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"

4-зт

ТРЕГУБ Владимир Петрович

ЦВЕТНОЙ ТЕНЕВОЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛООБМЕНА НА МОДЕЛЯХ СКЛОНОВЫХ ЗЕМЕЛЬ АГРО ЛАНДШАФТОВ

Специальность 06,01.03 - агропочвоведенне, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правахрукописи

«У*

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).

Зашита диссертации состоится " 2005 г.

в часов на заседании диссертационного совета Д 006.001.01

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

диссертационного совета

Ученый секретарь

Архипов М.В.

ЦНБ МСХА фонд научной литературы

* научной литер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Формирование температурного и влашюстного режимов сельскохозяйственных полей на склоновых землях в суточных циклах обусловлено интенсивностью движения приземных слоев атмосферного воздуха - стеканием г» ночные часы и наползанием (подъемом) по поверхности склона в дневное время. В натурных условиях природных агроэкологииееких 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 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 чаше других используются н 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 И .

Интерференционные методы обладают сравнительно узким диапазоном измерении разности хода лучей на исследуемых неоднородностях: от долей длины волны используемого при контроле излучения до десятков длин вол».

Теневые методы используются, в первую очередь, для визуализации прозрачных неоднородностей, при этом они обладают рядом важных достоинств и в качестве методов количественных исследований. Чувствительиость теневых методов 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 /I 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 метод. Однако цветной теневой метод до сих пор, как правило, используется как качественный метод исследования прозрачных неоднородностей. При этом весьма актуальной является задача развития цветного теневого метода в направлении расширения возможностей его использования в качестве количественного метода исследования прозрачных неоднородностей.

Целью работы является:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование дву х коорд и нат! i о го цветного теневого метода, расширение его возможностей при использовании его как количественного метода при исследовании прозрачных тгеоднародностей,

2, Создание специальных оптических узлов для реализации разработанных модификации цветного теневого метода (для прибора ИЛБ-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:

t. 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 свстлополь-

пом н темиопольном 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 модификации двухкоординатного цветного теневого метода в светлопольпом и темиопольном 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 н агроклимата Агрофизического института двухкоординатного цветного теневого метода на модернизированном теневом приборе ИЛБ-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.

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

Модельный лабораторным 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 метолом в свет лопо льном и тем коп о льном 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 двух координатный цветной теневой метод, .

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

На защиту выносятся

]. 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 светло ноль ном 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 двух координатный цветной теневой метод.

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

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

Практическая ценность работы

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

2, Разработаны алгоритмы обработки видеоинформации, обеспечивающие возможность использования цветных теневых-методов для количественных измерений параметров прозрачных неодно род ностей.

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

4. Внедрен в практику экспериментальных исследований отдела физики атмосферы и агро климата Агрофизического института двух координатный цветной теневой метод на модернизированном приборе ИАБ-451.

(Апробация рабдтц

Материалы диссертаций)гной работы представлены и обсуждены 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 специалистов отдела физики атмосферы и агро климата Агрофизического института в 2003—2005 годах.

Публикации

Основное содержание работы отражено в трех публикациях.

Структура ir объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, и списка литературы, изложена на 130 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц и 34 рисунка. Список литературы 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 I. Теневой метод исследования прозрачных не одно родя остей. Состояние вопроса. Под теневым метолом принято понимать метод, развитый на основе идеи, впер* вые предложенной французским астрономом Фуко в 1858 г. для контроля качества изготовления больших астрономических объективов высокой разрешающей силы, из постны if 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), привод irr к явлениям, похожим на косое освещение контролируемой поверхности пол малым углом; при этом рельеф поверхности становится заметным из-за появления затемнений в виде теней, что и дало методу Фуко название '"теневой"'. В 1864 г. немецкий физик Тендер применил этот метод для исследования газовых неоднородностей, и метод стал называться методом Теплсра или тлиримм методом.

