SprayMaster

SprayMaster: системы визуализации распылов для количественного анализа аэрозольных и жидкостных факелов

Распыление жидкости представляет собой сложный многостадийный процесс, в ходе которого непрерывная жидкая среда преобразуется в совокупность мелких капель с заданным диапазоном размеров и распределением. На начальной стадии происходит разрушение жидких структур и формирование первичных капель, затем развивается вторичное дробление, приводящее к образованию более мелких капель. В дальнейшем капли могут испаряться и смешиваться с окружающим газом. Для различных применений значимыми оказываются разные характеристики процесса: при нанесении покрытий и смачивании важна структура взаимодействия распыла с поверхностью, тогда как в процессах горения ключевыми параметрами являются проникновение факела, испарение и смешение топлива с воздухом без образования нежелательных жидких пленок на стенках камеры.

Поскольку формирование распыла происходит в миллисекундном временном масштабе и в миллиметровом пространственном диапазоне, диагностика распылов требует высокого пространственного и временного разрешения при отсутствии возмущения самого процесса. Этим требованиям отвечают оптические методы, основанные на визуализации световыми листами, задней подсветке, теневой съемке и лазерных методиках регистрации сигналов от капель и паровой фазы.

Семейство SprayMaster разработано как совокупность интегрированных и модульных систем визуализации распылов, предназначенных для научных исследований, разработки изделий, промышленных испытаний и контроля качества. Применяемые методы позволяют получать как качественные изображения структуры факела, так и количественные данные о геометрии, распределении массы, размере капель и поле течения.

Общие принципы систем SprayMaster

Системы SprayMaster обеспечивают точное и воспроизводимое измерение параметров практически всех типов распылов, включая непрерывные, периодические импульсные и переходные нестационарные факелы. Управление моментами подсветки, съемки и синхронизации выполняется измерительной системой, что позволяет применять переменные времена экспозиции для непрерывных распылов, автоматические фазовые сканирования для периодических процессов и высокоскоростную многофазную регистрацию переходных явлений.

Системы SprayMaster могут строиться на основе задней подсветки, глобального освещения, световых листов или лазерных листов. В зависимости от задачи они измеряют геометрию факела, распределение распыла, локальный размер капель, скорость капель, распределение массы, распределение жидкой и паровой фаз, массовый поток, поля течения и параметры плотных распылов. Крупномасштабная визуализация с расширенной подсветкой и высокоразрешающая съемка отдельных микрометровых капель поддерживаются в рамках одного семейства технологий.

Ключевыми характеристиками SprayMaster являются интегрированная и модульная архитектура, развитое программное обеспечение DaVis для анализа изображений, полное управление аппаратными компонентами, точная калибровка сигналов и прочные конструктивные исполнения для промышленных испытаний распылов.

Физические методы визуализации распылов

Метод рассеяния Ми основан на упругом рассеянии света поверхностью капель. Длина волны при этом не изменяется, а интенсивность сигнала пропорциональна площади поверхности капель. Этот метод широко применяется для визуализации формы факела, распределения капель и структуры распыла.

Лазерно-индуцированная флуоресценция представляет собой двухстадийный процесс, включающий поглощение лазерного излучения и последующее испускание света на другой длине волны. Сигнал LIF масштабируется с объемом капель или с массовой концентрацией жидкой либо паровой фазы. Поэтому он содержит информацию, отличную от сигнала рассеяния Ми, и особенно полезен при анализе распределения массы жидкости.

Метод LIF/Mie использует отношение флуоресцентного сигнала к сигналу рассеяния Ми. Поскольку LIF связан преимущественно с объемом, а Mie — с поверхностью, их отношение позволяет получать планарные карты среднего диаметра Заутера, или SMD/D32. Для получения абсолютных размеров требуется калибровка, например с использованием систем ParticleMaster.

Метод LIEF, или лазерно-индуцированная эксиплексная флуоресценция, основан на фазочувствительных флуоресцентных сигналах специальных эксиплексных трассеров. Он применяется для изучения переходов между жидкой и паровой фазами и, следовательно, для исследования процессов испарения.

Метод PIV, или цифровая трассерная визуализация частиц, применяется для измерения полей скорости капель распыла или окружающего газа при добавлении трассерных частиц. При совмещении LIF и PIV возможно определение массового потока в плоскости, перпендикулярной лазерному листу.

