Цель работы - показать возможность метода КАРС для одновременного измерения трех физических параметров газа - локальной температуры, состава и давления в трубке Ранка-Хилша. Как устройство для температурного разделения газа она широко используется в различных системах охлаждения и кондиционирования. В ней сжатый воздух, интенсивно вращающийся в ограниченном объеме, вблизи его оси приобретает температуру ниже, а на периферии - выше, чем на входе в канал. На выходе из трубки разность температур между "горячим" и "холодным" потоками порядка 20-40 K. В отдельных случаях может также происходить разделение газовых смесей по составу. Эти эффекты со времени их открытия привлекают к себе внимание исследователей, но до настоящего времени нет однозначного ответа на вопрос о их причинах.
На снимке показан серийно выпускавшийся вихревой климатизатор-холодильник ВК-1 (противоточная вихревая трубка Ранка-Хилша), дополненный оптическими окнами и вставками для изменения координаты Y. Внутренний диаметр канала - 20 мм, длина - 350 мм. Расход воздуха на входе в четырехщелевой (30 мм2) закручивающий аппарат - 16 г/с, расход через диафрагму диаметром 10 мм на "холодном" выходе - 6,5 г/с.
Использование широкополосного излучения позволяет получить спектры КАРС, отражающие чисто вращательные переходы в пределах одного колебательного состояния молекул. Вращательный спектр чистого азота состоит из почти эквидистантно отстоящих линий, сгруппированных на оси частот, соответственно, в S- и O-ветви, которые расположены по разные стороны от частоты пробного излучения. Спектр воздуха, являющегося смесью двух газов (N2 и O2), дополняется аналогичным набором линий для кислорода. Наибольшей температурной чувствительностью вращательные спектры обладают в диапазоне T<1000K. Зная температуру и состав смеси, можно определить её давление в месте измерений [6].
Пучки I1 и I2, полученные разделением излучения лазера на красителе,
и пробный I3 дважды фокусировались и сводились вместе с помощью линз(1 и 4), образуя
опорный (2) и измерительный объемы (5) с размерами 0.1*0.1*2 мм3 [4]. Пучки рассеянного
света попадали на входную щель (7) спектрографа, в качестве которого использовался
двойной монохроматор ДФС-24. В его выходной фокальной плоскости располагались два спектра,
соответственно, из опорного и измерительного объемов, взаимно разнесенные в вертикальном
направлении, благодаря оптическому клину (W). Наклоном плоскопараллельной пластины (P),
установленной вместо средней щели, S-ветвь спектра из измерительного объема совмещалась
с O-ветвью из опорного на многоканальном детекторе(8).
Данные по профилям температуры, концентрации и давления получены для пяти поперечных сечений трубки Ранка-Хилша с шагом 50мм. Профили С(N2) показали, что с точностью до ошибки измерений разделения компонентов воздуха в исследуемом режиме течения не происходило. На рисунке представлены поля средних по ансамблю значений T и P, построенные по их профилям. Видно, что температура и давление увеличиваются от оси к периферии. В продольном направлении распределение этих параметров также неоднородно. Заметное падение температуры происходит вблизи закручивающего аппарата, где находится выход "холодного" воздуха. Полученные количественные данные показывают сложную картину течения в исследуемом объекте, а также возможности метода КАРС для одновременных измерений трех параметров газовой смеси с высоким пространственным разрешением.
Разработка сайта: FSY, 2011