В обзоре рассмотрены литерату рные источники, в которых изложены теоретические основы теневых методов исследования прозрачных неоднородностей, описаны используемые R различных областях науки н 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. Акали! ¡хюоты цветного теневого метода. Одним из наиболее перспективных направлений развития теневого метода является цветной теневой метод, обеспечивающий визуализацию и возможность оценки обеих проекций вектора отклонения лучен, проходящих через исследуемую прозрачную неоднородность. В этом случае для оценки направления вектора отклонения лучей используется цветовой топ (Нолосов, Цивкии); при этом для оценки модуля (длины) вектора используется освещенность, как и в классическом теневом методе. Цветные CCD-матрины, используемые в современной цветной видеотехнике, имеют три сетки равномерно расположенных по их поверхности элементарных селективных фо [»приемников, такие

матрицы называют RGB -матрицами.

По количеству используемых цветов в литературе описаны несколько вариантов: семь - по числу основных цветов в спектре радуги (Васильев); четыре- то числу сторон квадратной рамки (Ссттлз, Сухоруких, Харитонов, Шаров, Безменов а н др., Голуб и др.); три - минимальное количество подобранных определенным образом цветов (Волосов, Цпокнп). почколяюшее при своем сочетании в соответствующих пропорциях реализовать любой цветовой тон при любой насынюкностн (Олнхов. Подласкин. Данькон и др., Бсрезинцев, Захарова).

В связи с применением в цветных ТС!К'Г(ЫХ приборах RGB •матриц прел почтительным является выбор трех светофильтров те\ ЖС цветов - к рис но го зеленого ((?) и синего (5). Исходя из лучевой модели, мы можем считать, что сип«алы l(i, вырабатываемые элементарными фотоприем пиками номер " /". расположенными в точке Р* , описываются системой уравнений:

l(i=l,P')=±aMJ-S{j,F); >=1

l(i = XPr)=iai=1yS(j,F); (1)

[¡{i^XP^ta^-SU,?), j=i

00

где Q^ — коэффициенты, равные: (Л^ = Üq ■ Т](X,

О

где Я0— некоторая KOHCTairraJ X— длнна волны используемого излучения; —

спектральная яркость источника излучения^ — спектральное распределение коэффи-

циента пропускания оптической системы теневого прибора; Ту^А,)— спектральное распределение коэффициента пропускания светофильтра с номером J , расположенного в плоскости визуализирующей диафрагмы^ спектральная чувствительность фотоприемника с номером I .

Исследуемый объект мы считаем имеющим одинаковый коэффициент пропускания во всем используемом спектральном диапазоне и оказывающим влияние на величину сигналов /Д.Р') только через величины площадей Si^j, Р Решение системы (I) имеет вид:

(2)

где {с! —элементы обратной матрицы.

Решение (2) показывает, что если е помощью цветного теневого метода получить значения сигналов элементарных фотоприемников /(i, Р>) (i = 1,2,3) лля некоторой

точки изображения, то, зная коэффициенты С1у , можно рассчитать значения площадей

], Р ). Это справедливо, конечно, при условии равномерного заполнения светом задающей диафрагмы 3 (см. рис. I).

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 ^(-Р') и его азимутального угла (Х^/3')) для любой точки Р изображения исследуемого объекта. Поскольку теневой метод обеспечивает измерение не компонент вектора ^(.Р'), а косвенное измерение площздей , .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 <§'(/>') 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 считать 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 диафрагмы ограничены некоторой предельной величиной £мах- При

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

Светлопольный 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 не возмущен ном объекте его изображение имеет белый цвет, а при возмущении исследуемого объекта его изображение окрашивается. причем цветовой тон изображения зависит от направления смешения лучей, а насыщенность иветового тона зависит от величины этого смещения.

Темнопольный вариант цветного теневого метода характеризуется тем, что в невоз-мушепном состоянии исследуемого объекта размеры изображения

0 У

с;

«

ш

—^ г

.....-1 О

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

Рис. [.Принципиальная оптическая схема теневого прибора

задающей диафрагмы точно соотиетствуют размерам непрозрачной (срезающей) част» визуализирующей диафрагмы, так что (при соответствующей начальной юстировке прибора) изображение задающей диафрагмы полностью перекрываете« (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 исследуемого объекта появляется свет, цветовой топ н интенсивность которого определи lore я сочетанием площадей зон пересечения изображения задающей диафрагмы со светофильтрами визуализирующей диафрагмы.