Метод SLIPI, или структурированная планарная визуализация лазерным освещением, использует пространственно модулированные лазерные листы для регистрации Mie- или LIF-сигналов. Он позволяет значительно уменьшить влияние многократного рассеяния в плотных распылах. Однократно рассеянный свет сохраняет информацию о пространственной модуляции, тогда как многократно рассеянный свет ее теряет. Специальная обработка фазово-сдвинутых изображений формирует изображение SLIPI с повышенным контрастом и выявляет внутренние структуры плотного факела.

Теневая съемка и интерферометрическая визуализация Ми применяются для локального измерения размера отдельных капель. Теневая визуализация регистрирует проекции капель в малом объеме распыла, а IMI использует расфокусированные интерференционные картины в направлении прямого рассеяния, частота полос которых содержит информацию о размере капель.

Характеризуемые параметры распыла

Системы SprayMaster позволяют определять широкий набор количественных параметров. К геометрическим параметрам относятся угол факела, угол изгиба, проникновение вершины факела, фронтальный угол, диаметр конуса, симметрия факела, положение центра тяжести, осевые и радиальные профили плотности распыла, распределение интенсивности по углу и радиусу, а также параметры отдельных конусов в многоструйных форсунках.

Для радиальных сечений распыла определяются площадь пятна распыла, эквивалентный диаметр, диаметры массовых окружностей по определению SAE, положение центра тяжести по интенсивности изображения, максимальный и минимальный радиусы до границы пятна, а также угловые и радиальные распределения, характеризующие структуру факела.

Для анализа размера капель используются локальные гистограммы размеров, статистические параметры D10, D32 и DV50, корреляции размера и скорости, а также планарные карты D32. Дополнительно могут измеряться поля скорости, массовый поток, распределение жидкой и паровой фаз, перенос массы и, при использовании соответствующих флуоресцентных трассеров, температура жидкости.

Программное обеспечение SprayMaster

Программные пакеты SprayMaster предназначены для широкого спектра задач визуализации распылов, включая анализ распределения распыла, геометрию факела, планарное распределение размера капель и испарение. Программная среда построена на базе DaVis и обеспечивает обработку изображений, управление аппаратными компонентами, синхронизацию, калибровку сигналов, отображение результатов и автоматизированную генерацию отчетов.

Пакет SprayMaster Geometry предназначен для извлечения геометрической информации из изображений распыла, полученных при задней подсветке или в световом листе. Он заменяет традиционную механическую паттернацию оптическим измерением. Измеряемые значения для осевых и радиальных сечений включают угол факела по интерполированной границе или на фиксированном расстоянии, угол изгиба, проникновение вершины, фронтальный угол, диаметр конуса, симметрию конуса, положение центроида, угловые и радиальные профили плотности распыла и другие параметры. При анализе многоотверстных форсунок программное обеспечение выделяет информацию по каждому отдельному конусу распыла.

Пакет Geometry позволяет оператору самостоятельно задавать представление результатов. Несколько окон могут быть объединены в одном виде в соответствии с потребностями пользователя. При необходимости информация размещается на нескольких вкладках. Встроенные функции создания снимков экрана и видеороликов позволяют получать результаты, пригодные для отчетности, при минимальном объеме ручных операций.

Синхронизация регистрации распыла

Точная синхронизация является важнейшим условием количественной визуализации распылов. Программируемый блок синхронизации LaVision PTU X обеспечивает гибкие схемы запуска и временного управления для низкоскоростных и высокоскоростных систем. Сканирование реализуется как автоматическое изменение времени измерения относительно момента впрыска или распыления.

PTU X может запускаться системой управления распылителем, световым барьером или самостоятельно формировать сигналы запуска. Для современных форсунок, работающих с несколькими впрысками, система способна генерировать последовательности впрысков и автоматически синхронизировать с ними подсветку и камеры. Это обеспечивает точную фазовую регистрацию и анализ развития факела во времени.

SprayMaster inspex для бесконтактного оптического контроля качества

SprayMaster inspex представляет собой экономичную систему количественного измерения формы и распределения распыла за очень короткое время с высокой воспроизводимостью. Она предназначена для контроля средств личной гигиены, косметической и парфюмерной продукции, бытовых распылителей и аналогичных аэрозольных или неаэрозольных продуктов.

Высокая степень интеграции процедур измерения и формирования данных позволяет существенно увеличить количество проверяемых образцов в день. Предварительно юстированная установка с широко регулируемой измерительной плоскостью сокращает время настройки и смены продукта. Все типы аэрозольных, неаэрозольных и порошковых распылов, создаваемых насосными распылителями или контейнерами под давлением, могут проверяться бесконтактным оптическим методом с использованием светового листа.

