Plasma Jet Velocity Measurement by Visualizing the Motion of Introduced Optical Inhomogeneities
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-1-124-132Keywords:
plasma, unsteady current, submerged jet, velocity field, optical inhomogeneity, high-speed visualizationAbstract
A method for introducing optical inhomogeneities (OI) into a subsonic plasma jet is described. High-speed visualization of such OI opens the possibility of determining spatial distributions of plasma motion velocity. Small-diameter cylindrical graphite and copper rods were used as the OI source. The results obtained from recording the OI motion photographic images with simultaneously recording the plasma emission spectra near the marker surface indicate that the plasma jet hydrodynamic and thermal perturbations are insignificant in nature.
It has been experimentally established that the time for which the Cu and C rods 1 mm in diameter withstand the effect of argon, nitrogen and air plasma jets with a bulk temperature of about 10 000 K and velocity of 100...200 m/s without destruction is 0.4...1.0 s. This time is enough to obtain a complete motion pattern of the OI introduced into the plasma jet in a segment with a length of several jet diameters at a video recording rate of around 10 000 s–1.
The article describes an algorithm for processing video images by means of software with a view to obtain the subsonic plasma jet velocity field, which involves determination of the spatial-temporal changes in the IO boundaries by sequentially constructing the gradient field of their luminescence intensities, recognizing, filtering, and comparing the IO boundaries.
References
1. Дресвин С.В., Клубникин В.С. Измерение скорости течения плазмы трубкой полного напора // Теплофизика высоких температур. 1969. Т. 7. № 4. С. 633—640.
2. Choi S. e. a. Effects of Anode Nozzle Geometry on Ambient Air Entrainment Into Thermal Plasma Jets Generated by Nontransferred Plasma Torch // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. No. 2. Pp. 473—478.
3. Capetti A., Pfender E. Probe Measurements in Argon Plasma Jets Operated in Ambient Argon // Plasma Chemistry and Plasma Proc. 1989. V. 9. No. 2. Pp. 329—341.
4. Занько Ф.С., Михеев А.Н., Хайрнасов К.Р. Термоанемометрические измерения скорости при изменяющейся температуре потока // Труды Академэнерго. 2013. №. 4. С. 7—12.
5. Raffel M., Willert C.E., Kompenhans J. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer, 2001
6. Maas H.G., Gruen A., Papantoniou D. Particle Tracking Velocimetry in Three-dimensional Flows // Experiments in Fluids. 1993. V. 15. No. 2. Pp. 133—146.
7. Abbiss J.B., Chubb T.W., Pike E.R. Laser Doppler Anemometry // Optics & Laser Techn. 1974. V. 6. No. 6. Pp. 249—261.
8. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982.
9. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С., Фомин Н.А. Новые методы лазерной анемометрии в исследованиях сложных газодинамических течений // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76. № 6. С. 3—12.
10. Бэтчелор Д. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973.
11. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1985.
12. Вараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 3. С. 421—455.
13. Вараксин А.Ю. Столкновения в потоках газа с твердыми частицами. М.: Физматлит, 2008.
14. Низкотемпературная плазма. Новосибирск: Наука, 1991.
15. Исакаев Э.Х., Синкевич О.А., Тюфтяев А.С., Чиннов В.Ф. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода и некоторые его применения // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 1. С. 1—30.
16. Гаджиев М.Х., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А.С., Юсупов Д.И. Мощный генератор низкотемпературной плазмы воздуха с расширяющимся каналом выходного электрода // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 2. С. 44—49.
17. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012.
18. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005.
19. Свидетельство № 2017660959 о гос. регистрации программ для ЭВМ. Программа графической обработки высокоскоростной регистрации оптических неоднородностей в плазменной струе / А.В. Мордынский, М.Х. Гаджиев. М.: Российский экономический ун-т им. Г.В. Плеханова, 2017.
20. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука, 1995.
---
Для цитирования: Кавыршин Д.И., Саргсян М.А., Горячев С.В., Хромов М.А., Чиннов В.Ф., Мордынский А.В. Измерение скорости плазменной струи по движению внесенных в нее оптических неоднородностей // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 124—132. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-124-132.