В работе рассматриваются квадратная и круглая формы задающей и визуализирующей диафрагм при свстлопольном и тем) юно льном вариантах цветного теневого метода.

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

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

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

4,

та же ч равна —L,,

3

Счетлопольпый вариант с квадратной формой диафрагм (вариант !}. Для варианта I при иевозму щенком состоянии исследуемого объекта (рис. 2) плошали пересечения изображения задающей диафрагмы с каждым из светофильтров (/?, G и J?) в плоскости ви-3va,nn jnpvioineH диафрагмы равны между собоЛ:

При возмущении исследуемого объекта значения проекций вектора g смешения изображения задающей диафрагмы можно найти из следующих выражений:

Sx = — (35, + S, - 4S0) = — (55", - - );

(4)

В светло! голы ЮМ варианте суммарная площадь soil пересечения изображения задающей диафрагмы с окнами (в которых установлены светофильтры) в плоскости визуализирующей диафрагмы является постоянной и равной:

£4Sj=3S0. (5)

м

» ча

>3

1л

ЛЬ

У-з

2с

Рис. 2, Вид плоскости визуализирующей диафрагмы для случая квадратной формы при не-возму щепном исследуемом объекте,

Темнапольный вариант с квадратной формой диафрагм (вариант 2). Тем нопольны й вариант характеризуется условием: 2.С = 2 О (см. рис. 2), Тогда в -не возмущен и ом состоянии исследуемого объекта его изображение будет темным, а при возмущении объекта в его изображении будет появляться свет, причем тем большей интенсивности, чем больше

величина вектора £ смешения изображения источника в плоскости визуализирующей диафрагмы. Для определения длины и направления вектора используются только максимальное и среднее значение 5*,, а минимальное значение отбрасывается, поскольку во мпо-

гнх случаях оно может быть просто равным нулю. Однако вследствие шумов фотопрнем-ммка или других искажающих факторов измеренное значение может быть несколько

большим нуля. Для решения вопроса о том, какие из значенні! іУ. использовать лл я определения проекций gx и вектора £ и каким образом это делать, координатное пространство разбивается на пять зон, как показано на рисунке 3, Эти зоны характеризуются условиями:

Зона I: шш(5|, ,) = ^ 25, > ^, зона п. і; тт{5х,, ) - ; < £2.

Зона][.2:/«ш(5'|15'2,5'з)= 25"3 < 5*2-зонаш: шш(5'1)15,215'3)= 2> £\. Зона IV: тіп{і5,, 2, £3 ) = ¿>2.

Рис. 3. Разбиение на зоны КООрДИНЙТНОГО пространства вектора .

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

Зу и уже вычисленного значения первой координаты.

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

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

Визуализирующая диафрагма представляет собой круглый непрозрачный диск радиуса Уа на

прозрачном фоне. Наружный контур окна имеет круглую форму радиуса У^. Радиусы Та,

и 1'с выбраны таким образом, чтобы выполнялись условия;

> г,;

Гс-^ётах') (б)

ГЬ ~ Гс > 8тах .

Прозрачное кольцевое окно с внутренним радиусом Та и наружным радиусом разбито на три равных сектора, в которых установлены соответствующие светофильтры основных цветов (у — Л, 0,или (у — 1,2,3) Площади зон пересечения задающей диафрагмы с соответствующими светофильтрами в плоскости визуализирующей диафрагмы обозначим, как и в предыдущих вариантах, через ^ (у = 1,23). В невозмущенном состоянии исследуемого объекта (см. рис. 4) все 5 . равны между собой и равны:

= = = (7)

При возмущении исследуемого объекта плошали изменяются, ко при этом вы-3

полнястся условие (5) ^ — .

м

формы при не возмущенном исследуемом объекте.

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

П

пия азимутального угла ОС размером —.

і 3

п 71

Далее рассматривается диапазон изменения ОС от и до + —, для которого і^і > > , и принимается предположение (всегда практически реализуемое), что

длины векторов £ ограничены величиной £тах - которая много меньше, чем /*с (принято, что §Н!<1Х < 0,2Гс ). Для этих условий показана возможность построения итерационного процесса нахождения длины вектора и его азимутального угла (X с помощью величии площадей ^ и ^.

