Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов

Трегуб, Владимир Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов"

ЦВЕТНОЙ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА НА МОДЕЛЯХ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ АГРОЛАНДШАФТОВ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2005

Работа выполнена в ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Российской Академии Сельскохозяйственных наук

Научный руководитель

-доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент РАСХН Усков Игорь Борисович.

Официальные оппоненты:

-доктор физико-математических наук, профессор Куртенер Дмитрий Александрович: - доктор технических наук, профессор Демин Анатолий Владимирович. Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики (С-ПбГУ ИТМО).

Защита диссертации состоится " %_2005 г.

в /Ь часов на заседании диссертационного совета Д 006 001 31 в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу: 195220, г Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью учреждения, просим направить по адресу:

195220, г Санкт-Петербург, Гражданский пр , 14, АФИ

Автореферат разослан

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБО ГЫ

Актуальность темы

Формирование температурного и влажностного режимов сельскохозяйственных полей на склоновых землях в суточных циклах обусловлено интенсивностью движения приемных слоев атмосферного воздуха - стенанием 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 экспериментально! о определения расчетных зависимостей остается применение лабораторного моделирования с использованием принципов и правил подобия При этом следуе I иметь ввиду, что теплообмен на поверхностях в модельных опытах происходит в тонких тепловых пограничных слоях, внесение в которые даже малогабаритных измерительных датчиков приведет к искажению полей температур, определяющих интенсивность процессов выхолаживания моделей склонов.

Оптические методы исследования прозрачных неоднородностей дают возможность изучать 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 связи с этим дальнейшая разработка оптических методов исследования теплообмена склоновых земель агроландшаытов является актуальной.

В современных аэродинамических установках при проведении экспериментальных исследований из методов визуализации чаще других используются и являются наиболее отработанными теневые 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 обладают сравнительно узким диапазоном измерений разности хода лучей на исследуемых неоднородностях: от долей длины волны используемого при контроле излучения до десятков длин волн.

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 меюдов почти не уступает чувствительности интерференционных методов и, при этом, теневые методы позволяют исследовать весьма большие фазовые неоднородности, недоступные интерференционным методам. 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.

С точки зрения расширения номенклатуры исследуемых характеристик одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метол Однако цветной теневой метод до сих пор, как правило, используе1ся как качественный метод исследования прозрачных неоднородностей. При этом весьма актуальной является задача развития цветного теневого метода в направлении расширения возможностей сю использования в качестве количественного метода исследования прозрачных неоднородностей

я У *

' г •> .

Целью работы является'

1 Теоретическое и экспериментальное исследование двухкоординатного цветного теневого метода, расширение его возможностей при использовании его как количественного метода при исследовании прозрачных неоднородностей

2 Создание специальных оптических узлов для реализации разработанных модификаций цветного 1еневого метода (для прибора ИЛБ-451)

3 Разработка методик получения и последующей цифровой обработки цветных теневых изображений процессов теплообмена в системе почвенный покров — приземный слой ашосферы 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 Разработка модификаций цветного теневого метода, позволяющих определять две проекции на координатные оси вектора отклонения лучей, проходящих через исследуемую оптическую неоднородность.

2 Теоретический анализ характеристик и сравнительная оценка вариантов цветного теневого метода с квадратной и круглой формой визуализирующей диафрагмы в светлополь-

ном и темнополыгом вариантах при использовании цветной RGB (красный, зеленый, синий) видеотехники,

3 Разработка алгоритмов обработки RGB -видеоинформации при анализе цветных теневых картин

4 Разработка методики калибровки изображений, формируемых цветным теневым прибором.

5 Модернизация теневого прибора ИАБ-451 для реализации разработанных модификаций двухкоординатного цветною теневого метода в светлопольном и темнопольном вариантах.

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

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

8 Внедрение в» практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агроклимага 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 опжческих приборов, оптических измерений, статистической обработки результатов измерений

В экспериментальных исслечованиях 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 1еории 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 светлополыюм 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 двухкоординатный 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 двухкоординатного 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 Ai рофизического института двухкоордшшный цветной теневой метод на модернизированном приборе ИАБ-451.

