Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.01.03, кандидат технических наук Трегуб, Владимир Петрович

• Трегуб, Владимир Петрович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Трегуб, Владимир Петрович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ТЕНЕВОЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЗРАЧНЫХ

НЕОДНОРОДНОСТЕЙ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА.

1.1. Развитие теневого метода.

1.2. Цветной теневой метод.

Глава 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ЦВЕТНОГО ТЕНЕВОГО МЕТОДА.

2.1. Анализ работы цветного теневого метода.

2.2. Цветной теневой метод с квадратной формой задающей и визуализирующей диафрагм.

2.2.1. Светлопольный вариант с квадратной формой диафрагм вариант 1).

2.2.2. Темнопольный вариант с квадратной формой диафрагм вариант 2).

2.3. Цветной теневой метод с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм.

2.3.1. Светлопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 3).

2.3.2. Темнопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 4).

2.4. Сравнение вариантов цветного теневого метода.

2.5. Восстановление формы оптического волнового фронта.

2.6. Калибровка изображения, формируемого цветным теневым прибором.

2.6.1. Теневой прибор ИАБ-451 и его модернизация для реализации двухкоординатного цветного теневого метода.

2.6.2. Калибровка цветного теневого изображения.

Глава 3. МЕТОДИКА МОДЕЛЬНЫХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ИЗУЧЕНИЯ

ТЕПЛООБМЕНА НА СКЛОНОВЫХ ЗЕМЛЯХ.

3.1. Методика использования цветного теневого метода при исследовании структуры тонких тепловых пограничных слоев.

3.2. Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных тенеграмм теплового пограничного слоя.

3.2.1. Алгоритм калибровки цветных тенеграмм.

3.2.2. Алгоритм расшифровки цветных тенеграмм.

3.3. Методика модельного эксперимента.

3.3.1. Моделирование интенсивности охлаждения нагретого склона воздухом, стекающим по склону.

3.3.2. Моделирование интенсивности нагрева потока воздуха, всплывающего вверх по склону.

Глава 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВОЙ

ГРАВИТАЦИОННОЙ КОНВЕКЦИИ.

4.1. Выхолаживание склона стекающим потоком.

4.2. Всплывание нагревающегося потока вверх по склону.

4.3. Сопоставление эмпирических зависимостей, полученных при обобщении данных модельных экспериментов, с результатами расчетов по известным теоретическим формулам.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов»

Оптико-физические методы и приборы широко используются в экспериментальной практике для визуализации и количественного изучения различных прозрачных сред (газовых и жидкостных потоков, оптических материалов и поверхностей и т.п.).

Применение этих средств, например, в аэродинамике способствует более быстрому, качественному и экономичному решению важных экспериментальной задач - определению оптимальных вариантов компоновок различных типов летательных аппаратов, накоплению информации, необходимой для разработки теоретических вопросов и методов расчета объектов и их отдельных элементов, изучению различных физических явлений, не поддающихся математическому анализу. Во многих случаях методы визуализации используются в сочетании с другими видами измерений (весовыми, анемометрическими, термоанемометри-ческими и др.), выгодно дополняя их.

Известно большое количество методов визуализации газовых потоков, применяемых для решения разнообразных задач в различных по принципу действия, параметрам и устройству экспериментальных установках. Основной положительной и специфической для всех этих методов особенностью является способность получать наглядное качественное представление об изучаемых процессах, т.е. способность видеть изучаемое явление.

Формирование температурного и влажностного режимов сельскохозяйственных полей на склоновых землях в суточных циклах обусловлено интенсивностью движения приземных слоев атмосферного воздуха - стеканием в ночные часы и наползанием (подъемом) по поверхности склона в дневное время. В натурных условиях природных агроэкологических ландшафтных систем исследование этих процессов представляет чрезвычайно большие практические и методические трудности. Единственно доступным методом экспериментального определения расчетных зависимостей остается применение лабораторного моделирования с использованием принципов и правил подобия. При этом следует иметь ввиду, что процессы переноса на поверхностях теплообмена в модельных опытах происходят в тонких тепловых пограничных слоях, внесение в которые даже малогабаритных измерительных датчиков приведет к искажению температур, определяющих интенсивность процессов выхолаживания моделей склонов.

Оптические методы исследования прозрачных неоднородностей дают возможность исследовать тонкую структуру потоков без введения в них геометрически объемных датчиков различных измерительных систем (например, скорости, температуры, влажности, турбулентности и др.), искажающих поток, особенно его пограничные слои, и, как следствие, существенно снижающих не только точность, но и достоверность измерений параметров исследуемого потока.

В современных аэродинамических установках из методов визуализации чаще других используются при проведении экспериментальных исследований и являются наиболее отработанными теневые методы и интерференционные методы. Они позволяют получать наглядное представление и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где по каким-либо причинам меняется показатель преломления света п.