Темнопольный вариант с круглой формой диафрагм (вариант 4). ТемпопольныЙ вариант 4 характеризуется условием Г. = Га, причем 1*с » §пш:г • В работе показано, что

нелинейность зависимости величины = + 5*2 + от пренебрежимо мала.

поэтому величину ^ целесообразно использовать для определения значения § . Для нахождения азимутального угла (X 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 утла ОС вектора £ . В частности показано, что в варианте 2 при фиксированном £ и изменении С£ насыщенность цвета будет:

Зтг

— при увеличении (X от 0 до - насыщенность цвета будет уменьшаться от I до

4

1 Зп Зп

—, а при дальнейшем увеличении (X от - до - насыщенность цвета будет воз рас-

2 4 2

1

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

2

ный и голубой;

ЗЯ - 7Г

-при СХ от- до ¿К (от--до 0) насыщенность цвета будет равна 1,ацве-

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

В светяопольном 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 па теневые картины в вариантах с квадратными диафрагмами.

Сравнительный анализ вышеизложенных четырех вариантов цветного теневого метода стремя (/?, О, В) светофильтрами показывает следующее.

Все рассмотренные варианты явликися работоспособными, обеспечивающими возможность Цроведения математической обработки результатов измерения с целью определения двух параметров вектора отклонения луча и достаточно легко реализуемыми. Отметим при этом, что круглая форма задающей и визуализирующем диафрагм (париапты 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 темшмюльиые варианты 2 и 4 теневого метода представляются более предпочтительными, чем светлопольпые, поскольку темкопольные варианты дают более контрастное и легко распознаваемое теневое изображение. При использовании компьютерной обработки видеоинформации туго обстоятельство не играет существенной роли. При этом в еветлопольных вариантах 1 и 3 имеется возможность контроля точности измерений путем расчета сумм всех частичных площадей, которая должна быть равна заданной константе, что является достоинством этих вариантов.

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

С точки зрения величины шумов темнолольный вариант также имеет преимущество перед светло пол ьным.

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 нерезкостыо 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 тсм-нопольного варианта. В таких ситуациях светлопольиый вариант сохраняет достаточно высокую линейность и чувствительность к малым возмущениям и в этих условиях имеет предпочтение перед темноподьиым вариантом.

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

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

Глава 3. Методика модельных экспериментов изучения теплообмена на склоновых землях. Эксперш¡енталькые модели при исследовании структуры тонких тепловых пограничных с.юес. Отработка методики использования цветного теневого метода при исследовании структуры тонких неоднородиостей тина тепловых пограничных слоев выполнена в модельных экспериментах изучения теплообмена на склоновых землях.

Интенсивность процессов оперто- и мае сообщена в ландшафтах и агроландшафтных структурах различна лаже в случаях их одинаковости по морфологическим признакам и местонахождению в рельефе ландшафта большой размерности. Изменение состояния поверхности поля прежде всего «.зияет tía интенсивность и [(аира влепи ость процессов тепло- и влаго-обмена между почвой и приземным слоем атмосферы и оказывает соответствующее воздейт ствие на тепловой, влажностнмй и газовый режимы в почве и корнсобитаемий среде. В то же

время известные рекомендации но микроклимата чес кон корректировке климатически* характеристик и расчлененных ландшафтах не имеют привязки к состоянию поверхности полей.

Только исследования физических процессов в системе '"почва-атмосфера" дают возможность объективно и достоверно корректировать и уточнять микроклиматические характеристики агрол а иди гафтов. На формирование микроклимата оказывают влияние процессы, и рои сходящие 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 к в окружающей неподвижной среде. Па 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.

К в той и в другой моделях исследованию подлежит структура теплового пограничного 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 хороню проводящего тепло материала (латунь), с противоположной стороны от пластины нагреватели покрыты теплоизолирующим материалом, Молель, имитирующая выхолаживание стекающим потоком холодного воздуха (рис. 8). в верхней части имеет емкость для сухого льда; шел свая прорезь в дне емкости расположена поперек пластины непосредственно над ей поверхностью. Обе модели снабжены устройствами для изменения угла наклона. Модифицированный теневой прибор ИЛБ-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 Тч

и воздуха Тт 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 шел и па верхнем срезе пластины стекающего воздушного потока.

