Программный комплекс расчёта дисперсности частиц в методах контроля образования и распространения аэрозольных сред

Актуальность темы исследования. С развитием технологического
прогресса происходит усовершенствование технологий производства. Появление
новых веществ требует контроля, как при их производстве, так и при воздействии
на окружающую среду, человека [1] и т.п. Особый интерес для исследования
представляют собой дисперсные системы. Размеры частиц вещества в таких
системах могут быть различны, от нескольких нанометров до сотен микрометров.
К числу источников аэрозолей можно отнести: теплоэлектроцентраль,
автотранспорт, промышленное производство и т.д.
Дисперсные системы обладают многими необычными физическими
свойствами, которые требуют отдельного изучения и имеют большое значение на
практике. Особенности газодинамики дисперсных систем обусловлены
различным движением среды-носителя и частиц дисперсной фазы; необычные
оптические свойства вызваны сравнимостью размеров частиц с длинами волн
света и влиянием формы частиц; повышенная способность к взаимодействиям
вызвана чрезвычайно развитой поверхностью частиц. Особое место среди
дисперсных систем занимают аэрозоли [2, 3].
В настоящее время аэрозоли широко используются в технологических
процессах пищевой промышленности, медицине, служат для борьбы с
сельскохозяйственными вредителями, являются необходимым элементом в
физических установках и промышленных процессах, в нанотехнологиях,
используются для изготовления материалов необходимыми (заданными) или
уникальными свойствами.
Изучение процесса образования и распространения аэрозолей можно
использовать в различных сферах жизнедеятельности человека, таких как:
медицина, пожаротушение, экологический мониторинг [4], контроль
производства, адекватная оценка обстановки в случае нештатных ситуаций на
производстве. Необходимы методы и приборы, позволяющие осуществлять
контроль дисперсных характеристик и концентрации аэрозолей в
быстроменяющейся обстановке. Реализация таких методов на практике, как
правило, связана с необходимостью проведения больших объемов вычислений;
усовершенствование расчетных программ остается актуальной задачей в развитии
методов измерений дисперсных систем.
Повышение информативности об исследуемом аэрозоле, связанное с
расширением диапазона размеров частиц аэрозоля и поиском решения в виде
многопараметрической функции, является актуальной задачей в методах
контроля аэрозолей.
Степень разработанности задачи. Бесконтактные оптические методы
контроля аэрозолей являются перспективным направлением в исследовании
дисперсных сред в тех случаях, когда необходимо исключить возмущения,
вносимые в исследуемую среду. В настоящее время для контроля дисперсных
сред и концентрации аэрозолей разработан ряд оптических методов. Каждый из
них применим для определения параметров аэрозолей в заданном диапазоне
размеров частиц. Оптические методы исследования аэрозолей основаны на теории
Ми [5, 6].
В данной работе рассматриваются два основных оптических метода для
исследования физических свойств аэрозолей, каждый из которых имеет пределы
измерения по размерам частиц: метод малоуглового рассеяния (модификация
метода реализована в виде измерительной установки) и метод спектральной
прозрачности (модификация метода реализована в виде измерительной
установки). Первый метод позволяет контролировать дисперсные характеристики
аэрозоля с размерами частиц 1-100 мкм, второй – в диапазоне 30-6000 нм.
Модификация рассматриваемых оптических методов контроля связана с
особенностями математической обработкой результатов измерений. Обычно для
описания дисперсности аэрозоля используется аналитическая функция
распределения [7] частиц по размерам – гамма распределение, имеющая два
параметра. В более общем случае функция распределения частиц по размерам
имеет произвольный вид с заданным конечным числом параметров N. Объем
вычислений возрастает в геометрической прогрессии с ростом числа искомых
параметров функции распределения, что является проблемой реализации
оптических методов измерений. В связи с этим необходимо использовать
технологии параллельных вычислений [8].
Объект исследования.
Оптические методы контроля аэрозолей.
Предмет исследования.
Параллельные алгоритмы, автоматизация и оптимизация в оптических
методах контроля аэрозолей.
Цели и задачи. Целью данной работы является совершенствование
оптических методов контроля дисперсных характеристик аэрозоля за счет
повышения информативности результатов при обработке экспериментальных
данных, полученных различными методами, в широком диапазоне размеров
частиц.