Интерференционные методы все же являются в большей степени методами количественного исследования распределения по объекту показателя преломления, чем методами визуализации. Они обеспечивают максимально высокую точность измерений. Однако интерференционные методы (при необходимости обеспечить высокую точность) обладают сравнительно узким диапазоном измерений разности хода лучей на исследуемых неоднородностях: от сотых долей X до нескольких десятых X (в специальных случаях - до десятка X), где X — длина волны используемого при контроле излучения (при использовании наиболее распространенного He-Ne лазера - X =633 нм).

Теневые методы используются в первую очередь для визуализации прозрачных неоднородностей, при этом они обладают рядом важных достоинств и в качестве методов количественных исследований. Чувствительность теневых методов почти не уступает чувствительности интерференционных методов и, при этом, теневые методы позволяют исследовать весьма большие фазовые неоднородности, недоступные интерференционным методам. В частности, большинство аэродинамических и тепловых экспериментов имеют дело с фазовыми неоднородностями порядка 4(Н60 и более Я. Поэтому теневые методы широко используются в современной практике исследований прозрачных сред.

Разрешающая способность теневых методов очень велика: они позволяют получить качественные и количественные данные о стационарных и нестационарных процессах в прозрачных средах, где показатель преломления п по каким-либо причинам меняется фактически в каждой точке. Такие данные могут быть получены практически при любых скоростях газового потока -от очень медленных до гиперзвуковых. И во всех случаях результаты получаются без ввода в изучаемую область каких-либо датчиков, т. е. теневые методы позволяют производить бесконтактные, безынерционные измерения параметров потока одновременно в любом необходимом количестве точек без побочного возмущения исследуемого объекта. Поэтому теневые методы имеют чрезвычайно широкую область возможных приложений.

В последнее время наблюдается тенденция к расширению объема исследований, проводимых с помощью теневых методов. При этом в процессе исследований возникает необходимость получения и обработки значительных объемов измерительной информации, расширения номенклатуры исследуемых характеристик, повышения точности и расширения диапазонов измерений. С точки зрения расширения номенклатуры исследуемых характеристик одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метод.

Однако цветной теневой метод до сих пор, как правило, используется как качественный метод исследования прозрачных неоднородностей. Таким образом, имеется актуальная задача развития цветного теневого метода в направлении расширения возможностей его использования в качестве количественного метода исследования прозрачных неоднородностей.

Данная диссертационная работа посвящена исследованию и совершенствованию цветного теневого метода, проработке параметров специализированных узлов для модернизации оптической системы теневого прибора (например, прибора ИАБ-451), созданию методик изучения тепловых пограничных слоев на моделях склоновых земель агроландшафтов.

Целью работы является:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование двухкоординатного цветного теневого метода, расширение его возможностей при использовании его как количественного метода при исследовании прозрачных неоднородно-стей.

2. Создание специальных оптических узлов для реализации разработанных модификаций цветного теневого метода (для прибора ИАБ-451).

3. Разработка методик получения и последующей цифровой обработки цветных теневых изображений процессов теплообмена в системе почвенный покров - приземный слой атмосферы на моделях склоновых земель.

4. Применение разработанного теневого метода в экспериментах при изучении теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов.

Задачи исследования.

В процессе выполнения работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Аналитический обзор существующих теневых методов визуализации прозрачных неоднородностей, в первую очередь,цветных теневых методов.

2. Разработка модификаций цветного теневого метода, позволяющих определять две проекции на координатные оси вектора отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.

3. Теоретический анализ характеристик и сравнительная оценка вариантов цветного теневого метода с квадратной и круглой формой диафрагм в светлопольном и темнопольном вариантах при использовании цветных RGB(R-красный, G- зеленый, В— синий) фотоприемных устройств;

4. Разработка алгоритмов обработки RGB -видеоинформации при анализе цветных теневых картин.

5. Разработка методики калибровки изображений, формируемых цветным теневым прибором.

6. Модернизация теневого прибора ИАБ-451 для реализации разработанных модификаций двухкоординатного цветного теневого метода в светлополь-ном и темнопольном вариантах.

7. Апробация разработанных модификаций цветного теневого метода путем проведения на модернизированном теневом приборе ИАБ-451 экспериментальных исследований процессов теплообмена на моделях склоновых земель.

8. Проведение модельных экспериментов, обобщение результатов и построение расчетных зависимостей интенсивности теплообмена на поверхности склоновых земель.

9. Внедрение в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатного цветного теневого метода на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.

Методы и средства исследований.

Теоретические исследования основаны на применении положений и соотношений геометрической и физической оптики, теорий оптических приборов, оптических измерений, статистической обработки результатов измерений.