Оптическая паттернация распыла независима от состава продукта. Водные, спиртовые и масляные жидкости, жидкости низкой и высокой вязкости, прозрачные и непрозрачные среды, а также порошки измеряются одной и той же системой. Компьютерная обработка изображений, полученных встроенной камерой, исключает субъективность, характерную для визуальной оценки оператором. Это обеспечивает повторяемые и независимые от пользователя результаты за существенно меньшее время по сравнению с ручными или полуавтоматическими методами.

Компоненты SprayMaster inspex

Система SprayMaster inspex использует гибкие оптические световоды. Источник света размещается вне области распыла или испытательного отсека, что исключает присутствие электрических частей подсветки в зоне распыления. Освещение может формироваться безопасными для глаз импульсными или LED-лампами. Уникальная оптика LaVision создает тонкие световые листы из волоконной оптики без применения лазеров.

Компактные камеры и объективы обеспечивают малый размер установки и стабильную фиксированную конфигурацию. Водонепроницаемые корпуса и защитная воздушная продувка снижают загрязнение оптических компонентов продуктом распыления. Система имеет универсальную компоновку и может адаптироваться к различным испытательным задачам.

Оптический анализ пятна распыла

Бесконтактное радиальное сечение распыла заменяет традиционную бумажную или механическую паттернацию тонким световым листом. Камера фиксирует пересечение светового листа с факелом в заданной плоскости и немедленно формирует изображение пятна распыла. На этом изображении программно определяются граница распыла, центр тяжести, площадь пятна, эквивалентный диаметр, круговость и профили распределения плотности.

Граница распыла определяется объективным и воспроизводимым автоматическим алгоритмом. Площадь распыла соответствует общей площади, занятой выделенной частью изображения. Центроид определяется автоматически и может быть сопоставлен с механической осью распылителя. Эквивалентный диаметр представляет собой диаметр круга той же площади, что и анализируемое пятно распыла. Круговость оценивается по минимальному и максимальному расширению пятна и показывает, насколько форма распределения соответствует окружности. Угловой профиль плотности показывает долю распыла, распространяющуюся в определенном направлении, и отражает равномерность распределения.

Оптический анализ факела распыла

В отличие от бумажных методов испытаний, оптический анализ может выполняться также вдоль направления распространения распыла. Световой лист может быть спроецирован в плоскость, совпадающую с факелом, либо полнопольная задняя подсветка может освещать проекцию факела на камеру. Обе конфигурации дают прямое изображение конуса распыла и позволяют измерять угол конуса и направление его главной оси.

При использовании высокоскоростных камер SprayMaster inspex может регистрировать ход распыления в замедленном воспроизведении. Это позволяет выполнять детальный временной анализ каждой стадии процесса. Начальный распад струи и завершение распыла могут отличаться от среднего состояния факела и существенно влиять на общее качество распыления.

Анализ топливных распылов

SprayMaster inspex может применяться как универсальный и простой инструмент для измерения геометрии топливных распылов. Размер, форма и развитие конуса факела регистрируются непосредственно стандартными или высокоскоростными камерами. Быстрый оптический затвор или стробоскопическая подсветка останавливают движение и позволяют получать резкие изображения любой стадии развития факела.

Система применима к дизельным распылам, распылам распределенного впрыска, непосредственного впрыска бензина и форсункам газотурбинных установок. Испытательные камеры могут оснащаться безопасной для глаз нелазерной системой SprayMaster inspex. Тонкие световые листы создаются без лазеров, а глобальное освещение обеспечивается задней подсветкой или импульсными лампами.

Высокоскоростные измерения позволяют за короткое время регистрировать множество отдельных актов распыла. В условиях контроля качества это повышает экономическую эффективность, поскольку большое количество испытаний выполняется за короткий период. Несколько десятков распылений обычно достаточно для статистически значимого описания развития факела.

Преимущества высокоскоростной регистрации заключаются в полном временном разрешении отдельных актов распыления, получении информации о стабильности развития конуса, резком сокращении числа необходимых распылов при расширении числа исследуемых условий, увеличении времени эксплуатации испытательной камеры и сокращении общего времени настройки за счет уменьшения загрязнения камеры.