Апробация работы

Материалы диссср1ационной работы представлены и обс>ждены на международной научно-практической конференции 'Модели и технологии оптимизации земледелия" 9-11 сентября 2003 г, Курск, на годичной научной сессии Агрофизического института (г Санкт-Петербург) в 2005 г, на регулярных семинарах спсциалиств отдела физики атмосферы и агроклимата Агрофизического института в 2003-2005 годах

Публикации

Основное содержание работы отражено в ipex публикациях

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех пав. выводов, и списка литературы, изложена на 130 страницах машинописного текста содержит 5 [абчиц и 34 рисунка Список чичературы включает 134 наименования из них 43 зарубежных источника

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрыта актуальность темы, определены цели и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы

Глава 1. Теневой метод исследования прозрачных неоднородностей. Состояние вопроса. Под теневым методом принято понимать метол, развитый на основе идеи, впервые предложенной французским астрономом Фуко в 1858 г для контроля качества изготовления больших астрономических объективов высокой разрешающей силы, известный как "метод ножа Фуко" Многие авторы (Портер, Максутов, Малакара) вслед за Фуко подчеркивали, что введение ножа в изображение точечного источника света, создаваемое контролируемым объективом (поверхностью), приводит к явлениям, похожим на косое освещение контролируемой поверхности иод малым углом; при этом рельеф поверхности становится заметным из-за появления затемнений в виде 1еней, что и дало методу Фуко название "теневой'" В 1864 г немецкий физик Теплер применил этот метод для исследования газовых неоднородностей, и метод стал называться методом Теплера или шлирным методом

В обзоре рассмотрены литературные источники, в которых изложены теоретические основы теневых методов исследования прозрачных неочнлрочттстей описаны используемые в различных областях па\ки и техники теневые приборы Обзор показывает, что теневые методы в настоящее время являются достаточно распространенными и универсальными методами визуализации и оценки изменений формы волнового фронта излучения, проходящего через исследуемый прозрачный объект Эти методы могут использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами исследований и позволяют изучать тонкую структуру потоков без введения в них геометрически объемных датчиков

Глава 2. Расчетно теоретическое исследование цветного теневого метода. Ана-тз работы цветного теневого чртодп Одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метод, обеспечивающий визуализацию и возможность оценки обеих проекций вектора отклонения лучей, проходящих через исследуемую прозрачную неоднородность В этом случае для оценки направления вектора отклонения лучей используется цветовой тон (Волосов, Цивкин)' при этом для оценки модуля (длины) вектора используется освещенность, как и в классическом теневом методе Цветные CCD-Maiрицы используем!,ie в современной цветной видеотехнике, имеют три сетки равномерно расположенных по их поверхности элементарных селективных фотоприемников, такие

матрицы называют RGB -матрицами

По количеыву используемых цветов в литературе описаны несколько вариантов семь - по числу основных цветов в спектре радуги (Васильев), четыре - то числу сторон квадратом рамки (Сеттлз. Сухор>ких, Харитонов Шаров, Безмснова и др , Голуб и др ), три минимальное количество подобранных определенным образом цветов (Волосов, Цивкин). позволяющее при своем сочетании в соответствующих пропорциях реализовать любой цве-ювой топ при любой насыщенности (Очихов. Подласкин. Дапьков и др, Березинцев, Захарова)

В связи с применением в цветных теневых приборах RGB -матриц предпочтительным является выбор трех светофильтров тех же цветов - красного зеленого ((j) и синею (В) Исходя из лучевой модели мы можем считать, что сигналы /(/, Р* ^. вырабатываемые элементарными фоюприемниками номер "/" расположенными в точке Z5', описываются системой уравнений

l{i=2,F)=t^2yS(j,P'); (1)

j=i

где С1у — коэффициенты, равные а '

где — некоторая константа^ А, — длина волны используемого излучения, )—

спектральная яркость источника излученияТ^Л.)— спектральное распределение коэффициента пропускания оптической системы теневого прибора спектральное распределение коэффициента пропускания светофильтра с номером у . расположенного в плоскости визуализирующей диафра/мы^ Т]; (А.) — спектральная чувствительность фотоприемника с номером I .

Исследуемый объект мы считаем имеющим одинаковый коэффициент пропускания во всем использ\емом спектральном диапазоне и оказывающим влияние на величин)' сигналов /только через величины площадей , Т3') Решение системы (1) имеет вид

(2)

/=1

где (й ^ — элементы обратной матрицы

Решение (2) показывает что ее 1и с помощью цвежого теневого меюда по т\чигь значения сигналов элементарных фотоприемников (7 = 1,2,3) некоторой

точки изображения, то, зная коэффициенты , можно рассчитать значения площадей

»^(у , Р'^ Это справедливо, конечно, при условии равномерного заполнения светом задающей диафрагмы 3 (см рис 1)

Задачей, решаемой с помощью теневого прибора, реализующего цветной метод, является определение вектора ) смещения локальных изображений источника излучения (точнее, либо двух его проекций и либо модуля вектора и

его азимутального угла Ос(.Р')) для любой точки Р изображения исследуемого объекта. Поскольку теневой метод обеспечивает измерение не компонент вектора а косвен-