В экспериментальных исследованиях, использованы современные цифровые средства и методы получения и обработки цветных теневых изображений. Эксперименты выполнены на модернизированном теневом приборе ИАБ-451.

Модельный лабораторный эксперимент и обобщение опытных данных выполнены на основании правил теории подобия и критериального представления полученных результатов.

Научная новизна работы.

1. Теоретически исследованы характеристики нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм.

2. Разработаны алгоритмы обработки RGB -сигналов, полученных цветным теневым методом в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм, для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.

3. Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоординат-ный цветной теневой метод.

4. Получены экспериментальные расчетные формулы для вычисления интенсивности теплообмена в суточных циклах на склоновых землях.

На защиту выносятся.

1. Результаты теоретических исследований характеристик нелинейности откликов RGB -сигналов в цветном теневом методе при круглой форме диафрагм и алгоритмы учета этой нелинейности.

2. Алгоритмы обработки RGB -сигналов в светлопольном и темнопольном вариантах с квадратной и круглой формой диафрагм для определения двух проекций на координатные оси векторов отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.

3. Методика и алгоритм процедуры калибровки теневых приборов, реализующих двухкоординатный цветной теневой метод.

4. Результаты обобщения экспериментальных модельных исследований процессов выхолаживания полей на склоновых землях с использованием двух-координатного цветного теневого метода.

5. Модернизация теневого прибора ИАБ-451, реализующая разработанный цветной теневой метод.

Практическая ценность работы.

1. Разработаны рекомендации по оптимизации цветных теневых методов, позволяющие улучшить характеристики изображения прозрачных неоднородностей при их визуализации.

2. Разработаны алгоритмы обработки видеоинформации, обеспечивающие возможность использования цветных теневых методов для количественных измерений параметров прозрачных неоднородностей.

3. Разработаны и изготовлены оптические узлы для модернизации прибора ИАБ-451, обеспечивающие возможность реализации двухкоординатного цветного теневого метода в светлопольном и темнопольном вариантах.

4. Внедрен в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института двухкоординатный цветной теневой метод на модернизированном приборе ИАБ-451.

Заключение диссертации по теме «Агропочвоведение и агрофизика», Трегуб, Владимир Петрович

выводы

1. Развиты теоретические основы количественного двухкоординатного цветного теневого метода визуализации прозрачных неоднородностей и проведена его реализация.

2. Модернизирован с использованием специально разработанных оптических узлов широко распространенный теневой прибор ИАБ-451 из состава аэродинамического стенда в отделе физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института.

3. В рамках созданного метода показана возможность реализации его в светлопольном и темнопольном вариантах. Разработаны алгоритмы обработки сигналов для квадратной и круглой формы диафрагм.

4. Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоординат-ный цветной теневой метод.

5. Созданы методика, алгоритм и программное обеспечение компьютерной расшифровки цветных тенеграмм, полученных в аэродинамических экспериментах.

6. Выполнены установочные и контрольные эксперименты по исследованию интенсивности теплообмена на моделях склоновых земель в суточных циклах на модернизированном приборе ИАБ-451.

7. Обобщены результаты экспериментов с использованием разработанного метода, методик его количественной расшифровки и интерпретации и сопоставлены с опубликованными ранее данными исследований подобных процессов различными оптическими методами; сравнение результатов экспериментов с известными ранее данными показало их удовлетворительное согласование.

8. Результаты обобщения данных модельного эксперимента по исследованию процесса тепловой гравитационной конвекции у вертикально поставленной нагретой плоской пластины с применением цветного теневого метода практически совпали с аналитическим решением Польгаузена для системы уравнений, теоретически описывающей этот процесс.

9. Выполнено обобщение результатов расшифровки тенеграмм тепловых пограничных слоев на нагретых наклонных поверхностях. Получены расчетные зависимости процессов теплообмена в критериальной форме для моделей склоновых земель.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Трегуб, Владимир Петрович, 2005 год

1. Абруков С.А. Кандидатская диссертация. Казань, 1953.

2. Абруков С.А. Теневые и интерференционные методы исследования оптических неоднородностей. Казань, изд. Казанского ун-та, 1962. 83 с.

3. Абруков С.А., Клевцов П.В. Ж. физ. химии 27, № 8, 1145 (1953).

4. Абруков С.А., Шафигуллин А.Г. Ж. техн. физики 25, № 3, 421 (1955).

5. Авраменко А.С., Бездудняя Т.М., Дурович Э.Ю., Красовский Э.И. Оценка параметров теневых приборов с фотоэлектрическими преобразователями информации. // ОМП, 1982. № 9. С. 4-5.

6. Авраменко А.С., Дурович Э.Ю., Наумов Б.Н. Измерение чувствительности теневых приборов со сферическим автоколлимационным зеркалом. // ОМП, 1983. №9. С. 40-43.