Для выполнения поставленной цели требуется решить следующие основные
задачи:
1. анализ известных оптических методов контроля дисперсных характеристик
аэрозолей и выбор перспективных;
2. разработка алгоритмов обработки информации для выбранных оптических
методов;
3. разработка параллельных алгоритмов для ускорения обработки
экспериментальных данных;
4. разработка алгоритма представления функции распределения частиц по
размерам в виде многопараметрической функции (для повышения точности
полученных результатов);
5. разработка алгоритма совместной обработки результатов эксперимента,
полученных выбранными оптическими методами;
6. реализация разработанных алгоритмов в виде программного комплекса,
обеспечивающего обработку экспериментальной информации выбранными
оптическими методами.
Научная новизна. Разработка нового подхода к совместной обработке
исходных данных, полученных с применением двух оптических методов по
определению параметров частиц аэрозоля, позволяющей увеличить
контролируемый диапазон размеров частиц и скорости обработки результатов, в
частности:
• предложен новый подход к решению обратной задачи оптики аэрозолей с
получением результата в виде многопараметрической функции частиц по
размерам, взаимосвязано учитывающий данные о рассеянии аэрозолем
излучения на малых углах и ослабления на разных длинах волн;
• разработан универсальный алгоритм сращивания функций распределения
частиц по размерам, полученных с помощью различных оптических
методов, при наличии общего диапазона размеров измеряемых частиц;
• разработаны новые методы математической обработки результатов
оптических измерений, в частности, в плане оптимизации и параллельных
алгоритмов;
• предложен новый подход прямого поиска решения в задачах оптики
аэрозолей с сохранением параметров функций распределения в оперативно-
запоминающее устройство (ОЗУ) компьютера, что позволяет резко (до
десятков тысяч раз) ускорить обработку исходных данных;
Практическая значимость работы. Практическая значимость работы
заключается в разработке комплекса программ, который будет являться одним из
этапов в создании измерительных комплексов и в частности:
• создание комплекса программ для полной автоматизации расчётов при
использовании установок контроля по методу малоуглового рассеяния и
методу спектральной прозрачности с большим временным разрешением
(50 Гц);
• возможность изучения испарения, коагуляции и осаждения аэрозолей и
суспензий в быстроменяющейся обстановке в лабораторной практике
(соответственно частоте регистрации данных);
• получение решения для распределения частиц по размерам в виде
многопараметрической функции для реального представления состояния
дисперсной среды;
• предложен новый подход прямого поиска функции распределения с
сохранением исходных данных и расчётных параметров распределения в
оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ) компьютера;
• совместная обработка исходных данных, полученных выбранными
оптическими методами по определению размеров частиц аэрозоля,
позволяющая расширить диапазон контролируемых частиц и повысить
информативность измерений исследуемых дисперсных сред;
• применение разработанного программного обеспечения в лабораторных
исследованиях, возможность применения в составе промышленных
приборов.
Методология работы и методы исследований.
Оптические методы контроля дисперсных сред.
Математические методы программирования и тестирование программного
кода.
Статистические методы для подтверждения адекватности разработанных
математических методов.
Сравнение результатов эксперимента, полученных разными методами.
Численный эксперимент.
Положения, выносимые на защиту.
1. новый подход и алгоритм совместной обработки результатов измерений,
полученных с помощью оптических методов;
2. метод поиска функции распределения частиц по размерам в виде
произвольной многопараметрической функции;
3. методика обработки исходных данных, полученных с использованием двух
установок, реализующих выбранные оптические методы контроля
дисперсных характеристик аэрозолей;
4. параллельные алгоритмы и методы оптимизации алгоритмов в оптических
методах контроля дисперсных сред.
Степень достоверности и апробация результатов. Проведены
эксперименты на двух модельных средах, которые сравнивались с другим
наиболее близким средством измерения (оптический анализатор частиц Spraytec
компании «Malvern Instruments») и проверялись методами математической
статистики.
Апробация работы: основные положения диссертационной работы
апробированы на 10-ти научно-технических конференциях, в том числе на 2-х
международных конференциях с публикациями материалов.
Материалы работы обсуждались на 2-х международных конференциях:
International Conference on Atmospheric Dust – Dust 2014, с 1 по 6 июня 2014 г.,
Италия, Castellaneta Marina; V Международная молодежная научная конференция
«Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной
механики» 25-27 ноября 2015 г., г. Томск; и 8 всероссийских конференциях: III
Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых и
специалистов «Материалы и технологии XXI века» 18-20 сентября 2013 г., г.
