержку: грант Президента РФ. В чем суть исследования? Об этом в материале, подготовленном нашим корреспондентом.
— В мире идет непрерывная погоня за энергоэффективностью, — объясняет Егор Леонидович. — Группы ученых и целые институты во всем мире работают над повышением КПД энергетических установок. И всегда в центре этих исследований — процесс горения топлива, сопровождаемый пламенем высокой температуры. Его свойства связаны с типом топлива, режимом горения, полнотой сгорания. Контролировать термодинамические параметры непросто. Пламя представляет собой течение реагирующих газов. В нем происходят процессы окисления с выделением энергии. Это проявляется в виде света и невидимого глазу инфракрасного излучения. Поэтому традиционные контактные методы измерений температуры в пламени дают недостоверные результаты. Эти методы вносят возмущения в исследуемую среду, а также обладают большой инерционностью и не дают возможности исследователю получить истинные значения мгновенного распределения температуры. Скажем, применение микротермопар связано с массой технических трудностей, которые ограничивают пространственное разрешение и опять же вносят возмущения в исследуемую среду. Поясню, что термопара — это спай двух различных металлов, в котором возникает разность потенциалов, или так называемая термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС). По ее изменению определяют температуру.
— Как же вы изучаете пламя?
— Сейчас мы в первую очередь уделяем внимание пламени с турбулентным течением внутри. Этот аспект недостаточно изучен. Есть методики, позволяющие визуализировать и измерять поле скоростей в пламени, но они пока работают со значительным осреднением по времени. Получение же мгновенных полей скорости и визуализация турбулентных вихрей в конкретный момент времени — это трудоемкая задача. Например, в Институте теплофизики СО РАН такие работы ведутся группой под руководством члена-корреспондента РАН Дмитрия Марковича Марковича. Наша же задача — имея гораздо более скромные технические возможности, чем в академических институтах, используя имеющееся в распоряжении нашего коллектива оборудование, подобраться к оценкам параметров турбулентности в пламени по его инфракрасному излучению.
Что касается плазменных струй, то они применяются в технологических процессах — от плазменной резки металлов до обработок поверхностей материалов и напылений. Следует отметить, что изначально исследования плазмы были связаны с развитием ракетно-космической техники и созданием различных теплозащитных материалов и покрытий. При испытаниях этих материалов исследователи контролируют температуру поверхности с помощью термопар. Но при воздействии плазменной струи происходит как термическое, так и механическое разрушение исследуемого образца. И в какой-то момент времени термопара теряет тепловой контакт с образцом или даже разрушается. Применение термографии (под термографией подразумевается определение температуры объекта по его инфракрасному излучению) позволяет избежать этих проблем. Наш коллектив, имея уже ряд наработок по подходам и исследованию пламени в ИК-диапазоне, решает эту проблему с помощью термографии.
— Хотелось бы больше узнать о методах термографии. Как они помогают исследовать плазменную струю?
— Термографию в России и в мире в основном используют для исследования свойств так называемых серых тел — с непрерывным спектром излучения, подобным спектру излучения абсолютно черного тела, определяемого законом Планка. Такие работы ведутся как в строительстве, так и в энергетике для определения “слабых мест” в оборудовании, теплопотерь в зданиях. Отдельно следует отметить применение термографии в задачах неразрушающего контроля, где значительных успехов мирового уровня достиг профессор Владимир Платонович Вавилов из Томского политехнического университета. Измерение температуры серых тел с помощью тепловизоров достаточно хорошо проработано и дает возможность получать результаты с точностью до долей градуса. Часто тепловизоры применяют не для измерения истинной температуры тела, а для анализа качественной картинки (наличие перегретых участков в оборудовании или зон с повышенными теплопотерями у зданий), если же речь идет о задачах неразрушающего контроля, то исследователей больше интересует тепловой контраст.