ное измерение площадей ^(у, Р* ), то возникает вопрос перехода от площадей Р )

к вектору Этот переход определяется в первую очередь параметрами задающей и

визуализирующей диафрагм Исследование связи между вектором <§г(Р) и площадями

Р ) в зависимости от параметров указанных диафрагм с целью оптимизации работы

теневого метода, является существенной составной частью настоящей работы При этом мы ограничимся рассмотрением случаев, когда предельные смещения изображений задающей

диафрагмы £тах можно считав малыми по сравнению с размерами визуализирующей диафрагмы При решении задач исследований с помощью цветного теневого метода можно принять, что величины локального смещения изображения задающей диафрагмы в плоскости

визуализирующей диафра! мы ограничены некоторой предельной величиной §тах • При

этом целесообразно рассмотреть два варианта цветного теневого метода, которые можно назвать светлопольным и темнопольным

Свстлопольный вариант цветного теневого метода характеризуется тем, что размеры изображения задающей диафрагмы всегда должны перекрывать экранирующую (непрозрачную) зону визуализирующей диафрагмы, а расстояние от границ этого изображения до границ

экранирующей зоны должно превышать £тах • Изображение исследуемого объекта в свет-

лопольном варианте всегда является освещенным При невозмущенном объекте его изображение имеет белый цвет, а при возмущении исследуемого объекта его изображение окрашивается, причем цветовой тон изображения зависит от направления смещения лучей, а насыщенность цветового тона зависит от величины этого смещения

Темнопольный вариант цветного геневого ме!ода характеризуется 1ем. что в невоз-мущепном состоянии исследуемого объекта размеры изображения

ь 4

С)

I—1г 1—

1Г

-I

1 - лампа, 2 - конденсор, 3 - задающая диафрагма. 4 - объектив задающего коллиматора, 5 - исследуемый объект, 6 - объектив принимающего коллиматора, 7 - визуализирующая диафрагма, 8 - проекционный объектив. 9 - приемник изображения.

Рис. 1 Принципиальная оптическая схема теневого прибора

задающей диафрагмы точно соответствуют размерам непрозрачной (срезающей) части визуализирующей диафрагмы, так что (при соответствующей начальной юстировке прибора) изображение задающей диафрагмы полностью перекрывается (срезается) визуализирующей диафрагмой Поэтому свет до изображения исследуемого объекта не доходит, и это изображение оказывается темным Однако при возмущении объекта происходит соответствующее смешение изображения задающей диафрагмы относительно визуализирующей диафрагмы со светофильтрами и на изображении исспедуемого объекта появляется свет, цветовой тон и интенсивность которого определяются сочетанием площадей зон пересечения изображения задающей диафрагмы со светофильтрами визуализирующей диафрагмы

В работе рассматриваются квадратная и круглая формы задающей и визуализирующей диафрагм при светлопольном и темнопольном вариантах цветного теневого метода

Цветной теневой метод с квадратной формой задающей и визуализирующей диафрагм Плоскость визуализирующей диафрагмы имеет вид, показанный на рисунке 2. Изображение задающей диафрагмы представляет собой равномерно освещенный белым светом

квадрат с размером стороны 2С (па рис 2 его контур показан штриховой линией) Визуализирующая диафрагма представляет собой четыре одинаковых прямоугольных окна длиной

1-1 на непрозрачном фоне Окна расположены по сторонам квадрата со стороной 2О, Суммарная протяженность каждого из трех светофильтров (красного, зеленого и синего) одна и

4 г

та же и равна — Ь,

Свет'юпольный вариант с квадратной формой днпфра^'ч (гариапт 1) Для вариаша 1 при псвозм)щепном сисюяиии исследуемою объект (рис 2) площади пересечения изображения задающей диафрагмы с каждым из светофильтров ( К, С и в плоскости визуализирующей диафрашы равны между собой'

с _ С _ С _ С _ ~ а)

о1 — о2 — о3 — о0 — ^ ■ (3)

При возмущении исследуемою объекта значения проекций вектора £ смещения изображения задающей диафрагмы можно найти из следующих выражений:

(4)

В свепопольном варианте суммарная площадь зон пересечения изображения задающей диафрагмы с окнами (в которых установлены светофильтры) в плоскости визуализирующей диафрагмы является постоянной и равной

7-1

" о'I

J-i. У=1

Z , 1»

-п 3 L'

/=3

Рис 2 Вид плоскости визуализиру ющей диафрагмы для слу чая квадратной формы при невозмущенном исследуемом объекте.

