автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Оптико-электронный комплекс для визуализации физических процессов в пристеночном слое жидкости

На правах рукописи

Павлов Илья Николаевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТЕНОЧНОМ СЛОЕ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.11.07 - Оптические и оптико-электронные приборы

и комплексы

16 МАЙ 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2013

005058053

Работа выполнена в

федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре физики им. В.А.Фабриканта

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор «НИУ «МЭИ» Ринкевичюс Бронюс Симович

доктор технических наук, Вишняков Геннадий Николаевич, ФГУП «ВНИИОФИ», начальник лаборатории измерений оптических постоянных веществ

кандидат технических наук,

Лузина Юлия Юрьевна,

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ», заведующая

учебной лабораторией кафедры низких

температур

ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики», г. Москва

Защита состоится «_23_» мая 2013 г. в 16 часов 00_ минут в аудитории Б305 на заседании диссертационного совета Д 212.157.12 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет «НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Национального исследовательского университета «МЭИ».

Автореферат разослан « 22_» апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

к.т.н.

Ремизевич Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пристеночном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования процессов в пристеночном слое жидкости.

Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло далеко вперед развитие интерферометрических методов, открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС-фотоприемников существенно повысило качество и скорость получения и обработки оптических изображений и позволило автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д.

Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это позволило визуализировать общую картину течения и измерять скорость потока по эффекту Доплера, а также наблюдать влияние оптически неоднородного потока на характер распространения в нем лазерного пучка. Также был предложен

лазерный рефрактографический метод (ЛАРЕФ-метод) исследования оптически неоднородных потоков с использованием лазерных пучков специальной формы, при этом регистрация рефракционных картин ведется с помощью специализированных цифровых видеокамер с последующей компьютерной обработкой.

Эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), на котором основывается разработанный в данной работе метод, известен давно, и на нем базируются довольно чувствительные методы измерения показателей преломления различных сред. В работе предлагается использовать его для визуализации картины распределения показателя преломления в пристеночных слоях прозрачных жидкостей с оптическими неоднородностями.

В последнее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике и теплообмену в микросистемах, вызванный интенсивным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. Не потеряла своей актуальности и задача об испарении капли жидкости в окружающий газ, несмотря на большое количество выполненных по этой теме исследований. Возросший в последнее время интерес к процессам самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей привел к необходимости разработки и применения различных методов для диагностики этих процессов.

В данной работе для исследования процессов смешения жидкостей в микроканалах, а также для визуализации фазовых переходов и температурных градиентов в капле жидкости на горизонтальной подложке применяется метод, основанный на явлении НПВО.

Пель работы. Основной целью работы является разработка оптико-электронного комплекса визуализации оптически неоднородных пристеночных слоев жидкости на основе метода нарушенного полного внутреннего отражения

широкого коллимированного лазерного пучка и выявление особенностей «

/

протекания физических процессов в пристеночном слое жидкости. С этой целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов исследования оптически неоднородных сред и измерения показателя преломления.

2. Разработать метод визуализации физических процессов в пристеночных слоях жидкости на основе явления НПВО.

3. Создать экспериментальные установки для визуализации движения жидкости в микроканалах, а также для исследования физических процессов в капле жидкости на горизонтальной подложке.

4. Разработать алгоритмы и программы обработки картин визуализации.

5. Провести экспериментальные исследования и обработать полученные изображения.

Научная новизна работы.

1. Разработан новый метод исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, основанный на явлении нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка, позволяющий получать пространственное распределение показателя преломления и связанных с ним физических параметров жидкости в зависимости от времени, в отличие от известных оптических методов, основанных на использовании узких и сфокусированных пучков, которые позволяют получать локальное значение показателя преломления.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования по изучению динамики физических процессов, таких как перемешивание, испарение, охлаждение, кристаллизация, в пристеночном слое жидкости толщиной несколько сотен нанометров с помощью нарушенного полного внутреннего отражения.

3. Разработаны оригинальные алгоритмы обработки картин визуализации процессов в пристеночных слоях жидкости для получения количественной информации о физических процессах в пограничных слоях прозрачной жидкости.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Созданный оптико-электронный комплекс, принцип работы которого основан на явлении НПВО, позволяет визуализировать оптические неоднородности на расстоянии порядка сотен нанометров от поверхности измерительной призмы.

• Установка «Виджитек-1», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы течения и перемешивания жидкостей в микроканалах.

• Установка «Виджитек-2», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации и перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке.

• Реализованные алгоритмы обработки полученных картин визуализации позволяют получить численные характеристики исследуемых объектов и процессов.