---
Работа выполнена при поддержке: РФФИ (проект № 17-08-00816)
#
1. Dresvin S.V., Klubnikin V.S. Izmerenie Skorosti Techeniya Plazmy Trubkoy Polnogo Napora. Teplofizika Vysokih Temperatur. 1969;7;4:633—640. (in Russian).
2. Choi S. e. a. Effects of Anode Nozzle Geometry on Ambient Air Entrainment Into Thermal Plasma Jets Generated by Nontransferred Plasma Torch. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004;32;2:473—478.
3. Capetti A., Pfender E. Probe Measurements in Argon Plasma Jets Operated in Ambient Argon. Plasma Chemistry and Plasma Proc. 1989;9;2:329—341.
4. Zan'ko F.S., Miheev A.N., Hayrnasov K.R. Termoanemometricheskie Izmereniya Skorosti pri Izmenyayushcheysya Temperature Potoka. Trudy Akademenergo. 2013;4;7—12. (in Russian).
5. Raffel M., Willert C.E., Kompenhans J. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer, 2001
6. Maas H.G., Gruen A., Papantoniou D. Particle Tracking Velocimetry in Three-dimensional Flows. Experiments in Fluids. 1993;5;2:133—146.
7. Abbiss J.B., Chubb T.W., Pike E.R. Laser Doppler Anemometry. Optics & Laser Techn. 1974;6;6: 249—261.
8. Dubnishchev Yu.N., Rinkevichyus B.S. Metody lazernoy Doplerovskoy Anemometrii. M.: Nauka, 1982. (in Russian).
9. Dubnishchev Yu.N., Rinkevichyus B.S., Fomin N.A. Novye Metody Lazernoy Anemometrii v Issledovaniyah Slozhnyh Gazodinamicheskih Techeniy. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 2003;76;6;3—12. (in Russian).
10. Betchelor D. Vvedenie v Dinamiku Zhidkosti. M.: Mir, 1973. (in Russian).
11. Van-Dayk M. Al'bom Techeniy Zhidkosti i Gaza. M.: Mir, 1985. (in Russian).
12. Varaksin A.Yu. Gidrogazodinamika i Teplofizika Dvuhfaznyh Potokov: Problemy i Dostizheniya. Teplofizika Vysokih Temperatur. 2013;51;3:421—455. (in Russian).
13. Varaksin A.Yu. Stolknoveniya v Potokah Gaza s Tverdymi Chastitsami. M.: Fizmatlit, 2008. (in Russian).
14. Nizkotemperaturnaya Plazma. Novosibirsk: Nauka, 1991. (in Russian).
15. Isakaev E.H., Sinkevich O.A., Tyuftyaev A.S., Chinnov V.F. Issledovanie Generatora Nizkotemperaturnoy Plazmy s Rasshiryayushchimsya Kanalom Vyhodnogo Elektroda i Nekotorye Ego Primeneniya. Teplofizika Vysokih Temperatur. 2010;48;1:1—30. (in Russian).
16. Gadzhiev M.H., Isakaev E.H., Tyuftyaev A.S., Yusupov D.I. Moshchnyy Generator Nizkotemperaturnoy Plazmy Vozduha s Rasshiryayushchimsya Kanalom Vyhodnogo Elektroda. Pis'ma v ZHTF. 2016;42;2:44—49. (in Russian).
17. Magunov A.N. Spektral'naya Pirometriya. M.: Fizmatlit, 2012. (in Russian).
18. Gonsales R., Vuds R. Tsifrovaya Obrabotka Izobrazheniy. M.: Tekhnosfera, 2005. (in Russian).
19. Svidetel'stvo № 2017660959 o Gos. Registratsii Programm dlya EVM. Programma Graficheskoy Obrabotki Vysokoskorostnoy Registratsii Opticheskih Neodnorodnostey v Plazmennoy Strue / A.V. Mordynskiy, M.H. Gadzhiev. M.: Rossiyskiy Ekonomicheskiy Un-t im. G.V. Plekhanova, 2017. (in Russian).
20. Pikalov V.V., Mel'nikova T.S. Tomografiya Plazmy. Novosibirsk: Nauka, 1995. (in Russian).
---
For citation: Kavyrshin D.I., Sargsyan M.A., Goryachev S.V., Khromov M.A., Chinnov V.F., Mordynsky A.V. Markov Plasma Jet Velocity Measurement by Visualizing the Motion of Introduced Optical Inhomogeneities. MPEI Vestnik. 2019;1:124—132. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-124-132.