Теинопочьный вариант с квадратной формой диафрагм (вариант 2). Темнополь-

ный вариант характеризуется усювием 2 с = 2 а (см рис 2) Тогда н невозму щепном состоянии исследуемого объекта ею изображение буде[ темным, а при возмущении объема в его изображении будет появляйся све1, причем тем большей ншенсивности чем бо iliiic

величина вектора g смещения изображения источника в шоскосги визуализирующей диафрагмы Для определения тлипм и направления вектора g испо н>зу ются то н.ко максимальное и среднее значение S а минимальное значение сбрасывается поско н.ку и> мно-

гих случаях оно может быть просто равным нулю Однако вследствие шумов фотоприемника или других искажающих факторов измеренное значение 5 можег быть несколько

большим нуля. Для решения вопроса о том, какие из значений 5 использовагь для определения проекций £х и £ вектора £ и каким образом это делать, координатное пространство разбивается на пять зон, как показано на рисунке 3 Эти зоны характеризуются условиями:

зона I: , Б2, £3) = 5*3 / > .

зона н. 1. тт{8х, , £3) = 53; 251 < £2. ЗонаII.2 :,^,) = ^/ 283 < 32. зона ш: тт(31, , £3) = / > 5*2.

Зона IV: , ^, ^ ) = .

Рис 3 Разбиение на зоны КООрДИНЭТНОГО пространства вектора ^

Одна из координат gx или g вектора g оказывается пропорциональной среднему из значений Sj , а другая координата вычисляется с использованием максимального из значений

S и уже вычисленного значения первой координаты.

Цветной теневой метод с круглой формой задающей и визуализирующей диафрагм. Светлопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 3) На рисунке 4 показано взаимное положение изображения задающей диафрагмы и визуализирующей диафрагмы круглой формы, соответствующее светлопольному варианту 3 для случая невозмущенного объекта

Изображение задающей диафрагмы представляет собой равномерно освещенный белым светом круглый диск радиуса У (на рис. 4 его контур показан штриховой линией).

Визуализирующая диафрагма представляет собой круглый непрозрачный диск радиуса Га на

прозрачном фоне Наружный контур окна имеет круглую форму радиуса Гь . Радиусы Уа,

Уь и V выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия:

Го>Га>

Гс ~Га> 8max' (6)

ГЬ~Гс> 8max' .

Прозрачное кольцевое окно с внутренним радиусом Уа и наружным радиусом Т"ь разбито на три равных сектора, в которых установлены соответствующие светофильтры основных цветов = R, G,B) или (j — 1,2,3). Площади зон пересечения задающей диафрагмы с соответствующими светофильтрами в плоскости визуализирующей диафрагмы обозначим, как и в предыдущих вариантах, через S^ (_/ = 1,2,3). В невозмущенном состоянии исследуемого объекта (см рис 4) все S равны между собой и равны'

Sl=S2 = S2 = S0 = jn-(гс2 - г]). (?)

При возмущении исследуемого объекта площади S изменяются, но при этом вы-

полняется условие (5) ^ Sj = 3iS0 .

J=1

Рис. 4 Вид плоскости визуализирующей диафрагмы для случая круглой формы при невозмущенном исследуемом объекте

Как и для случая квадратной формы задающей и визуализирующей диафрагм, значения упорядочиваются по величине, и в зависимости от того, какое из значений является максимальным, какое минимальным, а какое средним, выбирается диапазон измене-

ГС

ния азимутального угла СС размером ~

Л 71

Далее рассматривается диапазон изменения (X от и до Н--. для которого

5*1 > > , и принимается предположение (всегда практически реализуемое), что

длины векторов £ ограничены величиной §тах ■ которая много меньше, чем У (принято, что §тах < 0.2 У ). Для этих условий показана возможность построения итерационного процесса нахождения длины £ вектора £ и его азимутального угла ОС с помощью величин площадей и .

Темнопольный вариант с круглой формой диафрагм (•вариант 4) Темнопольный вариант 4 характеризуется условием У = У , причем У » (?„,„„. В работе показано, что

с и с о тал

нелинейность зависимости величины от £ пренебрежимо мала,

поэтому величину целесообразно использовать для определения значения £ . Для нахождения азимутального угла ОС строится итерационный процесс.

Сравнение вариантов цветного теневого метода В работе сначала рассмотрено изменение интенсивности и цвета изображения для описанных четырех вариантов цветного

теневого метода при изменении длины § и азимутального угла ОС вектора § . В частности показано, что в варианте 2 при фиксированном § и изменении ОС насыщенность цвета будет:

Зл

- при увеличении ОС от 0 до - насыщенность цвета будет уменьшаться от 1 до

1 Зп Зя

— , а при дальнейшем увеличении ОС от - до - насыщенность цвета будет возрас-

2 4 2 1

тать от — до 1, при этом цветовой тон меняться от красного к синему через желтый, зеле-2

ный и голубой;

ЗЛ 71

- при ОС от-до 271 (от--до 0) насыщенность цвета будет равна 1, а цве-

2 2 товой тон будет меняться от синего к красному через фиолетовый.