Практическая ценность работы. Разработанный оптико-электронный комплекс может быть использован для исследования различных физических процессов, приводящих к изменению показателя преломления в пограничных слоях прозрачной жидкости, в частности, при появлении градиентов температуры, концентрации и др. Комплекс позволяет визуализировать развитие во времени процессов в пограничном слое жидкости толщиной порядка сотен нанометров, а также получать пространственное распределение показателя преломления жидкости по границе раздела.

Методика обработки полученных изображений может быть использована для других оптических методов исследования, использующих цифровые средства регистрации и обработки экспериментальных данных.

Реализация и внедрение результатов работы. Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0449 и № 14.740.11.0594), НИР, выполняемой в рамках

госзадания № 7.3732.2011 «Закономерности распространения светового излучения в слоистых и случайно неоднородных трехмерных средах» и грантам РФФИ № 10-08-00936 «Диагностика пристеночного слоя жидкости методами лазерной рефракгографии и полного внутреннего отражения» и № 12-08-31208 «Лазерная диагностика кристаллизации растворов и фазовых переходов в пограничных слоях жидкости».

Достоверность полученных результатов

Теория разработанного метода основывается на известных положениях физической оптики и широко используемых принципах обработки изображений. Показана воспроизводимость результатов исследования при многократном повторении экспериментов. Результаты обработки полученных экспериментальных изображений с целью определения показателя преломления жидкостей сравнивались с результатами определения показателя преломления тех же жидкостей с помощью рефрактометра ИРФ-454 Б2М. Среднеквадратичное отклонение составило не более 0,5%.

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на 11 конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011), 20-я Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2010), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (Москва, 2011), 15th International Symposium on Flow Visualization (Минск, 2012), 10-я и 11-я Всероссийские (с международным участием) конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011 и 2012), Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике (Москва, 2011 и 2013), Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» (Москва, 2011), XVII и XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 и 2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, в том числе 7 работ без соавторов. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 109 машинописных страниц, включая 72 рисунка, 1 таблицу, 63 наименования списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются выбор научного направления и актуальность работы. Приведены цель и основные задачи диссертации. Сформулированы научная новизна работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе кратко рассмотрены существующие оптические методы исследования процессов смешения жидкостей в микроканалах, растекания, испарения, кристаллизации капель жидкости.

Во второй главе приведено описание теоретических основ разрабатываемого метода. Рассмотрены соотношения, связывающие физические параметры среды и характеристики отраженного зондирующего излучения. На основе формул Френеля получена формула (1) для энергетического коэффициента отражения рн зондирующего излучения с поляризацией, параллельной плоскости падения в случае НПВО:

РМ,у) = Щ2

0, -агсБШ

г ■ Л \

У1С Б1П 01-

'Щ1

0, + агсзт

п,Лх>У)

(1)

где 9,- - угол падения пучка излучения, пс - показатель преломления стекла призмы, пж{х, у) - распределение показателя преломления в жидкости.

Проведен расчет и выполнен выбор оптимальных условий для создания экспериментальной установки. Показано, что разрабатываемый метод имеет максимальную чувствительность вблизи критического угла ПВО, при использовании излучения с поляризацией, параллельной плоскости падения.

Во третьей главе описан созданный оптико-электронный комплекс, состоящий из двух экспериментальных установок, одна из которых («Виджитек-1») предназначена для визуализации течения и динамики смешения жидкостей в микроканалах, а вторая («Виджитек-2») - для исследования процессов растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации и перемешивания капель жидкостей на горизонтальной подложке, приведены алгоритмы обработки полученных в экспериментах картин визуализации, реализованные в виде программ в среде МаЛСАО. Первая установка создана на базе гониометра ГСЗО с перемещением плеч в горизонтальной плоскости, а вторая обеспечивает поворот измерительных плеч в вертикальной плоскости на специально изготовленном основании. Так как в обеих установках реализуется метод НПВО, то принципы их работы поясним на примере анализа структурной схемы второй установки.

Схема экспериментальной установки «Виджитек-2» представлена на рисунке 1. Она может работать в двух режимах: рефлекционном и интерференционном.

4

1 - лазер; 2 - расширитель пучка; 3 - призма; 4 - капля; 5 - экран; б - цифровая видеокамера; 7 - компьютер Рисунок 1 - Схема экспериментальной установки «Виджитек-2» для визуализации физических

процессов в капле жидкости

Излучение от лазера 1 проходит через оптическую систему расширителя пучка 2, представляющую собой телескопическую систему из двух собирающих линз с разными фокусными расстояниями и пространственного фильтра в виде

точечной диафрагмы. Расширенный коллимированный пучок излучения, пройдя через боковую поверхность призмы 3, отражается от ее основания, служащего подложкой для испаряющейся капли 4. Угол отражения соответствует условию ПВО для границы призма-воздух. Далее отраженный пучок попадает на диффузно рассеивающий экран 5, изображение на котором регистрируется с помощью цифровой видеокамеры 6 и затем обрабатывается на компьютере 7.