---
The work is executed at support: RFBR (grants No. 17-08-00816)
2. Choi S. e. a. Effects of Anode Nozzle Geometry on Ambient Air Entrainment Into Thermal Plasma Jets Generated by Nontransferred Plasma Torch // IEEE Trans. Plasma Sci. 2004. V. 32. No. 2. Pp. 473—478.
3. Capetti A., Pfender E. Probe Measurements in Argon Plasma Jets Operated in Ambient Argon // Plasma Chemistry and Plasma Proc. 1989. V. 9. No. 2. Pp. 329—341.
4. Занько Ф.С., Михеев А.Н., Хайрнасов К.Р. Термоанемометрические измерения скорости при изменяющейся температуре потока // Труды Академэнерго. 2013. №. 4. С. 7—12.
5. Raffel M., Willert C.E., Kompenhans J. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer, 2001
6. Maas H.G., Gruen A., Papantoniou D. Particle Tracking Velocimetry in Three-dimensional Flows // Experiments in Fluids. 1993. V. 15. No. 2. Pp. 133—146.
7. Abbiss J.B., Chubb T.W., Pike E.R. Laser Doppler Anemometry // Optics & Laser Techn. 1974. V. 6. No. 6. Pp. 249—261.
8. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С. Методы лазерной доплеровской анемометрии. М.: Наука, 1982.
9. Дубнищев Ю.Н., Ринкевичюс Б.С., Фомин Н.А. Новые методы лазерной анемометрии в исследованиях сложных газодинамических течений // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76. № 6. С. 3—12.
10. Бэтчелор Д. Введение в динамику жидкости. М.: Мир, 1973.
11. Ван-Дайк М. Альбом течений жидкости и газа. М.: Мир, 1985.
12. Вараксин А.Ю. Гидрогазодинамика и теплофизика двухфазных потоков: проблемы и достижения // Теплофизика высоких температур. 2013. Т. 51. № 3. С. 421—455.
13. Вараксин А.Ю. Столкновения в потоках газа с твердыми частицами. М.: Физматлит, 2008.
14. Низкотемпературная плазма. Новосибирск: Наука, 1991.
15. Исакаев Э.Х., Синкевич О.А., Тюфтяев А.С., Чиннов В.Ф. Исследование генератора низкотемпературной плазмы с расширяющимся каналом выходного электрода и некоторые его применения // Теплофизика высоких температур. 2010. Т. 48. № 1. С. 1—30.
16. Гаджиев М.Х., Исакаев Э.Х., Тюфтяев А.С., Юсупов Д.И. Мощный генератор низкотемпературной плазмы воздуха с расширяющимся каналом выходного электрода // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42. Вып. 2. С. 44—49.
17. Магунов А.Н. Спектральная пирометрия. М.: Физматлит, 2012.
18. Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений. М.: Техносфера, 2005.
19. Свидетельство № 2017660959 о гос. регистрации программ для ЭВМ. Программа графической обработки высокоскоростной регистрации оптических неоднородностей в плазменной струе / А.В. Мордынский, М.Х. Гаджиев. М.: Российский экономический ун-т им. Г.В. Плеханова, 2017.
20. Пикалов В.В., Мельникова Т.С. Томография плазмы. Новосибирск: Наука, 1995.
---
Для цитирования: Кавыршин Д.И., Саргсян М.А., Горячев С.В., Хромов М.А., Чиннов В.Ф., Мордынский А.В. Измерение скорости плазменной струи по движению внесенных в нее оптических неоднородностей // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 124—132. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-124-132.
---
Работа выполнена при поддержке: РФФИ (проект № 17-08-00816)
#
1. Dresvin S.V., Klubnikin V.S. Izmerenie Skorosti Techeniya Plazmy Trubkoy Polnogo Napora. Teplofizika Vysokih Temperatur. 1969;7;4:633—640. (in Russian).
2. Choi S. e. a. Effects of Anode Nozzle Geometry on Ambient Air Entrainment Into Thermal Plasma Jets Generated by Nontransferred Plasma Torch. IEEE Trans. Plasma Sci. 2004;32;2:473—478.
