izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2021-9-23-27izmertech-1943Research ArticleОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯOPTICOPHYSICAL MEASUREMENTSОпределение размера капель спрея методом вейвлет-анализа интерферометрических изображенийhttps://orcid.org/0000-0001-8098-0720СтепановР. А.StepanovR. A.

Родион Александрович Степанов

Пермь

Rodion A. Stepanov

Perm

rodion@icmm.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7941-1141БаталовВ. Г.BatalovV. G.

Владимир Геннадьевич Баталов

Пермь

Vladimir G. Batalov

Perm

vbatalov@icmm.ruИнститут механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук; Пермский национальный исследовательский политехнический университетРоссияInstitute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences; Perm National Research Polytechnic UniversityRussian FederationИнститут механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наукРоссияInstitute of Continuous Media Mechanics of the Ural Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202114082023092327Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1943

Освещены вопросы оптимизации процессов сгорания топлива в зависимости от распыляющей способности форсунок ракетных и авиационных двигателей. На примере факела топливной форсунки рассмотрена задача определения размера капель спрея оптически прозрачной жидкости IPI-методом, основанным на анализе интерферометрических изображений частиц. Предложен метод анализа IPI-образа капли с применением непрерывного вейвлет-преобразования. Пространственное распределение вейвлет-коэффициентов использовано для введения интегральной меры, аналогичной спектральной плотности сигнала. Достоверность оценённых размеров капель проверена по результатам обработки бликовых изображений, которые получены прямым оптическим GPT-методом по сфокусированным изображениям капель. Сфокусированные и интерферометрические изображения капель сняты одновременно. Размеры капель, полученные IPI-методом и обработанные с помощью вейвлет- и фурье-преобразований, сравнены с данными GPT-метода. Показано, что применение вейвлет-преобразования существенно уменьшает частоту возникновения систематической погрешности определения размера, наиболее характерной для крупных капель. Установлено, что вызывающие систематическую погрешность ложные максимумы в спектре Фурье обусловлены появлением искажений на границе интерферометрического образа капли. Показано, что отделить эти искажения от основного максимума в окрестности центра капли можно с помощью вейвлет-преобразования.

The problem of size droplet determining by the Interferometric Particle Imaging (IPI) in a spray of an optically transparent liquid is considered. The measurements were carried out using the example of a fuel injector flame. A new method for analyzing the IPI image of a droplet using a continuous wavelet transform is proposed. The spatial distribution of wavelet coefficients is used to introduce an integral measure similar to the spectral density of the signal. As a reliable estimate of the droplet size, we considered the results by the Glare Point Technique (GPT), which were applied simultaneously. A comparative analysis of the sizes obtained using GPT and IPI showed that the application of the wavelet transform to IPI images, in comparison with the Fourier method, significantly reduces the frequency of occurrence of a systematic error in determining the size, which is most specific for large droplets. It was found that the false maxima in the Fourier spectrum causing these errors are due to the appearance of distortions at the boundary of the interferometric image of the droplet. The wavelet transform allows one to separate these distortions from the main maximum in the vicinity of the droplet center.

спрейразмер каплифорсункапараметры распыламетод анализа интерферометрических изображений частицпрямой оптический методанализ бликов частицвейвлет-преобразованиефурье-преобразованиеspraydroplet sizenozzlespray parametersinterferometric particle imagingdirect optical methodglare point techniquewavelet transformFourier transformReferencesЛеонтьев С. Н., Новиков А. О., Ягодников Д. А. Использование цифровой измерительной техники для гидравлических испытаний форсунок // Наука и Образование: МГТУ им. Н .Э. Баумана. 2015. № 10. C. 161–170.Leont’ev S. N., Novikov A. O., Yagodnikov D. A., Science and Education of Bauman MSTU, 2015, no. 10 pp. 161–170. (In Russ.)Tropea C., Annu. Rev. Fluid Mech., 2011, vol. 43, pp. 399– 426. https://doi.org/10.1146/annurev-fluid-122109-160721Tropea C., Annu. Rev. Fluid Mech., 2011, vol. 43, pp. 399– 426. https://doi.org/10.1146/annurev-fl uid-122109-160721Баталов В. Г., Степанов Р. А., Сухановский А. Н. Оптические измерения размеров капель в реальных потоках // Вестник Пермского университета. Физика. 2017. № 3 (37). С. 40–47. https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-3-40-47Batalov V. G., Stepanov R. A., Sukhanovsky A. N., Bulletin of Perm University. Physics, 2017, no. 3 (37), pp. 40–47. (In Russ.) https://doi.org/10.17072/1994-3598-2017-3-40-47Maeda M., Kawaguchi T., Hishida K., Measurement Science and Technology, 2000, vol. 11, no. 12, L. 13. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/12/101Maeda M., Kawaguchi T., Hishida K., Measurement Science and Technology, 2000, vol. 11, no. 12, L. 13. https://doi.org/10.1088/0957-0233/11/12/101Van de Hulst H. and Wang R., Applied optics, 1991, vol. 30, рр. 4755–4763. https://doi.org/10.1364/AO.30.004755Van de Hulst H. and Wang R., Applied optics, 1991, vol. 30, рр. 4755–4763. https://doi.org/10.1364/AO.30.004755Бильский А. В., Ложкин Ю. А., Маркович Д. М. Интерферометрический метод измерения диаметров капель // Теплофизика и аэромеханика. 2011. Т. 18. № 1. С. 1–13.Lozhkin Y. A., Bilsky A. V., Markovich D. M., Thermophysics and Aeromechanics, 2011, vol. 18, no. 1, pp. 1–12. https://doi.org/10.1134/S086986431101001XSukhanovskii A., Batalov V., Stepanov R., Experimental Thermal and Fluid Science, 2019, vol. 103, рр. 29–36. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.01.005Sukhanovskii A., Batalov V., Stepanov R., Experimental Thermal and Fluid Science, 2019, vol. 103, рр. 29–36. https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2019.01.005Qieni L., Xiaoxue Y., Baozhen G., Tingting C., Opt. Express, 2018, vol. 26, рр. 1038–1048. https://doi.org/10.1364/OE.26.001038Qieni L., Xiaoxue Y., Baozhen G., Tingting C., Opt. Express, 2018 vol. 26, рр. 1038–1048. https://doi.org/10.1364/OE.26.001038Короновский А. А., Храмов А. Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: Физматлит, 2003. 176 с.Koronovskij A. A., Hramov A. E., Nepreryvnyj vejvletnyj analiz i ego prilozhenija, Moscow, Fizmatlit Publ., 2003, 176 p. (In Russ.)Филяк М. М., Четверикова А. Г., Каныгина О. Н., Анисина И. Н. Вейвлет-анализ изображений поверхности керамических материалов как метод измерения размеров её структурных элементов // Измерительная техника. 2020. № 2. С. 50–54. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2020-2-50-54Filyak M. M., Chetverikova A. G., Kanygina O. N., Anisina I. N., Measurement Techniques, 2020, vol. 63, no. 2, pp. 130– 134. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01761-9

The authors declare that there are no conflicts of interest present.