В светлопольном варианте цветовой тон будет меняться аналогичным образом, но насыщенность цвета будет меньшей, причем меняющейся в зависимости от величины ^ .

Визуально теневые картины в вариантах с круглыми диафрагмами похожи на теневые картины в вариантах с квадратными диафрагмами

Сравнительный анализ вышеизложенных четырех вариантов цветного теневого метода с тремя С, В} светофильтрами показывает следующее

Все рассмотренные варианты являются работоспособными, обеспечивающими возможность Проведения математической обработки результатов измерения с целью определения двух параметров вектора отклонения луча и достаточно легко реализуемыми Отметим при этом, что круглая форма задающей и визуализирующей диафрагм (вариант ы 3 и 4) более

технологична и проста в исполнении, чем квадратная, поэтому с точки зрения доработки действующих теневых приборов круглая форма диафрагм является предпочтительной

С точки зрения визуальной оценки наблюдаемых явлений темнопочьные варианты 2 и 4 теневого метода представляются более предпочтительными, чем свеглопольные. по-скочьку 1емнопольные варианты дают более контрастное и легко распознаваемое теневое изображение При использовании компьютерной обработки видеоинформации это обстоятельство не играет существенной роли При эгом в светлопольных вариантах 1 и 3 имеется возможность контроля точности измерений путем расчета сумм всех частичных пчощадей, которая должна быть равна заданной константе, что является достоинством этих вариантов

С точки зрения линейности зависимости площадей 5" от g некоторое предпочтение имеют варианты 1 и 2 (квадратные диафрагмы) перед вариантами 3 и 4 (круглые диафрагмы).

С точки зрения величины шумов темнопольный вариант также имеет преимущество перед светлопольным.

С другой стороны, при малых уровнях освещенности может иметь место некоторая нелинейность сигнала Эта нелинейность может быть обусловлена такими факторами, как, например, небольшое превышение размера непрозрачной части визуализирующей диафрагмы по сравнению с размером изображения задающей диафрагмы или нерезкостью контуров изображения задающей диафрагмы Кроме того, если при регистрации теневой картины использовать фотографический процесс, то нелинейность может быть особенно сильной Все это приведет к искажению результатов и понижению чувствительности при реализации тем-нопольного варианта В таких ситуациях светлопольный вариант сохраняет достаточно высокую линейность и чувствительность к малым возмущениям и в этих условиях имеет предпочтение перед темнопольным вариантом.

На рисунках 5, 6(см оборотную сторону обложки) приведены цветные теневые изображения одной и той же картины воздушных потоков у нагретой поверхности наклонной пластины (светлопольный и темнопольный варианты с круглой формой диафрагм, модернизированный теневой прибор ИАБ-451)

Калибровка изображения, формируемого цветным теневым прибором Для цветного (еневого прибора вопросы калибровки имеют не меньшее значение, чем для классического теневого прибора Показано, как рационально использовать для калибровки цветного теневого прибора методы смещения и расфокусировки диафрагм I [ри калибровке рассматривается также и совместное воздействие на изображение исследуемого объекта взаимных поперечного смещения и расфокусировки изображения задающей диафрагмы относительно визуализирующей диафрагмы

Глава 3. Методика модельных экспериментов изучения теплообмена на склоновых землях. Экспериментспьные модечи при исследовании структуры топких тетовых пограничные с юав Отработка методики использования цветного теневого метода при исследовании структуры тонких неоднородностей типа тепловых пограничных слоев выполнена в моде |ьныч экспериментах изучения теплообмена па склоновых зем >ях

Интенсивность процессов жерт- и массообмена в тандшафтах и агрочандшафтных структурах различна таже в счччаях их одинаковости по морфо югическим признакам и местонахождению в рельефе ландшафта большой размерности Изменение состояния поверхности поля прежде всею влияа на интенсивность и направленность процессов тепло- и влаго-обмена межл\ почвой и приземным с тем атмосферы и оказывает соо1 веа 1в\ юшее воздей-С1кие на теп юной влажносгный и 1азоный режимы и почве и корпеобиыемои сречс I? то же

время известные рекомендации по микроклиматической корректировке климатических характерноIик в расчлененных тандшафтах не имеют привязки к состоянию поверхности полей