В эксперименте измеряется коэффициент контрастности рефлектографической картины М, равный отношению разности интенсивности отраженного света при ПВО 1\ и интенсивности отраженного света при нарушении ПВО /2 к/ьт.е.

М{х,у) = {1х{х,у)-1г(х,у))П1{х,у) = 1 - р(х,у)ц, (2)

и по его значению находится изменение показателя преломления. На практике удобнее пользоваться графической зависимостью М=Диь и2)> примеры которой для разных значений показателя преломления стекла призмы и углов падения излучения 9,- на ее внутреннее основание показаны на рисунке 2.

1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 М 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

1,33 1,34 1,35 1,36 1,37 1,38 1,39 1,40 "ж

1-9; = 64,983°, п0= 1,4677,2-9,- = 58,036°, ис= 1,5677, 3-9( = 58,733°,пс = 1,5677 Рисунок 2 - График зависимости коэффициента контрастности М от показателя преломления

исследуемой жидкости

В четвертой главе описана методика применения созданного оптико-электронного комплекса для исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости и приведены результаты экспериментов. При проведении исследований движения капель жидкости на установке «Виджитек-1» в верхнюю часть микроканала толщиной 80 мкм, заполненного водой, сверху помещалась капля исследуемой жидкости. После этого происходило движение капли по микроканалу под действием силы тяжести, капиллярных сил и диффузии. На рисунке 3 приведены примеры картин визуализации динамики проникновения капель различных жидкостей в плоский микроканал с водой.

)глицерин

б)глицерин с водой 1:1

в) то же 1:2,5

г)то же 1:5

Рисунок 3 - Рефлектографические изображения при проникновении капель различных жидкостей в плоский микроканал с водой

По результатам экспериментов, приведенным на рисунке 3, можно сделать вывод о том, что при перемещении капли внутри микроканала под действием силы тяжести, капиллярных сил и диффузии, в нижней части капли образуется несколько «языков», количество и размер которых зависит от вязкости вводимой жидкости: чем больше вязкость, тем больше «языков» и тем меньше их размер.

В данной главе также приведены картины визуализации испарения капель жидкости, полученные с помощью установки «Виджитек-2» и результаты их обработки. На рисунке 4 показана полученная зависимость площади контактного пятна испаряющейся капли воды объемом 10 мкл от времени. Как видно из графика, процесс испарения делится на два этапа. На первом этапе, происходит так называемый пиннинг контактной линии; при этом площадь пятна контакта остается примерно постоянной, меняется лишь высота капли. После достижения

некоторого критического значения высоты капли наступает второй этап, в ходе которого площадь контактного пятна уменьшается практически линейно.

Рисунок 4 - Зависимость площади контактного пятна 5" испаряющейся капли воды от времени Г

На рисунке 5 показаны примеры картин визуализации с системой интерференционных колец при испарении капли дистиллированной воды, полученные для разных углов падения пучка на поверхность призмы.

Рисунок 5 - Примеры рефлектографических изображений с системой интерференционных колец для испаряющейся капли воды, полученные при разных углах падения лазерного пучка

Из рисунка 5 видно, что изображения капли на экране содержат две системы интерференционных колец: по контуру капли наблюдается стационарная интерференционная картина, обусловленная, краевыми эффектами, а в центре капли - бегущая, вид которой связан с изменением во времени формы и объема капли при испарении, в то время как первая обусловлена формой контактной линии капли. В экспериментах по визуализации испарения капель быстроиспаряющихся жидкостей, некоторые результаты которых показаны на рисунке 6, съемка производилась непосредственно с поверхности призмы.

а) б) в) г)

а) - изопропиловый спирт, б) - растворитель, в) - ацетон, г) - этиловый спирт Рисунок 6 - Примеры интерференционных изображений испаряющихся капель жидкости

Изображения капель, приведенные на рисунке 6, получены для угла падения пучка меньше критического угла ПВО для границы раздела «призма-жидкость». Как видно из этого рисунка, в этом случае бегущая интерференционная картина практически полностью занимает все изображение капли. В экспериментах по визуализации испарения капли кроме дистиллированной воды использовались такие жидкости, как изопропиловый спирт, этиловый спирт, растворитель, ацетон, водные растворы соли, сахара и глицерина, а также коллоидный раствор серебряных наночастиц. Анализ изменения интерференционной картины позволяет получить информацию о динамике испарения капли жидкости с горизонтальной подложки. Искажения формы интерференционных колец связаны с отличием формы поверхности капли от сферической. Скорость движения колец характеризует скорость испарения капли. Подсчет скорости движения колец в

картинах визуализации испарения капель показал, что для воды она остается примерно одинаковой за время наблюдения колец (для капли дистиллированной воды объемом 15 мкл средняя скорость движения интерференционной картины в центре составляет одно кольцо за 7 с); для различных углов падения лазерного излучения эта скорость различается. Для других жидкостей скорость движения колец может существенно меняться во времени (для капли поверхностно-активного вещества минимальная и максимальная скорости различаются в 2 раза).