Осевые сечения распыла

Осевые сечения ориентированы вдоль направления распространения факела. Измерения выполняются с использованием световых листов, глобального освещения или задней подсветки. Углы конуса определяются непосредственно по изображениям несколькими способами: на заданном расстоянии от отверстия форсунки, по одной или нескольким плоскостям; интерполяцией границы распыла; интегрированием факела; а также через определение угла изгиба и половинных углов, характеризующих симметрию и направление факела.

Дополнительным параметром является проникновение вершины факела, которое при отображении во времени показывает динамику распространения распыла. Угловые графики применяются для оценки равномерности факела.

Радиальные сечения и многоотверстные форсунки

Радиальные сечения получают при пересечении светового листа с осью распыла. Такая схема дает результат, сопоставимый с механическими паттернаторами. Она позволяет измерять площадь пятна, эквивалентный диаметр, диаметры массовых окружностей по SAE, положение центроида по интенсивности изображения, максимальный и минимальный радиусы до границы распределения, а также радиальные и угловые распределения, раскрывающие структурные особенности факела.

Для дизельных и многоотверстных бензиновых форсунок важно получать подробную информацию о стабильности и равномерности каждого отдельного конуса. Временное разрешение отдельных распылений позволяет сравнивать стабильность от акта к акту. Каждый конус многоотверстного или многоконусного распыла обрабатывается отдельно, что дает информацию о равномерности развития всех струй.

Измерения внутри двигателя

Для визуализации распыла внутри работающего двигателя LaVision предлагает оптический доступ с применением эндоскопов и осветительных зондов для камеры и подсветки. EngineMaster inspex является развитием SprayMaster inspex и предназначен для синхронизации и работы на моторных стендах. Такие системы позволяют наблюдать топливный распыл непосредственно внутри двигателя при минимальных изменениях конструкции.

Лазерная визуализация топливных распылов

Топливные распылы в значительной степени определяют процесс смешения топлива и воздуха, например в двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках. Лазерная визуализация дает информацию о распределении концентрации топлива, испарении и картах соотношения топливо–воздух.

В настоящее время лазерная визуализация является стандартным измерительным инструментом при исследовании топливных распылов в испытательных камерах высокого давления или непосредственно в камере сгорания. При ограниченном оптическом доступе возможно использование лазерных и камерных эндоскопов. Лазерная визуализация заменяет устаревшие подходы проб и ошибок эффективным аналитическим методом и предоставляет данные для валидации CFD-моделей.

SprayMaster LIF

Пакет SprayMaster LIF включает инструменты обработки лазерных изображений. Вычитание фона удаляет паразитную засветку. Коррекция светового листа компенсирует неоднородность лазерного листа. Коррекция по белому изображению устраняет влияние оптики на яркость изображения. Коррекция дисторсии и сопоставление изображений, или de-warping, удаляет искажения оптики, исправляет перспективные искажения при съемке под углом и совмещает изображения от нескольких камер с субпиксельной точностью.

Сигнал LIF пропорционален массе капель и поэтому содержит информацию, отличную от изображения, полученного только по рассеянию Ми. При совмещении с PIV на основе LIF может быть определен массовый поток.

SprayMaster D32

Пространственное распределение среднего диаметра Заутера, SMD или D32, измеряется методом планарной лазерной визуализации на основе отношения LIF и Mie. Пакет SprayMaster D32 позволяет регистрировать эти данные одной или двумя камерами, совмещать изображения и получать планарную карту D32.

Ратиометрический подход позволяет рассчитывать глобальные карты среднего диаметра Заутера по парам изображений LIF и Mie. Для получения абсолютных размеров используется процедура калибровки, например с применением систем ParticleMaster. Одномоментная глобальная карта размера капель формируется из одного лазерного импульса при наличии флуоресцентного трассера.

SprayMaster Exciplex

Пакет SprayMaster Exciplex предназначен для разделения жидкой и паровой фаз методом планарной лазерной визуализации с применением эксиплексных трассеров. Он поддерживает все стадии обработки изображений, необходимые для корректного разделения фаз. Программные функции позволяют выделять жидкую и паровую составляющие из LIF-изображений, устранять перекрестное влияние сигналов при перекрывающихся спектрах флуоресценции и рассчитывать отношение жидкой и паровой фаз ратиометрическим методом.

Метод LIEF обеспечивает одновременную визуализацию двух фаз. Благодаря специальным флуоресцентным трассерам сигналы жидкой и паровой фаз могут быть спектрально разделены оптическими фильтрами.