Интерпретация и компьютерная расшифровка цветных течеграмм теплового пограничного слоя. Для расшифровки цветных тенеграмм теплового пограничного слоя на нагретых наклонных пластинах разработана методика, в основу которой положены теоретические соображения, изложенные в главе 2, Одним из важных этапов разработанной методики является определенно двух координат вектора отклонения лучей.

■ »М

СІ (З

I. 2-электронагреватели (тепловыделяющиеэлементы). 3-латунная пластина (модель поверхности склона). 4 - регулируемая опорная стойка, 5 - покровные стекла. Рис. 7. Модель Хїі - моделирование веплывания приземного слоя воздуха вверх по нагретому склону.

с.

1.2- электронагреватели (тепловыделяющие элементы). 3 - лоту иная пластина (модель поверхности склона). 4 - регулируемая опорная стойка. 5 - покровные стекла, 6 - подвижная заслонка щелевой прорези. 7 - термостатная емкость для сухого льда, В-опорная решетка, 9 - сухой лед, 10 - текстолитовое дно.

Рис. Л, Модель №2 - моделирование егекання холодных масс воздуха по поверхности нагретого склона.

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

Таблица 1

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

калибровочной таблицы)

Угол а. градусы Л О В мм'1 ¿и/4-10", .шГ1 сГГ "С/мм ¿¡Г/Лу. °С/лш

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 волнового 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, табл. I) полиномами четвертого

порядка (на рис 9. обозначены: К, С? , В — нормированные значения составляющих цвета, Г - коэффициент корреляции). При расшифровке цветных тенеграмм. получаемых в эксперименте, видна возможность замены значений калибровочной таблицы полиномами, Изме-

дп дп „

ренные в экспериментах на модели -, -, 11(, и I ^ позволяют вычислить значения

дх ду

дТ дТ дп 1Л-6оат-1

-, - с учетом того, что-= и. У / ■ 1 и С (Хауф. Григуль).

дх ду дТ

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. Мри этом он нагревается от поверхности склона. В зависимости от интенсивности процесса и температуры поверхности протяженность стекающего с вершины но склону "языка" воздушного потока может уменьшиться настолько, что холодный воздух не достигнет подножья склона. Интенсивность движения воздуха вдоль склона определяется разностью температур поверхности склона и воздуха за пределами стекающего слоя, а так же углом наклона поверхности склона относительно направления гравитационного ускорения. Моделирование потока вохтуха стекающего но склон;- проводилось на модели №2 (рис. 8).

Моделирование интенсивности імгрсаа потоки воздуха, вспяывающего ««еду по склону. Моделирование потока воздуха, ползущего вверх по склону, температура поверхности которого выше температуры воздуха над склоном настолько, что иод влиянием сил плавучести иозии-

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

Глава 4, Результаты моделирования тепловой гравитационной конвекции. Вы-холалсивониа £'Иоив стекающни потоком. Получены теиеграммы процесса выхолаживания склона при двух угл;« наклона поверхности склона к горизонту (19 и 23 градуса): представлены результаты расшифровки этих тенеграмм: иллюстрируются распределения произвол-

по нормали к поверхности нагретой пластины.

Вапывание иагреваюгцегося потока веер.х по сктону. Получены теиеграммы процесса обтекания нагретого склона потоком, ползущим вверх за счет силы плавучести теплового пограничного слоя в холодной массе приземного воздуха атмосферы: теиеграммы соответствуют развитию процесса при двух углах наклона (5 и 25 градусов) модельной поверхности. Представлены результаты расшифровки этих тенеграмм, иллюстрирующие распределение производных [ | вдоль поверхности пластин и профили безразмерной темпера-

I & ^о

туры 8 в тепловом пограничном слое по нормали к нагретой поверхности с углами наклона 5 и 25 градусов.

Сопоставление эмпирических зависимостей. полученных при обобщении данных .но-сильны.* экспериментов, с результатами расчетов по изеесгнньш теоретическим /¡юрмуяам.