Для проведения экспериментов по визуализации кристаллизации капли дистиллированной воды при ее охлаждении с помощью элемента Пельтье установка «Виджитек-2» была адаптирована. Измерительные плечи вместе с креплением призмы были повернуты на 180°, а элемент Пельтье закреплялся на подвижном основании, которое позволяло регулировать высоту его поднятия с шагом 2 мкм. Схема адаптированной установки показана на рисунке 7.

8 |

1 - лазер; 2 - расширитель пучка; 3 - призма; 4 - капля; 5 - экран;

6 - цифровая камера; 7 - компьютер; 8 - элемент Пельтье Рисунок 7 - Схема адаптированной экспериментальной установки "Виджитек-2а"

Примеры полученных изображений контактного пятна капли (которая в данном случае превращалась в мениск) объемом 10 мкл для величины зазора между призмой и элементом Пельтье 1,5 мм приведены на рисунке 8.

Контактный слой капли с поверхностью призмы имеет разную структуру при кристаллизации для разных высот капли. Для больших значений (1-1,5 мм)

величины зазора между призмой и элементом Пельтье, куда помещается капля,

♦

I

имеет место образование крупных, радиально направленных пузырьков воздуха в виде вытянутых эллипсов в контактном слое с призмой (призма расположена сверху капли). Для меньших значений величины зазора (0,3-0,7 мм) имеет место образование мелкоячеистой структуры (вкрапления пузырьков воздуха во льду) по краям капли, а в центре - образование большого пузыря воздуха, который не нарушает ПВО в этом случае.

Ж.Ж/;,. :к< ' ч'Ч шйкшйяи»

26 с 39 с 47 с 74 с

Рисунок 8 - Примеры изображений кристаллизующейся капли для разных моментов времени (от начала охлаждения), полученные при величине зазора между призмой и элементом Пельтье

1,5 мм

Метод НПВО позволяет определить, в каком месте капли находится каждая из фаз - воздух, вода и лед - по соответствующему коэффициенту отражения, что наблюдается и визуально.

На рисунке 9 показана полученная в результате обработки изображений зависимость температуры пограничного слоя охлаждаемой капли дистиллированной воды объемом 10 мкл от времени (кривая 1). Для сравнения на том же рисунке приведена зависимость температуры поверхности элемента Пельтье от времени, полученная с помощью термопары (кривая 2).

В главе также приведены результаты экспериментов по определению динамики растекания капли дистиллированной воды по поверхностям с различными шероховатостями и результаты экспериментов по визуализации смешения двух капель различных жидкостей (например, глицерина и изопропилового спирта) на горизонтальной поверхности стеклянной призмы.

1 - для пограничного слоя капли воды, 2 - для поверхности элемента Пельтье Рисунок 9 - Графики зависимости температуры от времени

Приведены результаты обработки картин визуализации охлаждения капли горячей воды на поверхности призмы. Получено, что по мере остывания капли ее изображение становится более темным, что практически незаметно невооруженным глазом, но хорошо видно после обработки изображений (рисунок 10). Затемнение изображения капли связано с уменьшением коэффициента отражения из-за увеличения показателя преломления охлаждающейся капли, вызванного понижением ее температуры.

Рисунок 10 - Графики зависимости коэффициентов контрастности Мот координаты по сечению изображения для разных моментов времени (г > Ь

На рисунке 10 показаны зависимости коэффициентов контрастности по сечению капли от координаты по горизонтали для двух разных моментов времени охлаждения капли: в начале процесса через = 2с после помещения капли на призму (кривая 1) и в конце процесса (кривая 2) через ь = 90 с после помещения капли на призму. Начальная температура капли объемом 10 мкл - 80°С. Кривая 1 соответствует времени ¿1, а кривая 2 - времени Среднее значение коэффициента контрастности для кривой 1 составляет 0,332, что соответствует показателю преломления воды 1,3313, а для кривой 2 - 0,431, что соответствует показателю преломления 1,3327. Полученная разница показателей преломления воды соответствует разнице температур на 18 °С. Погрешность в данном случае составляет около 1,5 °С. Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что процесс охлаждения капли горячей воды на подложке комнатной температуры происходит нелинейно, и за первые 2 с после соприкосновения капли с подложкой ее температура понижается сильнее, чем за последующие 90 с.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ публикаций на тему применения метода НПВО для исследования стационарных гидро- и теплофизических процессов, а также обзор оптических методов исследования процессов растекания, испарения, охлаждения и кристаллизации капель жидкостей и показано, что использование широкого коллимированного лазерного пучка для создания НПВО позволяет получить новую информацию по сравнению с существующими оптическими методами.

