Установка для измерения распределений объёмных концентраций капель аэрозоля по размерам на основе теневого метода и методика её калибровки

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

Сергеев Д.А., Краев И.М. Установка для измерения распределений объёмных концентраций капель аэрозоля по размерам на основе теневого метода и методика её калибровки // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 4. С. 40–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-40-49

Sergeev D.A., Krayev I.M. Installation for measuring the distributions of volume concentrations of aerosol droplets by size based on the shadow method and its calibration procedure [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2024. V. 91. № 4. P. 40–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2024-91-04-40-49

Ссылка на англоязычную версию:

Daniil Sergeev and Ivan Krayev, "System for measuring size-based distributions of aerosol droplet volume concentrations using the shadow method and calibration procedure," Journal of Optical Technology. 91(4), 236-241 (2024). https://doi.org/10.1364/JOT.91.000236

Аннотация:

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).

Ключевые слова:

теневой метод, высокоскоростная видеосъёмка, брызги, ветер, волны, лабораторное моделирование

Благодарность:

работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-77-10060. Работа Краева поддержана в рамках выполнения темы госзадания ИПФ РАН № 0030-2022-0005. Эксперименты проведены на оборудовании уникальной научной установки «Комплекс крупномасштабных геофизических стендов» ИПФ РАН

Коды OCIS: 100.0100

Список источников:

Fairall C.W., Kepert J., Holland G. The effect of sea spray on surface energy transports over the ocean // Global Atmos. Ocean Syst. 1994. V. 2. P. 121–142. https://doi.org/10.1175/JCLI-D-21-0608.1
Andreas E.L. A review of the sea spray generation function for the open ocean. In Atmosphere–ocean interactions. V. 1 (eds W.A. Perrie). Southampton, UK.: WIT Press, 2002. P. 1–46.
Veron F. Ocean spray // Annu. Rev. Fluid Mech. 2015. V. 47. P. 507–538. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-010814-014651
Wang C.S., Street R.L. Transfers across an air-water interface at high wind speeds the effect of spray // J. Geophys Res. 1978. V. 8. № 3. P. 2959–2969.
Lai R.J., Shemdin O.H. Laboratory study of the generation of spray over water // J. Geophys. Res. 1974. V. 79. P. 3055–3063.
Fairall C.W., Banner M.L., Peirson W.L., Asher W., Morison R.P. Investigation of the physical scaling of sea spray spume droplet production // J. of Geophys. Res. 2009. V. 114. C10001. https://doi.org//10.1029/2008JC004918
Ortiz-Suslow D.G., Haus B.K., Mehta S., Laxague N.J. Sea spray generation in very high winds // J. Atmos. Sci. 2016. V. 73. P. 3975–3995. https://doi.org/10.1175/JAS-D-15-0249.1
Troitskaya Y., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Sergeev D., Zilitinkevich S. Bag-breakup fragmentation as the dominant mechanism of sea-spray production in high winds // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 1614. https://doi.org/10.1038/s41598- 017-01673-9
Veron F., Hopkins C., Harrison E.L., Mueller J.A. Sea spray spume droplet production in high wind speeds // Geophys. Res. Lett. 2012. V. 39. L16602. https://doi.org/10.1029/2012GL052603
Anguelova M., Barber R.P., Wu J. Spume drops produced by the wind tearing of wave crests // J. Phys. Oceanogr. 1999. V. 29. P. 1156–1165. https://doi.org/10.1175/1520-0485(1999)029<1156:SDPBTW>2.0.CO;2
Меденников П.А. Алгоритм обнаружения и определения координат точечного объекта // Оптический журнал. 2019. Т. 86. № 8. С. 65–69. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2019-86-08-65-69
Меденников П.А., Павлов Н.И. Обнаружение и сопровождение точечных слабоизлучающих объектов на основе анализа последовательности минисерий изображений // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 12. С. 50–58. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-12-50-58
Troitskaya Y., Kandaurov A., Ermakova O., Kozlov D., Sergeev D., Zilitinkevich S. The ‘Bag Breakup’ spume droplet generation mechanism at high winds. Part I: Spray generation function // J. Phys. Oceanogr. 2018. V. 48. № 9. P. 2167–2188. https://doi.org/10.1175/JPO-D-17-0104.1