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 дтя вычисления интенсивности теплообмена между всплывающим слоем воздуха н поверхностью склона в условиях тепловой гравитационной конвекции:

- построение расчетных зависимостей определения толщины тепловых пограничных слоев при стскании и натекай и и воздушных масс по поверхности склона,

В целях подтверждения допустимости использования разработанного метода в качестве количественного при исследовании тепловых пограничных слоев выполнено сопоставление результатов расчетов по известным теоретическим решениям Польгаузена для тепловых пограничных слоев, возникающих у вертикальной поверхности нагретой степкн в большом объеме менее нагретого воздуха, с эмпирическими зависимостями, построенными при обобщении данных модельных экспериментов.

В экспериментах получена цветная тенеграмма теплового тираничного слоя у вертикальной поверхности нагретой плоской пластины. Результаты обработки теиеграммы позволили построить:

- график изменения безразмерной толщины теплового пограничного слоя 6 в зависимости от разности температур поверхности пластины и воздуха за пределами пограничного слоя: теоретически толщина температурного слоя 5 пропорциональна I . к экспериментах- 5 у = 1.2101/^' (где 8 д,. /д, - нормированные координаты);

— профиль безразмерной температуры 0 (см, рис, 10, где 0 , V) - норм пропан- № I 4 )

ные координаты, Т| = — •

- аппроксимацию данных эксперимента в критериальной форме (ш, рис, 11); расчетная зависимость для среднего числа Нуссельта от комплекса , * Рг) характеризуется степенной функцией с показателем степени, равным 0,4; в экспериментах - показатель степени равен 0.49,

Рис, 10. Профиль безразмерной температу ры в тепловом пограничном слоепопор-малн к поверхности нагрггой вертикальной пластины (в сечении / = 70 мм). '

1.4

1 г 1.0 0.1

--------—-- ♦ ~ " 'к'' ".,'- _________ _

.........

Рис, 11. Лппроксимаиия данных экспериментальных исследований теплового пограничного слоя у поверхности нагретой вертикальной пластины в критериальной форме.

Удовлетворительное совпадение профилей безразмерной толщины теплового пограничного слоя, профилей безразмерной температуры, показателя степени при критериальном комплексе (С?// • Рг^ в зависимостях, полученных в работе при расшифровке цветных телеграмм теплового пограничного слои у вершка ль ной поверх! гот и нагретой плоской

пластины, с теоретическими решениями Польгаузена подтверждает правомерность применения двух координатного цветного теневого метода, реализованного на модифицированном приборе ИАК-451, и разработанных методик калибровки, расшифровки и интерпретации цветных тенеграмм применительно к исследованиям процессов теплообмена в тонких тепловых пограничных слоях у плоских поверхностей.

Выводы.

1. Развиты теоретические основы количественного двух координатного цветного теневого метода визуализации прозрачных неоднородностий н проведена его реализация.

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

3. В рамках созданного метода показана возможность реализации его в светлополь-ном 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 двух координатный 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 но исследованию процесса тепловой гравитационной конвекции у вертикально поставленной нагретой плоской пластины с применением цветного теневого метода практически совпали с аналитическим решением Польгаузеиа 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.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Усков И.Б„ Трегуб В. П., Козырева Л.В. Теневые методы исследования процессов энергообмена в агроландшафтах на моделях // Модели и технологии оптимизации земледелия; Сб. докладов Международной научно-практической конференции, 9-11 сентября 2003 г., Курск: Нзд-во ВНИИ земледелия и защиты почв от эрозии РАСХН, 2003. С, 298-302.

2. Трегу б В.П. Цветная шлирная система для определения величии и направлений векторов отклонения лучей. Заявка № 2004112645 от 26,04.2004. Решение о выдаче патента на полезную модель от 04.06,2004,

3. Трегу б В.П. Цветной теневой метод // Оптический журнал, 2004, т 71, № 11. С,

78-84,

Сдано в набор 19»05Л)5, Подписано в печ-дть 19^05.05* Формат 60x90/24 . Объем I и.л. Тираж 100. Заказ Отпечатано & типографии ООО "Дом Шу;ш"» ] 95220, г С^нкт-| ктероург, ул. Гжатская, 21.

СТШ1Ы (вариант 4—темное поле с круглым» диафрагмами).