Details

Предмет исследования. Измерения распределений по размерам концентраций брызг, образующихся в лабораторном эксперименте при взаимодействии воздушного потока со свободной водной поверхностью (моделирование взаимодействия атмосферы и гидросферы) оптическими методами. Цель работы. Разработка макета установки для измерения распределений объёмных концентраций капель аэрозоля по размерам на основе теневого метода и методики его калибровки. Метод. Применялся теневой метод со скоростной съёмкой вида сбоку на воздушный поток с движущимися в нём каплями над взволнованной водной поверхностью с мощной диодной подсветкой с противоположной стороны. Особенность подобных измерений заключается в том, что ширина области измерения (детектирования) такой установки перпендикулярно плоскости съёмки зависит от глубины фокусировки. Поэтому была разработана специальная методика калибровки, которая полностью воспроизводила оптический тракт, но со стеклянными микрошариками известного размера вместо капель. Основные результаты. Методика калибровки позволила получить зависимость размера области измерения перпендикулярно плоскости изображения от размера детектируемой капли. Эта зависимость была использована для корректного пересчёта распределений количества капель в плоскости изображений в объёмные концентрации при измерениях в лабораторных экспериментах по моделированию ветроволнового взаимодействия на Высокоскоростном ветроволновом термостратифицированном бассейне (ВВТСБ) ИПФ РАН. Нижняя граница по радиусу в 50 мкм является минимальной среди полученных к настоящему времени результатов с использованием теневых методов в аналогичных исследованиях. Практическая значимость. Предложенный метод калибровки/измерений теневой визуализацией позволяет получить данные о распределениях концентраций брызг по размерам, которые необходимы для разработки физических моделей, качественно и количественно описывающие процессы взаимодействия атмосферы и гидросферы в широком диапазоне условий (шторма и ураганы).

The subject of study is the measurements of size distributions of spray concentrations induced in a laboratory experiment during the interaction of an air flow with a free water surface (simulation of the interaction of the atmosphere and hydrosphere) by optical methods. The aim of study is the development of a model of a system for measuring the distribution of volume concentrations of aerosol droplets by size based on the shadow imaging method and its calibration techniques. Method. A shadow method with high-speed video recording of a side view of an air flow with drops moving in it over a rough water surface with powerful diode illumination from the opposite side was used. A feature of these measurements is that the width of the region of detection of such a system perpendicular to the plane of filming depends on the focusing depth. Therefore, a special calibration system completely reproducing the optical path as in the flume, but with glass microspheres of a known size instead of drops was developed. Main results. The calibration system made it possible to obtain the dependence of the size of the measurement area across the image on the size of the detected drop. This dependence was used to correctly recalculate the distributions of the number of drops in the image plane into volume concentrations during the measurements in laboratory experiments on modeling of the wind-wave interaction in the Thermostratified Wind-Wave Tank (TsWiWaT) of the IAP RAS. The lower limit on the radius of 50 mum is the minimum among the results of similar studies using the shadow methods obtained to date. Practical significance. The proposed method of calibration/measurement by shadow visualization makes it possible to obtain data on the distribution of spray concentrations by size, which are necessary for the development of physical models that qualitatively and quantitatively describe the processes of interaction between the atmosphere and the hydrosphere in a wide range of conditions (storms and hurricanes).