7. Бабичев Ю.Д., Емельянов В.А., Скотников М.М. Опыт расчетов осесим-метричного распределения показателя преломления, в сб. «Физические методы исследования прозрачных неоднородностей», ДНТП, 1975.

8. Безменова Т.Н., Брухман В.Я., Дмитриева В.Б., Новиков В.А., Яковлев В.А. Осветительное устройство к теневому прибору ИАБ-451 для реализации четырехщелевого цветного метода. // ОМП, 1982. № 8. С. 59-60.

9. Березинцев М.Ю., Захарова Т.В. Цветной теневой метод количественного измерения поля распределения плотности газового потока. // Оптические методы исследования потоков: Труды 7-й Межд. конф. М.: Изд-во МЭИ, 2003. С. 118-121.

10. Брамсон М.А., Красовский Э.И., Наумов Б.В. Морская рефрактометрия. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 246 с.

11. Вавилов С.И. Глаз и солнце. М.: Наука, 1976. 127 с.

12. Васильев Л. А. Теневые методы. М.: Наука, 1968. 400 с.

13. Васильев Л.А., Ершов И.В., Скотников М.М., Практика применения теневых фотометрических методов, в сб. «Физические методы исследования прозрачных неоднородностей», ДНТП, 1971.

14. Васильев JI.A., Отменников В.Н. Исследование высокоскоростных газовых потоков теневым фотометрическим методом при использовании визуализирующих диафрагм сложных форм // ОМП. 1976, № 8. С. 3-6.

15. Васильев Л.А., Скотников М.М., ДАН СССР 143, № 3, 578, 1962.

16. Волосов Д.С., Цивкин М.В. Теория и расчет светооптических систем проекционных приборов. М.: Искусство, 1960. 526 с.

17. Гуменник Е.В., Чашечкин Ю.Д. Визуализация и измерение стратифицированных течений. // Оптические методы исследований прозрачных потоков. Тезисы докладов 2-й Межд. конф. Новосибирск: Изд-во ИТФ, 1993. С.З.

18. Джалурия Й. Естественная конвекция М.: Мир, 1983. 400 с.

19. Дубовик А.С. Оптико-механические приборы для фотографической регистрации и исследования быстропротекающих процессов в СССР. // 14-й Международный конгрессе по высокоскоростной фотографии и фотонике. Тезисы. М., 1980. С.12.

20. Дубовик А.С. Фотографическая регистрация быстропротекающих процессов. М.: Наука, 1984. 320 с.

21. Дубович Э.Ю., Красовский Э.И. Малогабаритный прибор для регистрации пульсаций показателя преломления света в прозрачных средах. // ОМП. 1975, №10. С. 33-36.

22. Завьялов А.К. Оптические методы гидрофизических исследований в малых и больших опытных бассейнах. // Оптические методы исследований прозрачных потоков. Тезисы докладов 2-й Межд. конф. Новосибирск: Изд-во ИТФ, 1993. С 76.

23. Зимин В.Д. Оптическая обработка информации в теневых приборах. Пермь, 1977. 79 с.

24. Кадыков Б.А., Веснин В.Н., Кузьмина Т.А., Виноградова J1.H., Шаничев Г.Я., Бакуев А.А. Теневой проектор. // ОМП, 1979. № 10. С. 19-22.

25. Камалов И.А., Сухоруких B.C., Фокеев В.П., Харитонов А.И., Шаров Ю.Л. Приставка к теневому прибору ИАБ-451 для реализации схемы Кранца-Шардина. // ОМП, 1985. № 1. С. 35-36.

26. Кирилловский В.К. Количественные теневые методы при контроле оптических систем. Обзор № 1872. Москва, 1978.

27. Коваленко Л.Г. Влияние параметров схемы теневого прибора при исследовании случайно-неоднородных сред. // ОМП, 1985. № 2. С. 1-4.

28. Коваленко Л.Г., Гончаров Э.Г., Красовский Э.И. Анализ характеристик теневого прибора с параллельными и расходящимися пучками по данным статистического моделирования на ЭВМ. // ОМП, 1985. № 3. С. 1-4.

29. Королев А.Н., Волова И.Н. О пороге чувствительности автоколлимационной теневой установки на базе коллиматора ОСК-2. // ОМП, 1984. № 9. С. 15-17.

30. Куртенер Д. А.,У сков И.Б. Управление микроклиматом сельскохозяйственных полей. Л.: Гидрометиздат, 1988. 263 с.

31. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Наука, 1977. 964 с.

32. Ляликов A.M. Количественный контроль оптических деталей теневым методом. // ОМП, 1991. № 8. С. 21-23.

33. Максутов Д.Д. Изготовление астрономической оптики, М.: Наука, 1984. 272 с.48