Бийск; Всероссийская конференция «Информационные технологии в науке,
экономике и образовании» 18 декабря 2013 г., г. Бийск – г. Кизляр; XXI Рабочая
группа «Аэрозоли Сибири» 25-28 ноября 2014 г., г. Томск, ИОА СО РАН; V
Всероссийская научно-техническая конференция молодых учёных «Перспективы
создания и применения конденсированных высокоэнергетических материалов»
11-12 сентября 2014 г., г. Бийск; Молодежная конкурс-конференция «Фотоника и
оптические технологии 2014» 14-16 апреля 2014 г., г. Новосибирск; XXII Рабочая
группа «Аэрозоли Сибири» 24-27 ноября 2015 г., г. Томск; VI Всероссийская
научно-техническая конференция молодых ученых «Перспективы создания и
применения конденсированных высокоэнергетических материалов» 15-16
сентября 2016 г., г. Бийск; V Всероссийская научная молодежная школа-
конференция «Химия под знаком сигма: исследования, инновации, технологии»
15-20 мая 2016 г., г. Омск.
Опубликовано 6 статей в рекомендованных ВАК журналах.
Личный вклад. Автором лично получены все основные результаты
теоретических и экспериментальных исследований, осуществлена обработка
исходных данных и интерпретация полученных данных. Разработан программный
код для параллельной обработки теоретических расчётов. Реализованы алгоритмы
в виде программ, автоматизирующие обработку исходной информации,
алгоритмы получения решения для распределения частиц по размерам в виде
многопараметрической функции, алгоритмы совместной обработки исходных
данных, полученных с помощью двух оптических методов.
Структура и объем работы. Работа состоит из содержания, введения,
четырёх глав, заключения, списка сокращений и условных обозначений, списка
терминов, списка использованной литературы, включающего 102 источника и 18
приложений. Работа содержит 155 страницы текста, 34 рисунка, 26 таблиц.
В первой главе охарактеризованы преимущества и недостатки контактных
и бесконтактных методов анализа дисперсных систем. Охарактеризованы
оптические методы анализа и контроля, основанные на эффектах взаимодействия
вещества с электромагнитным излучением. Описаны основные параметры
дисперсных сред, рассматриваются современные методы контроля дисперсных
систем, а также приборы на их основе. Выбраны и охарактеризованы оптические
методы и установки для контроля быстро-эволюционирующих аэрозолей,
созданных: ударно-волновым методом [9] с применением высокоэнергетических
материалов, пневматическим методом распыления, ультразвуковым методом [10].
Описаны типы, технологии параллельных вычислений. В рамках специфики
задачи выбрана технология параллельных вычислений для ускорения процесса
расчёта.
Вторая глава посвящена описанию двух основных оптических методов
контроля аэрозольных сред, процессу автоматизации обработки исходных данных
в МММУ (модифицированный метод малоуглового рассеяния) и ТВСМ
(турбидиметрический высокоселективный метод). Разработан и реализован
алгоритм обработки исходных данных с помощью многопараметрической
функции распределения, а также алгоритм совместной обработки исходных
данных. Предложены модельные среды для проведения экспериментальных
исследований с целью проверки разработанных алгоритмов и программ на
основании математических расчётов с учетом комплексного показателя
преломления.
В третьей главе экспериментально установлены диапазоны оптической
толщины для МММУ и ТВСМ, в которых возможна совместная и раздельная
обработка результатов измерений, а также диапазон длин волн, который следует
использовать в ТВСМ. Проведены эксперименты на модельных средах в
установках ЛИД-2М и ТИПАС-1, решение обратной задачи было получено в виде
функции гамма-распределения и в виде многопараметрической функции.
Проведены модельные эксперименты на оптическом анализаторе Spraytec
компании «Malvern Instruments», результаты которого сравнивались с 70-ти
параметрической функцией, полученной в результате совместной обработки
исходных данных. Изложен алгоритм (методика) совместной и раздельной
обработкой исходных данных.
В четвертой главе приводится попарный анализ D32, полученный с
помощью функции гамма-распределения и многопараметрической функции для
аэрозоля Al2O3 и TiO2 в каждый момент времени. Оценивается соответствие вида
функции распределения, D32 между анализатором частиц Spraytec компании
«Malvern Instruments» и разработанным методом совместной обработки. Оценка
соответствия вида распределения производится при помощи разработанного
коэффициента корреляции, путём сравнения абсолютной разности площадей в
каждом диапазоне гистограммы.
Автор выражает глубокую благодарность и искреннюю признательность
своему научному руководителю, д.ф.–м.н. Кудряшовой Ольге Борисовне и
консультантам д.ф.–м.н. Павленко Анатолию Александровичу, к.т.н. Титову
Сергею Сергеевичу, к.т.н. Ахмадееву Игорю Радиковичу за помощь в разработке
новых алгоритмов, рекомендованную литературу и ценные замечания при
обсуждении результатов экспериментов, а также коллективу лаборатории физики
преобразования энергии высокоэнергетических материалов