Та малая доля мировых исследований процессов горения с применением термографии, как правило, ведется в широком интервале длин волн, на всем рабочем диапазоне тепловизора. Но известно, что спектр пламени существенно отличается от спектра черных и серых тел. Он определяется излучением продуктов горения. Учитывая, что все тепловизоры калибруются по излучению абсолютно черного тела, применение широкого спектрального диапазона для исследования температуры в пламени не вполне корректно. Исследователи путем подбора эффективного значения коэффициента излучения пламени получают более-менее достоверные значения температуры. Но такой подход нельзя считать правильным, так как на определенных участках спектра его интенсивность превышает интенсивность излучения абсолютно черного тела, а на других участках и вовсе может отсутствовать. Поэтому применение широких спектральных диапазонов приводит к существенным осреднениям измеряемых величин и не позволяет увидеть реальную структуру течения в пламени.
Подходы, которые использует наш коллектив, позволяют при правильном выборе узкого спектрального интервала работы тепловизора получать достоверные температуры в пламени и видеть ее пульсации, которые связаны с турбулентностью. Также можно регистрировать характеристики экранированных пламенем объектов.
Именно такой подход применяют для определения температуры поверхности теплозащитного образца под воздействием плазменной струи. А новая методика калибровки тепловизора, над которой мы сейчас работаем, поможет определять термодинамические параметры плазменной струи.
— На какие особенности проводимых исследований вам хотелось бы обратить внимание?
— Начну с небольшой предыстории, о том, с чего все началось. Под руководством профессора Анатолия Михайловича Гришина я занимался исследованием природных пожаров. В состав нашего коллектива входили также коллеги из Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН. Когда в нашем распоряжении появился тепловизор научного класса (не без активного участия коллег из ИОА), то в первую очередь возник вопрос о том, как его применять для измерения температуры в пламени. Естественно, сначала мы пошли по “стандартному пути” и проводили измерения в широком спектральном диапазоне. Но вскоре стало ясно, что этот подход неверный. Необходимо исследовать спектры излучения пламени и на основании этих спектров выбирать более узкие интервалы. Как только мы начали использовать этот подход, то сразу же увидели, что в пламени есть области повышенной температуры, где происходит микрообъемное горение. Эти области перемещаются вверх с определенной скоростью, изменяясь в объеме и меняя свою форму. Еще мы заметили, что температура в пламени многократно изменяется во времени. Частота этих изменений явно выше той, которую мы видели прежде при использовании термопар. Получив спектр изменения температуры, мы поняли, что в нем с хорошей повторяемостью присутствуют некоторые частотные максимумы, которые явно зависят от перемещения тех самых областей микрообъемного горения.
Дальше начались исследования спектров изменения температуры для разных топлив и разных режимов горения. Выяснилось, что характерные частоты в спектрах изменения температуры определяются турбулентностью течения в пламени. После анализа размеров “горячих” областей, сопоставления высоты пламени, средней скорости (полученной с помощью коллег из Института теплофизики СО РАН) стало очевидно, что эти области связаны с размерами турбулентных вихрей в пламени. Чтобы сопоставить размеры тепловых неоднородностей с полем скоростей и размерами турбулентных вихрей, мы планируем совместно с коллегами из Института теплофизики провести в будущем комплексные работы с применением термографии и PIV-методов.
При работе же с плазменной струей мы определили режимы работы плазмотрона и спектральные интервалы работы тепловизора, то есть показали, когда можно с минимальными затратами регистрировать температуру поверхности образца теплозащитного материала при минимальном влиянии излучения плазмы.
Подытоживая, можно сказать, что главная особенность наших исследований — в применении термографии для исследования таких процессов, как пламя и воздействие плазмы. Результаты этой работы позволят в дальнейшем использовать термографию для решения практических задач, таких как разработка или модернизация горелочных устройств, топок, исследование режимов течения высокотемпературных реагирующих потоков газа и многие другие.
Беседу вел Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено Е.Лободой
Нет комментариев