2. Разработаны принципы применения метода НПВО широкого коллимированного лазерного пучка для визуализации и исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, а также расширения областей применения этого метода.

3. Создан оптико-электронный комплекс для проведения исследований указанных выше процессов, который включает в себя две установки и программы обработки картин визуализации.

4. Разработан и реализован алгоритм обработки получаемых в экспериментах картин визуализации с целью определения количественных характеристик исследуемых процессов, например, распределения показателя преломления или характерного времени его изменения.

5. Проведены экспериментальные исследования процессов течения и перемешивания жидкостей в микроканалах плоской и Т-образной формы. Показано, что характер движения жидкости в плоском микроканале зависит от ее вязкости, а в Т-образном микроканале практически не происходит смешивания жидкостей без введения дополнительных миксеров.

6. Проведены экспериментальные исследования процессов растекания, испарения, охлаждения, кристаллизации, перемешивания капель жидкости на горизонтальной подложке. Установлен ряд особенностей указанных процессов.

Список основных публикаций по теме диссертации

1. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Near-Wall Liquid Flows Visualization on Frustrated Total Internal Reflection // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics), 2009, Vol. 18, No. 4, pp. 322-327. (Павлов И.Н., Ринкевичюс B.C. Визуализация пристеночных потоков жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению // Оптическая память и нейронные сети (Информационная оптика), 2009. Т. 18, №4. С. 322-327).

2. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Лазерный визуализатор неоднородности пристеночных слоев жидкости // Измерительная техника, 2010, №10. С. 33-35.

3. Павлов И.Н., Ринкевичюс B.C., Толкачев A.B. Установка для визуализации испарения капли жидкости методом нарушенного полного внутреннего отражения лазерного пучка // «Приборы и техника эксперимента», 2013, №2. С. 130-135.

4. Павлов И.Н., Ринкевичюс B.C., Толкачев A.B. Визуализация процессов кристаллизации в пристеночном слое капли воды //Метрология, 2013, №3. С..11-17.

5. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Визуализация пристеночных течений жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению // Сборник докладов 19-й международной конференции "Лазеры. Измерения. Информация." Т. 1. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2009. С. 224-234.

6. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Анализ чувствительности установки для визуализации потоков по нарушенному полному внутреннему отражению // Сборник докладов 20-й международной конференции "Лазеры. Измерения. Информация" Т. 1. СПб.: Изд-во Политехнического ун-та. 2010. С. 367-378.

7. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S. Inhomogeneous Near-Wall Liquid Flows Visualization by Frustrated Total Internal Reflection of Laser Beam // Proc. of PSFVIP-8, Moscow, Russia, 2011, paper No. 105. - ISBN 978-5-8279-0093-1. (Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Визуализация неоднородностей пристеночных потоков жидкости по нарушенному полному внутреннему отражению лазерного пучка // 8 Тихоокеанский симпозиум по визуализации потоков и обработке изображений [Электронный ресурс]: труды конференции. -Электрон, дан. -М.: МГУ, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Доклад №105,6 е.).

8. Павлов И.Н. Особенности визуализации перемешивания жидкостей по нарушенному полному внутреннему отражению // Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике: сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. С. 30.

9. Павлов И.Н. Экспериментальная установка для исследования пристеночных процессов в жидкостях // "Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение" : сб. тр. 10-й Всерос. (с междунар. участ.) конф. с элементами молодеж. науч. шк., Саранск, Изд-во Мордов. ун-та, 2011. С. 97.

10. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Применение метода нарушенного полного внутреннего отражения для исследования испарения капли с поверхности // Оптические методы исследования потоков: XI Межд. науч-технич. конференция [Электронный ресурс]: труды конференции. - Электрон, дан.

- M.: МЭИ (ТУ), 2011. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Доклад №4, 6 с. -ISBN978-5-9902974-1-8 -№гос.регистрации0321101669. ;

П.Павлов И.Н. Визуализация испарения капель жидкости с горизонтальной подложки // Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях», Москва, 2011. С. 124-125.

12. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Исследование физических процессов в пристеночном слое жидкости методом НПВО // «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» : сб. тр. 11-й Всерос. с междунар. участием конф.-шк. - Саранск.: Изд-во Морд, ун-та. 2012. С. 83.