3. Capetti A., Pfender E. Probe Measurements in Argon Plasma Jets Operated in Ambient Argon. Plasma Chemistry and Plasma Proc. 1989;9;2:329—341.
4. Zan'ko F.S., Miheev A.N., Hayrnasov K.R. Termoanemometricheskie Izmereniya Skorosti pri Izmenyayushcheysya Temperature Potoka. Trudy Akademenergo. 2013;4;7—12. (in Russian).
5. Raffel M., Willert C.E., Kompenhans J. Particle Imaging Velocimetry. Berlin: Springer, 2001
6. Maas H.G., Gruen A., Papantoniou D. Particle Tracking Velocimetry in Three-dimensional Flows. Experiments in Fluids. 1993;5;2:133—146.
7. Abbiss J.B., Chubb T.W., Pike E.R. Laser Doppler Anemometry. Optics & Laser Techn. 1974;6;6: 249—261.
8. Dubnishchev Yu.N., Rinkevichyus B.S. Metody lazernoy Doplerovskoy Anemometrii. M.: Nauka, 1982. (in Russian).
9. Dubnishchev Yu.N., Rinkevichyus B.S., Fomin N.A. Novye Metody Lazernoy Anemometrii v Issledovaniyah Slozhnyh Gazodinamicheskih Techeniy. Inzhenerno-fizicheskiy zhurnal. 2003;76;6;3—12. (in Russian).
10. Betchelor D. Vvedenie v Dinamiku Zhidkosti. M.: Mir, 1973. (in Russian).
11. Van-Dayk M. Al'bom Techeniy Zhidkosti i Gaza. M.: Mir, 1985. (in Russian).
12. Varaksin A.Yu. Gidrogazodinamika i Teplofizika Dvuhfaznyh Potokov: Problemy i Dostizheniya. Teplofizika Vysokih Temperatur. 2013;51;3:421—455. (in Russian).
13. Varaksin A.Yu. Stolknoveniya v Potokah Gaza s Tverdymi Chastitsami. M.: Fizmatlit, 2008. (in Russian).
14. Nizkotemperaturnaya Plazma. Novosibirsk: Nauka, 1991. (in Russian).
15. Isakaev E.H., Sinkevich O.A., Tyuftyaev A.S., Chinnov V.F. Issledovanie Generatora Nizkotemperaturnoy Plazmy s Rasshiryayushchimsya Kanalom Vyhodnogo Elektroda i Nekotorye Ego Primeneniya. Teplofizika Vysokih Temperatur. 2010;48;1:1—30. (in Russian).
16. Gadzhiev M.H., Isakaev E.H., Tyuftyaev A.S., Yusupov D.I. Moshchnyy Generator Nizkotemperaturnoy Plazmy Vozduha s Rasshiryayushchimsya Kanalom Vyhodnogo Elektroda. Pis'ma v ZHTF. 2016;42;2:44—49. (in Russian).
17. Magunov A.N. Spektral'naya Pirometriya. M.: Fizmatlit, 2012. (in Russian).
18. Gonsales R., Vuds R. Tsifrovaya Obrabotka Izobrazheniy. M.: Tekhnosfera, 2005. (in Russian).
19. Svidetel'stvo № 2017660959 o Gos. Registratsii Programm dlya EVM. Programma Graficheskoy Obrabotki Vysokoskorostnoy Registratsii Opticheskih Neodnorodnostey v Plazmennoy Strue / A.V. Mordynskiy, M.H. Gadzhiev. M.: Rossiyskiy Ekonomicheskiy Un-t im. G.V. Plekhanova, 2017. (in Russian).
20. Pikalov V.V., Mel'nikova T.S. Tomografiya Plazmy. Novosibirsk: Nauka, 1995. (in Russian).
---
For citation: Kavyrshin D.I., Sargsyan M.A., Goryachev S.V., Khromov M.A., Chinnov V.F., Mordynsky A.V. Markov Plasma Jet Velocity Measurement by Visualizing the Motion of Introduced Optical Inhomogeneities. MPEI Vestnik. 2019;1:124—132. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-124-132.
---
The work is executed at support: RFBR (grants No. 17-08-00816)
Downloads
Published
2017-12-27
Issue
Section
Thermal physics and theoretical heat (01.04.14)