Только исстедования физических процессов и системе "почва-атмосфера" даю! возможность объективно и достоверно корректировать и уточнять микроклиматические характеристики агроландшафтов На формирование микроклимата оказывают влияние процессы происходящие на границе системы «поверхность почвы - приземный слой атмосферы» В суточных циклах чередования дневного нагрева и ночного выхолаживания теплообмен на этой границе определяется изменением разности температур между поверхностью склона и окружающим воздухом, т е процессами тепловой гравитационной конвекции В случае если поверхность расположена под некоторым углом к направлению гравитационного ускорения, возникает течение вдоль поверхности, единственной причиной которого является неодинаковость плотности воздуха вблизи стенки и в окружающей неподвижной среде На склоновых землях возникают именно такие течения

Рассмотрены две модели процессов первая модель (дневная) - подъем некоторого приземного слоя воздуха вверх по нагретому склону; в этом случае воздух нагревается от поверхности почвы; вторая модель (ночная) - холодные массы воздуха стекают по поверхности почвы к подножью нагретого в дневное время склона; в этом случае идет выхолаживание почвы.

И в той и в другой моделях исследованию подлежит структура теплового тираничного слоя, возникающего при обтекании поверхности в условиях тепловой гравитационной конвекции. Для имитации этих процессов созданы две лабораторные модели Принципиальные схемы физических моделей показаны на рисунках 7, 8 Характерной особенностью обеих моделей является наличие тепловыделяющих электронагревателей под пластинами, изготовленными из хорошо проводящего тепло материала (латунь), с противоположной стороны от пластины нагреватели покрыты теплоизолирующим материалом Модечь, имитирующая выхолаживание втекающим потоком холодного воздуха (рис 8), в верхней части имеет емкость для сухого льда; щелевая прорезь в дне емкости расположена поперек пластины непосредственно над её поверхностью Обе модели снабжены устройствами для изменения упа наклона. Модифицированный теневой прибор ИАБ-451, реализующий двухкоординатный цветной теневой метод, использован в этих экспериментах

В ходе эксперимента производилась регистрация цветного теневого изображения

течений по поверхности моделей с одновременным измерением температур поверхности Т

и воздуха Т за пределом тепловых пограничных слоев, мощности теплового потока от пластины к воздуху над ней В опытах варьировались углы наклона поверхностей (имитировался угол склона полей) и мощность тепловыделения Неизменной была температура вытекающего из щели на верхнем срезе пластины стекающего воздушного потока

Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных тенеграмм тепювого пограничного стоя Для расшифровки цветных тенеграмм теплового пограничного слоя на нагретых наклонных пластинах разработана методика, в основу коюрой положены теоретические соображения, изтоженмые в паве 2 Одним из важных зтапов разработанной мегодш и является определение двух координат вектора отклонения лучей

: ' /

и- ш

(«V

0 0

1,2- электронафеватели (тепловыделяющие элементы), 3 - латунная пластина (модель поверхности склона), 4 - регулируемая опорная стойка, 5 - покровные стекла Рис. 7 Модель №1 - моделирование всплывания приземного слоя воздуха вверх по нагретому склону.

5 !

1.__Я';:,

1 Л " '^' ? 11

0 0 0 О 0

1,2- электронагреватели (тепловыделяющие элементы). 3 - латунная пластина (модель поверхности склона). 4 - регулируемая опорная стойка. 5 - покровные стекла, 6 - подвижная заслонка щелевой прореш, 7 - термостатная емкость для сухого льда, 8 - опорная решетка, 9-с}хой лед, 10 - текстолитовое дно.

Рис 8 Модель №2 - моделирование стекания холодных масс воздуха по поверхности нагретого склона

Алгоритм калибровки цветных тенеграмм Для составления калибровочной тест-таблицы (табл 1) были обработаны данные калибровочной тенеграммы при расфокусировке (величина расфокусировки от исходного положения (темное поле) равна 20 мм) и калибровочных тенеграмм при смещении (величина поперечного смещения от исходною положения равна 1 и 2 мм).