13. Pavlov I.N., Rinkevichyus B.S., Tolkachev A.V. Visualization of physical processes in liquid drops on horizontal surface //15 International Symposium on Flow Visualization, Belarus, Minsk, 2012. Paper 018. - ISBN 978-985-6456-75-9. (Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С., Толкачев A.B. Визуализация физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке // 15 Международный симпозиум по визуализации потоков [Электронный ресурс]: труды конференции. - Электрон, дан. - Беларусь, Минск, 2012. - 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). - Доклад № 018,15 е.).

14. Павлов И.Н., Ринкевичюс Б.С. Лазерная диагностика кристаллизации пристеночных слоев жидкости // II Всероссийская конференция по фотонике и информационной оптике: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2013. С. 36-37.

Подписано в печать 15.0Ц• ШЬ?. Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13

Зак. Щ Тир. 100 П.л. 1%Ь

i i

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах рукописи

04201356336

Павлов Илья Николаевич

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТЕНОЧНОМ СЛОЕ

ЖИДКОСТИ

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

УДК 681.7.069.24.001.3

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.ф.-м.н., профессор Ринкевичюс Б.С.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ.......................................................................................................2

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЖИДКОСТИ.................................................11

1.1 Методы отражательной рефрактометрии на основе ПВО......................11

1.2 Методы и средства исследования течения и перемешивания жидкостей в микроканалах..................................................................................................18

1.3 Методы и средства исследования физических процессов в каплях жидкости на горизонтальной подложке..........................................................21

1.4 Выводы по первой главе.............................................................................26

2 ЛАЗЕРНАЯ РЕФЛЕКТОГРАФИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ..........................................................................27

2.1 Отражение и преломление волн на границе раздела двух прозрачных сред......................................................................................................................27

2.1.1 Законы преломления и отражения оптических волн применительно к методу НПВО...............................................................................................27

2.1.2 Формулы Френеля.................................................................................29

2.1.3 Поляризация волн при отражении и преломлении............................31

2.1.4 Анализ закономерностей отражения при ПВО..................................33

2.1.5 Метод визуализации пространственных оптических неоднородностей по полному внутреннему отражению...........................40

2.1.6 Интерференционный метод исследования испаряющихся капель.. 43

2.2 Расчет параметров установки визуализации оптических неоднородностей в пристеночном слое воды.................................................45

2.3 Выводы по второй главе.............................................................................54

3 ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЯХ ЖИДКОСТИ 56

3.1 Установка «Виджитек-1» для визуализации пристеночных течений жидкости в микроканале...................................................................................56

3.2 Установка «Виджитек-2» для визуализации физических процессов в

каплях жидкости на горизонтальной подложке.............................................60

3.3 Алгоритм обработки рефлектографических изображений.....................68

3.4 Алгоритм обработки интерференционных изображений.......................72

3.5 Выводы по третьей главе............................................................................73

4 ПРИМЕНЕНИЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИСТЕНОЧНЫХ СЛОЕВ ЖИДКОСТИ.......................74

4.1 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации пристеночных течений жидкости в микроканалах........................................74

4.2 Методика проведения и результаты экспериментов по визуализации физических процессов в каплях жидкости.....................................................79

4.2.1 Визуализация испарения капли жидкости..........................................79

4.2.2 Визуализация охлаждения капли жидкости.......................................86

4.2.3 Визуализация кристаллизации капли жидкости................................89

4.2.4 Визуализация растекания капли жидкости на горизонтальной подложке.........................................................................................................96

4.2.5 Визуализация перемешивания капель различных жидкостей..........98

4.3 Выводы по четвертой главе........................................................................99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................101

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

Сложность исследования пристеночных процессов в потоках жидкости заключается в их многопараметричности, трехмерности и нестационарности, что существенно затрудняет использование расчетных методов моделирования. Основные гидро- и теплофизические процессы развиваются в тонком пограничном слое толщиной менее миллиметра, что осложняет использование контактных методов исследования конвекции и других процессов, развивающихся в таком слое. Для проведения расчетов параметров этого слоя необходимо учитывать изменение физических свойств жидкости в нем. Все это указывает на необходимость разработки бесконтактных оптических методов исследования процессов в пристеночном слое жидкости [1].

Современный этап развития лазерной техники и компьютерных технологий позволяет по-новому взглянуть на оптические методы исследования, известные достаточно давно. Например, создание лазеров продвинуло развитие интерферометрических методов далеко вперед, позволило получить узкие коллимированные (т.е. малорасходящиеся) пучки и открыло новые возможности в оптической градиентной рефрактометрии. Появление матричных ПЗС-фотоприемников дало возможность существенно повысить качество и скорость получения и обработки оптических изображений и автоматизировать многие процессы, связанные с анализом оптической информации. Развитие компьютерной техники в последнее время привело к тому, что без нее не обходится практически ни одна экспериментальная установка, кроме того, появились новые методы, такие как кросс-корреляционная обработка изображений и т.д. [2].