FlowMaster и измерение полей скорости

Измерение полей скорости методом PIV является устоявшимся подходом в механике жидкости и может применяться к каплям распыла или к окружающему воздуху при добавлении трассерных частиц. Двухимпульсный лазер системы FlowMaster является основой для модернизации и расширения на другие методы. В контексте распылов PIV позволяет получать двухфазные поля течения капель и окружающего газа.

Для трехмерных распылов, где движение капель имеет турбулентный характер, двумерная визуализация световым листом не всегда способна раскрыть пространственные структуры течения. Томографические методы реконструкции, использующие несколько камерных проекций освещенного объема, позволяют мгновенно регистрировать сложные трехмерные структуры распыла. Из временно скоррелированных трехмерных изображений может быть получено мгновенное трехмерное поле движения капель и структура вихревого течения.

Плотные распылы и метод SLIPI

В плотных распылах обычная планарная лазерная визуализация часто искажается многократным рассеянием света. Метод SLIPI снижает этот эффект за счет пространственно модулированного лазерного листа. При сдвиге фаз полосовой структуры и корректном объединении изображений итоговое SLIPI-изображение обладает более высоким контрастом и выявляет внутренние структуры, скрытые при традиционной визуализации.

Этот метод особенно полезен для исследования плотных факелов, в которых необходимо получить информацию о внутренних областях, полых конусах, пустотах, областях распада и неоднородностях распределения капель.

Системы измерения размера капель

ParticleMaster Shadow основан на регистрации теневых проекций капель в малом локальном объеме внутри распыла. Метод дает количественные абсолютные результаты и может использовать различные источники задней подсветки, от импульсных LED до лазеров. Дальнодействующий микроскоп обеспечивает безопасное рабочее расстояние при высоком увеличении и позволяет обнаруживать очень малые капли. Измеряются размер и скорость капель, корреляции размера и скорости, форма капель, эксцентриситет, статистика и гистограммы D10, D32 и DV50.

ParticleMaster IMI рекомендуется для разреженных распылов и использует лазерный световой лист, позволяя наблюдать большую область по сравнению с теневой съемкой. При расфокусированной регистрации в направлении прямого рассеяния формируются интерференционные полосы, содержащие информацию о размере капель через частоту полос. Метод позволяет измерять размер и скорость капель, корреляции размера и скорости, а также статистические распределения D10, D32 и DV50.

SprayMaster D32 обеспечивает мгновенную глобальную карту размера капель с использованием LIF/Mie. Поскольку LIF пропорционален объему, а Mie — площади поверхности, отношение этих сигналов дает D32. Для абсолютной калибровки планарных карт D32 могут использоваться локальные методы ParticleMaster Shadow или IMI.

Настройка программного обеспечения и промышленная интеграция

На основе стандартной функциональности программное обеспечение SprayMaster может быть адаптировано под конкретную систему анализа распылов. Оно может интегрироваться в существующую испытательную среду, например для автоматизированных серийных испытаний партий продукции. Настройка возможна на разных уровнях: оптимизация пользовательского интерфейса, согласование с существующим рабочим процессом, автоматическое сохранение результатов, изображений и отчетов, удаленное управление и автоматическая работа без постоянного участия оператора.

Индивидуально настроенные системы SprayMaster снижают эксплуатационные затраты испытательных лабораторий и повышают объективность измеряемых свойств распыла. Основные преимущества включают увеличение объема испытаний, надежность и повторяемость результатов, а также прослеживаемость испытательных процедур.

Области применения SprayMaster

Системы SprayMaster применяются в анализе распылов в процессах горения, включая масляные горелки, автомобильные распылы дизельного и бензинового топлива, а также газовые турбины. Они используются при нанесении покрытий и добавок, включая окраску, изоляцию и инкапсуляцию. В области обработки сред и поверхностей системы применяются для увлажнения, туманообразования, мойки, очистки, противопожарных спринклерных систем и сельского хозяйства. В производстве и технологической обработке они используются для сушки, охлаждения, контроля пены и пылеподавления.

Для потребительских аэрозольных продуктов, косметики, парфюмерии, бытовых распылителей и насосных спреев SprayMaster inspex обеспечивает быстрый и объективный контроль качества. Для топливных форсунок система позволяет анализировать форму, симметрию, стабильность и временную эволюцию факелов. Для научных задач лазерные пакеты SprayMaster LIF, D32, Exciplex, SLIPI и FlowMaster обеспечивают многопараметрическую диагностику сложных распылов.