Таблица 1

Калибровка азимутальных углов ОС по составляющим цвета (смещение I мм) (фрагмент

калибровочной таблицы)

Угол а, градусы Я в В с1п/сЬ\06. мм'1 (1п/(1у 106, ммЛ йТШ, °С/мм сПУс1у, °С/мм

0 0,239 0,379 0,382 0.500 0 0,5390 0

9,09 0,319 0,411 0,270 0,494 0,079 0,5322 0,0852

12,94 0,278 0,438 0,284 0,487 0,112 0,5253 0,1207

16,05 0,288 0,429 0,283 0,480 0,138 0,5180 0,1490

18.43 0,278 0,394 0.328 0.474 0,158 0,5113 0,1704

При калибровке кривизна волнового фронта имитируется расфокусировкой визуализирующей диафрагмы относительно изображения задающей диафрагмы, а наклон вотново-го фронта - смещением визуализирующей диафрагмы относительно изображения задающей диафрагмы. Для калибровки азимутальных углов по цветным калибровочным тенеграммам разработана блок-схема алгоритма калибровки. На рис 9 приведена аппроксимация данных калибровки азимутальных углов по составляющим цвета (см. габл 1) полиномами четвертою

порядка (на рис 9. обозначены' Я. в, в - нормированные значения составляющих цвета, Г - коэффициент корреляции) При расшифровке цветных тенеграмм. получаемых в эксперимент. видна возможность замены значений калибровочной таблицы полиномами. Изме-

дпдп

ренные в экспериментах на модели -, -, 1 № и 70 позволяют вычислить значения

дх ду

дТ дТ дуь

-, - с учетом того, что -= 0.927- 10 °С (Хауф, Григуль)

дх ду дТ

К = 2Е-1 Ой"- 8Е-08а3 + 2Е-06а2 + 0,0022« + 0,2429 г2 = 0,9352

-Я

-в

-В

в = -7Е-11 а4 + 6Е-08о3 -1 Е-05а2 - 0 0001 а + 0 4182 г2 = 0,6954

О 1

-Полиномиальный (Я)

-Полиномиальный (В)

-Полиномиальный (в)

В = -8Е-11 а4 + 2Е-08а3 * 9Е-06а2 - 0 002а + 0,3389 ^ = 0 877

00 — о

100

150

200

250

300

350

Азимутальный угол а, град

Рис 9 Аппроксимация данных калибровки азимутальных углов ОС по составляющим цвета

Методика модельного эксперимента

Моделируется охлаждение нагретого склона воздухом, стекающим по склону В

ночные часы воздух над склонами и на их вершинах быстро охлаждается, становится более плотным, чем над долиной на той же высоте, и стекает по склону I [ри этом он нагревается ог поверхноии склона В зависимости от интенсивности процесса и температуры поверхности про1яженность стекающего с вершины по склону "языка" воздушного потока может уменьшиться настолько, что холодный воздух не достигнет подножья склона Интенсивность движения воздуха вдоль склона определяйся разностью температур поверхности склона и воздуха за пределами стекающего слоя а так же углом наклона поверхности склона относительно направления I равитационного ускорения Моделирование поижа воздуха стекающего по склону проводилось на модели №2 (рис 8)

Иодетрование интенсивности нагреоа потока во!д\<хи встыьающего свер* по ск юну Моде шровапие потока воадуха. ползущего вверх по склону, температура поверхности которого выше 1е\шера|уры воздуха над ск юном наскпько. чш под в шянием си I п ывучеии возни-

по нормали к поверхности нагретой пластины

ние производных

дг

Vм /

кает поток, поднимающейся от подошвы (или от сечения, где силы плавучести превышают силы трения и вес холодной массы воздуха) проводилось на модели №1 (рис 7)

Глава 4. Результаты моделирования тепловой гравитационной конвекции. Вы-

хочаисивание скюна стекающим потоком Получены тенеграммы процесса выхолаживания склона при двух углах наклона поверхности склона к горизонту (19 и 23 градуса), представлены результаты расшифровки «тих тепеграмм, иплюстрируются распределения произвол-

(дТл

ных

Встывание нагревающегося потока вверх по екчону Получены тенеграммы процесса обтекания нагретого склона потоком, ползущим вверх за счет силы планучесги теплового пограничного слоя в холодной массе приземного воздуха атмосферы, тенеграммы соответствуют развитию процесса мри двух углах наклона (5 и 25 градусов) модельной поверхности Представлены результаты расшифровки этих тепеграмм, иллюстрирующие распределе-

вдоль поверхности пластин и профили оезразмернои температуры 0 в тепловом пограничном слое по нормали к нагретой поверхности с углами наклона 5 и 25 градусов.