Все это позволило приступить к разработке оптических методов диагностики потоков жидкости на новом научно-техническом уровне. В настоящее время широко используются методы исследования потоков, основанные на регистрации лазерного излучения, рассеянного находящимися в потоке частицами. Это позволило визуализировать общую картину течения и измерять

скорость потока по эффекту Доплера, а также наблюдать влияние оптически неоднородного потока на характер распространения в нем лазерного пучка. Также был предложен лазерный рефрактографический метод (ЛАРЕФ-метод) исследования оптически неоднородных потоков с использованием лазерных пучков специальной формы, при этом регистрация рефракционных картин ведется с помощью специализированных цифровых видеокамер с последующей компьютерной обработкой [3].

Эффект нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО), на котором основывается разработанный в данной работе метод, известен давно [4, 5], и на нем базируются чувствительные методы измерения показателей преломления различных сред и связанных с ними их физических параметров. В работе предлагается использовать его для визуализации картины распределения показателя преломления в пристеночных слоях прозрачных жидкостей с оптическими неоднородностями [6], например, в процессах фазовых переходов и при температурных градиентах в капле жидкости на горизонтальной подложке.

В последнее время наблюдается существенный рост интереса к капиллярной гидродинамике и теплообмену в микросистемах, вызванный интенсивным развитием электроники и медицины, а также миниатюризацией устройств в различных областях техники, например в аэрокосмической индустрии, транспорте и энергетике. В [7] кратко рассмотрены современные методы получения функциональных изображений в прижизненной микроскопии клеток и уделено основное внимание динамической когерентной фазовой микроскопии, основанной на регистрации локальных флуктуаций показателя преломления.

Не потеряла своей актуальности и задача об испарении капли жидкости в окружающий газ, несмотря на большое количество выполненных по этой теме исследований. Возросший в последнее время интерес к процессам самоорганизации в высыхающих каплях многокомпонентных жидкостей [8] привел к необходимости разработки и применения различных методов для диаг-

ностики этих процессов. Исследование испарения капли с помощью микроскопа по обычной методике позволяет получить информацию только о форме капли, но не позволяет исследовать контактный слой капли с поверхностью. В работе [9] указывается на важность исследования пограничной области размером 100-400 мкм вблизи контактной линии капли в связи с тем, что в ней происходит наиболее интенсивный тепло- и массообмен в процессе испарения. Исследование такой области методом НПВО вполне реально, в отличие от других используемых для этой цели методов. В работе [10] представлены результаты экспериментов по кристаллизации тиомочевины и гид-роксида натрия из водного раствора в микрообъеме 100 пл. Показано, что изучение факторов, влияющих на процессы самоорганизации молекул растворенных веществ в микро- или нанообъеме при высыхании растворителя, может привести к новым результатам, имеющим как прикладное значение (в микро- и нанотехнологиях), так и теоретическое (новые классы задач в физике фракталов и сильно нестационарных, диссипативных процессов).

Что касается процессов кристаллизации воды, то, несмотря на многочисленные исследования по данному вопросу, окончательного ответа о механизме кристаллизации льда до сих пор нет [11]. Поэтому задача исследования динамики процесса кристаллизации остается актуальной до сих пор. Например, в [12] приведены результаты исследования изображений водных растворов при их замораживании, полученных с помощью оптического микроскопа и показано, что структура замороженной капли изменяется в зависимости от вида примесей в воде. С помощью метода НПВО эти особенности могут быть определены более явно, что необходимо для автоматизации обработки изображений.

Динамическое состояние капли при ее растекании на горизонтальной подложке может служить для оценки степени чистоты поверхности подложек, очищенных плазмохимическим травлением, как показано в работе [13]. В этой работе изображения капли регистрируются видеокамерой, установленной сверху подложки. При этом обработка изображений для получения

точных количественных характеристик значительно затруднена из-за того, что поверхность капли имеет сложную форму, а сама капля является прозрачной. При регистрации изображений с помощью метода НПВО на созданной экспериментальной установке обработка изображений существенно упрощается и имеется возможность контролировать именно площадь контактного пятна капли с поверхностью стеклянной подложки. Исследование свойств приповерхностных слоев жидкости до сих пор является актуальным, что хорошо показано в [14], где подробно рассматриваются физикохимиче-ские свойства различных поверхностей. Также, до сих пор остается открытым вопрос о граничных условиях прилипания и скольжения для различных поверхностей [15], что также представляет большой интерес для современных исследований.

Цель работы

Основной целью работы является разработка оптико-электронного комплекса для визуализации оптически неоднородных пристеночных слоев жидкости на основе метода нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка и выявление особенностей протекания физических процессов в пристеночном слое жидкости. С этой целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов исследования оптически неоднородных сред и измерения показателя преломления.

2. Разработать метод визуализации физических процессов в пристеночных слоях жидкости на основе явления НПВО.

3. Создать экспериментальные установки для визуализации движения жидкости в микроканалах, а также для исследования физических процессов в капле жидкости на горизонтальной подложке.

4. Разработать алгоритмы и программы обработки картин визуализации.

5. Провести экспериментальные исследования и обработать полученные изображения.

Научная новизна работы

1. Разработан новый метод исследования физических процессов в пристеночном слое жидкости, основанный на явлении нарушенного полного внутреннего отражения широкого коллимированного лазерного пучка, позволяющий получать пространственное распределение показателя преломления и связанных с ним физических параметров жидкости в зависимости от времени, в отличие от известных оптических методов, основанных на использовании узких и сфокусированных пучков, которые позволяют получать локальное значение показателя преломления.

2. Впервые проведены экспериментальные исследования по изучению динамики физических процессов таких как перемешивание, испарение, охлаждение, кристаллизация, в пристеночном слое жидкости толщиной несколько сотен нанометров с помощью нарушенного полного внутреннего отражения.

3. Разработаны оригинальные алгоритмы обработки картин визуализации процессов в пристеночных слоях жидкости для получения количественной информации о физических процессах в пограничных слоях прозрачной жидкости.

Практическая ценность и использование результатов работы

Разработанный оптико-электронный комплекс может быть использован для исследования различных физических процессов в пристеночных слоях прозрачной жидкости, в которых происходит изменение ее показателя преломления, в частности, при появлении градиентов температуры, концентрации и др. Комплекс позволяет визуализировать развитие во времени процессов в пристеночном слое жидкости толщиной порядка сотен нанометров, а также получать пространственное распределение показателя преломления жидкости по границе раздела. Методика обработки полученных изображений может быть использована для других оптических методов исследования, использующих цифровые средства регистрации и обработки экспериментальных данных.

Внедрение

Материалы исследования включены в научно-технические отчеты по грантам ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК № 02.740.11.0449 и № 14.740.11.0594), НИР, выполняемой в рамках госзадания № 7.3732.2011 «Закономерности распространения светового излучения в слоистых и случайно неоднородных трехмерных средах» и грантам РФФИ № 10-08-00936 «Диагностика пристеночного слоя жидкости методами лазерной рефрактографии и полного внутреннего отражения» и № 12-08-31208 «Лазерная диагностика кристаллизации растворов и фазовых переходов в пограничных слоях жидкости».

Достоверность полученных результатов

Теория разработанного метода основывается на известных положениях физической оптики и широко используемых принципах обработки изображений. Показана воспроизводимость результатов исследования при многократном повторении экспериментов. Результаты обработки полученных экспериментальных изображений с целью определения показателя преломления жидкостей сравнивались с результатами определения показателя преломления тех же жидкостей с помощью рефрактометра ИРФ-454 Б2М. Среднеквадратичное отклонение составило не более 0,5%.

Апробация работы

Основные материалы диссертации докладывались на 11 конференциях: XI Международная научно-техническая конференция «Оптические методы исследования потоков» (Москва, 2011), 20-я Международная конференция «Лазеры. Измерения. Информация» (Санкт-Петербург, 2010), 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (Москва, 2011), 15th International Symposium on Flow Visualization (Минск, 2012), 10-я и 11-я Всероссийские (с международным участием) конференции с элементами научной школы для молодежи «Материалы нано-, микро-, оптоэлектроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2011 и 2012), Научно-техническая конференция-семинар по фотонике и информационной оптике

(Москва, 2011 и 2013), Международная научная школа «Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических технологиях» (Москва, 2011), XVII и XVIII Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2011 и 2012).

Публикации

По теме диссертационной работы опубликована 21 печатная работа, в том числе 7 работ без соавторов. 4 работы опубликованы в рецензируемых научных журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, содержит 109 машинописных страниц, включая 72 рисунка, 1 таблицу, 63 наименования списка литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

• Созданный оптико-электронный комплекс, принцип работы которого основан на явлении НПВО, позволяет визуализировать оптические неоднородности в жидкости на расстоянии порядка сотен нанометров от поверхности измерительной призмы на площади до 200 мм .

• Установка «Виджитек-1», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы движения жидкостей в микроканалах.

• Установка «Виджитек-2», входящая в состав созданного оптико-электронного комплекса, позволяет визуализировать и исследовать процессы растекания, испарения, охлаждени