Сопоставчение эмпирических зависимостей, почученных при обобщении данных модельных экспериментов, с резучьтатамирасчетов по известным теоретическим формулам

Целью обобщения экспериментальных данных явились- подтверждение достоверности разработанного цветного теневого метода, методики его калибровки и применимости в исследованиях процессов теплообмена с образованием ламинарных тепловых пограничных слоев;

- построение расчетной зависимости для вычисления интенсивности теплообмена на поверхности склона под стекающим потоком;

- построение расчетной зависимости для вычисления интенсивности теплообмена между всплывающим слоем воздуха и поверхностью склона в условиях тепловой гравитационной конвекции,

- построение расчетных зависимостей определения толщины тепловых пограничных слоев при стекапии и натекании воздушных масс по поверхности склона

В целях подтверждения допустимости использования разработанного метода в качестве количественного при исследовании тепловых пограничных споев выношено сопоставление результатов расчетов по известным теоретическим решениям Польгаузена пля тентовых пограничных стоев возникающих у вертикальной поверхности нагретой стенки в большом объеме менее нагретого воздуха, с эмпирическими зависимостями построенными при обобщении данных модельных экспериментов

В экспериментах получена цветная тенеграмма теплового погранично1 о слоя у вертикальной поверхности нагретой плоской пластины Результаты обработки тенеграммы позволили построить

- график изменения безразмерной толщины теплового пограничного слоя § в зависимости от разности температур поверхности птастины и воздуха за пределами погранично-

с /025

то слоя, теоретически толщина температурного слоя О пропорциональна I . в экспериментах - бд, =1.21 01/^26 (где 5Л . I^ - нормированные координаты).

- профиль безразмерной температуры 0 (см рис 10. где 0 , Т| ные координаты, Т| = — •

нормирован-

- аппроксимацию данных эксперимента в критериальной форме (см рис И), расчетная зависимость для среднего числа Нуссельта от комплекса ((Зт, • Рг) характеризуется степенной функцией е показателем степени, равным 0 4, в экспериментах - показатель степени равен 0.49.

Рис 10 Профиль безразмерной температуры в тепловом пограничном слое по нормали к поверхности нагретой вертикальной пластины (в сечении 1—10 мм) '

Рис 11 Аппроксимация данных экспериментальных исследований теплового пограничного слоя у поверхности нагретой верт икальной пластины в критериальной форме Удовлетворительное совпадение профилей безразмерной толщины теплового пограничною слоя профилей безразмерной температуры, показателя степени при критериальном комплексе • Рт} в зависимое 1ях полученных в работе при расшифровке цветных тенеч рамм теплового пограничною слоя у вер!икальной поверхности нагретой плоской

пластины, с теоретическими решениями Польгаузена подтверждает правомерность применения двухкоординатного пнетного теневого метода, реализованного на модифицированном приборе ИАБ-451, и разработанных методик калибровки, расшифровки и интерпретации цвешых тенеграмм применительно к исследованиям процессов теплообмена в тонких тепловых пограничных слоях у плоских поверхностей

Выводы.

1 Развиты теоретические основы кочичествснного 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 светлополь-пом и темнополыюм вариантах Разработаны алг оритмы обработки сигналов для квадратной и круглой формы диафрагм.

4 Разработана методика калибровки и алгоритм компьютерной реализации процедуры калибровки теневых приборов, использующих двухкоордипатный 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 сис!емы уравнений, теоретически описывающей этот процесс

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

По теме диссертации опубликованы следующие работы

1. Усков И Б , Трегуб В П, Козырева Л В. Теневые методы исследования процессов энергообмена в агроландпгафтах на моделях // Модели и технологии оптимизации земледелия Сб докладов Международной на>чно-практической конференции, 9-11 сентября 2003 I . К>рск Изд-во ВНИИ земледелия и защшы почв 01 эрозии РАСХН, 2003 С 298-302

2 Трегуб В П Цветная шлирная сиаема для определения величин и направлений векторов отклонения лучей Заявка № 2004112645 от 26 04 2004 Решение о выдаче патента » на полезную модель от 04 06 2004 1

3 Трегуб ВП Цветной теневой метод // Оптический журна 1 2004, I 71, № 11 С

78-84.

Сдано в набор 19 05 05 Подписано в печать 19 05 05 Формат 60x90/24 Объем 1 гт л Тираж 100 Заказ №37 Отпечатано в типографии ООО "Дом Шуан", 195220,1 Санкт Петербург, ул Гжатская, 21

Рис. 5. Цветная теневая картина воздушных потоков у нагретой поверхности наклонной пла-

Рис. 6. Цветная теневая картина воздушных потоков у нагретой поверхности наклонной пластины (вариант 4 - темное поле с круглыми диафрагмами).

I >

РНБ Русский фонд

2006-4 7186

Содержание диссертации, кандидата 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 Диссертация по сельскому хозяйству, 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.

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.

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.

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

Заключение Диссертация 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.

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.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата технических наук, Трегуб, Владимир Петрович, Санкт-Петербург

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

Информация о работе

Трегуб, Владимир Петрович
кандидата технических наук
Санкт-Петербург, 2005
ВАК 06.01.03

Диссертация

Цветной теневой метод исследования теплообмена на моделях склоновых земель агроландшафтов - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы