VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Energetický ústav
Doc. Ing. Milan Pavelek, CSc.
VIZUALIZAČNÍ METODY V TECHNICE PROSTŘEDÍ VISUALIZATION METHODS IN ENVIRONMENTAL ENGINEERING
TEZE PŘEDNÁŠKY K PROFESORSKÉMU JMENOVACÍMU ŘÍZENÍ V OBORU APLIKOVANÁ MECHANIKA
Brno 2009
KLÍČOVÁ SLOVA Vytápění, větrání, klimatizace, experimentální metody, rozložení rychlostí, rozložení teplot, vizualizace kouřem, PIV metoda, interferometrie, termovizní měření, vyhodnocování vizualizačních záznamů
KEYWORDS Heating, ventilation, air-conditioning, experimental methods, velocity distribution, temperature distribution, smoke method, particle image velocimetry, interferometry, infrared measurements, evaluation of records
© Milan Pavelek, 2009 ISBN 978-80-214-3821-7 ISSN 1213-418X
OBSAH PŘEDSTAVENÍ AUTORA............................................................................................................... 4 1 ÚVOD ........................................................................................................................................... 4 2 VIZUALIZAČNÍ METODY V TECHNICE PROSTŘEDÍ ......................................................... 5 2.1
Vizualizace kouřem a mlhou................................................................................................ 6
2.2
Termovizní měření............................................................................................................... 8
2.3
PIV metoda ........................................................................................................................ 11
2.4
Interferometrie ................................................................................................................... 13
3 VYHODNOCOVÁNÍ VIZUALIZAČNÍCH ZÁZNAMŮ ......................................................... 19 4 APLIKACE VIZUALIZAČNÍCH METOD VE VÝUCE.......................................................... 23 5 ZÁVĚR........................................................................................................................................ 24 PODĚKOVÁNÍ ............................................................................................................................... 25 POUŽITÁ LITERATURA .............................................................................................................. 26 ABSTRACT..................................................................................................................................... 28
3
PŘEDSTAVENÍ AUTORA Doc. Ing. Milan Pavelek, CSc. je zaměstnán na Odboru termomechaniky a techniky prostředí Energetického ústavu FSI VUT v Brně. Narodil se 2. 10. 1950 v Kravařích v okrese Opava. V roce 1975 obhájil diplomovou práci na téma „Vizualizace tepelných mezních vrstev pomocí interferometrů“ a ukončil s vyznamenáním studium strojní fakulty, obor Přístrojová, regulační a automatizační technika. Ve stejném roce zahájil studium řádné vědecké aspirantury v oboru Termomechanika a mechanika tekutin na katedře termomechaniky, kompresorů a chladicích zařízení téže fakulty. Spolupracoval s pracovníky katedry fyziky FS VUT v Brně, kde v optické laboratoři prováděl experimenty z oblasti vizualizace teplotních polí. V květnu 1979 obhájil disertační práci na téma „Výzkum sdílení tepla ve štěrbinách metodou holografické interferometrie“. Od roku 1979 pracoval na katedře termomechaniky a jaderné energetiky FS VUT v Brně jako vědecký pracovník a odborný asistent. V roce 1983 byl jmenován docentem pro obor Termomechanika a mechanika tekutin a v roce 2001 habilitován v oboru Aplikovaná mechanika. Přednáší Termomechaniku a Experimentální metody, vede diplomové práce a působí jako školitel studentů doktorských studijních programů; 4 doktorandi studium úspěšně ukončili, 3 ve studiu pokračují. Také působil jako školitel specialista 3 aspirantů z dřevařské fakulty ve Zvolenu. V roce 1986 obdržel Čestné uznání za vedení vítězné práce v celostátním kole studentské vědecké a odborné činnosti. V 70. a 80. letech řešil státní výzkumné úkoly a úkoly základního výzkumu, po roce 1990 projekty FRVŠ, GAČR, COST, MPO, Inventnet, výzkumný záměr MŠMT a také umělecký projekt. Jeho aktivity byly zaměřeny na vizualizační a optické měřicí metody ve strojírenství, v přenosu tepla, v mechanice tekutin a v technice prostředí. Kromě těchto aplikací se zabýval i numerickým řešením vedení tepla, experimentálním výzkumem přestupu tepla a látky z rotujících povrchů, výzkumem větrání metodou stopového plynu a výzkumem tepelné pohody prostředí. V roce 1982 obdržel cenu ČSAV za práci na projektu základního výzkumu, v roce 1983 zvítězil jeho projekt na stavbu holografického interferometru na vysoké škole ve Zvolenu a na konferenci Ventilation 2003 v Sapporu získal cenu za nejlepší příspěvek. V 90. letech vybudoval na katedře optickou laboratoř s unikátním Machovým-Zehnderovým interferometrem a optickými sestavami. Zasloužil se o výstavbu laboratoře větrání s vizualizačními systémy a PIV systémem (Particle Image Velocimetry), zavedl termovizní měření na pracovišti, podílel se na modernizaci dalších laboratoří, např. zavedením metody stopového plynu pro výzkum větrání a je autorem či spoluautorem 14 funkčních vzorků a prototypů. Vyvinul interaktivní grafické programy pro termodynamické výpočty vodní páry a vlhkého vzduchu používané na školách i v praxi a software pro vyhodnocování vizualizačních experimentů využívaný ve výzkumu. V roce 1977 absolvoval stáž na technických univerzitách v Mnichově, v Hannoveru a u firmy Rottenkolber. V roce 1986 byl na stáži v Budapešti. V 70. letech absolvoval krátkodobé pobyty v SVÚSS Běchovice, ve VZLÚ v Praze a v Ústavu termomechaniky ČSAV v Praze. V akademickém roce 1992/93 vyučoval Termodynamiku na Fachhochschule Schmalkalden v Německu. V roce 1995 byl na přednáškovém pobytu na vysokých školách v Hannoveru, Schmalkaldenu, Mnichově a ve výzkumném centru v Göttingenu. Také absolvoval kurz Měření ve vzduchotechnice na ČVUT v Praze a kurz Teorie a praxe termovizních měření v Drážďanech. Pracuje v oborové radě oboru Technika prostředí a ve státních zkušebních komisích pro obor Technika prostředí a Dopravní a manipulační technika. Je členem Společnosti chemického inženýrství, Společnosti pro techniku prostředí a členem International Building Performance Simulation Association. Celkem publikoval 33 článků ve vědeckých a odborných časopisech, 117 příspěvků ve sbornících z konferencí, z toho 41 na evropských a světových konferencích, 62 výzkumných zpráv a vytvořil 42 učebních textů, skript a pomůcek. Podrobnější informace z jeho výzkumů a z výukové činnosti lze nalézt také na internetových stránkách http://ottp.fme.vutbr.cz/~pavelek.
4
1 ÚVOD Vizualizační metody patří k progresivním výzkumným metodám, které umožňují získat obrazy a dynamické záznamy o stavu celého objektu najednou [1]. Takové záznamy mohou usnadnit posuzování stavu objektu, mohou nalézt souvislosti sledovaných jevů a lépe posoudit vývoj nestacionárních dějů. Záznamy z vizualizačních experimentů poskytují vždy kvalitativní informace. Některé vizualizační metody umožní však získat i kvantitativní údaje a pak je řadíme mezi vizualizační měřicí metody. Vizualizační metody mohou být kontaktní nebo bezkontaktní. Kontaktní metody využívají k vizualizaci stavu objektu různé látky, které při styku s objektem zviditelní požadované veličiny. Bezkontaktní metody, mezi které lze řadit např. infračervenou termografii a optické vizualizační metody (interferometrii, clonkovou metodu, stínovou metodu aj.), nepotřebují k vizualizaci zprostředkující látky [1]. Z jiného pohledu rozdělujeme vizualizační metody na metody pro vizualizaci proudění, vizualizaci teplotních polí v tekutinách, vizualizaci koncentrací látek v tekutinách, vizualizaci povrchových teplot objektů a další. V oblasti experimentálních výzkumů mohou vizualizační metody přispět k jeho efektivnosti, jelikož přímo generují obrazové záznamy potřebných fyzikálních veličin v celém sledovaném objektu najednou. Efektivní využívání vizualizačních metod v praxi vyžaduje však i počítačové vyhodnocování získaných záznamů, které je složité a často spadá do oblasti umělé inteligence. Mnohé vizualizační metody bývají oproti metodám měření lokálních parametrů objektu přesnější, přičemž zejména bezkontaktní metody mívají zanedbatelné časové konstanty. Představa o prostorovém a dynamickém vývoji stavů a dějů sledovaných objektů může pomoci také při posuzování otázek přesnosti či nejistot měření. Záznamy experimentů pořízené vizualizačními metodami při laboratorních či provozních měřeních přispívají také k efektivnosti výuky [2]. Na přednáškách mohou tyto záznamy doplnit teoretický výklad přednášené problematiky, což umožní studentům hlouběji pochopit probíranou látku. Vizualizační záznamy mohou však zpřístupnit i náročné experimenty, které jsou z technických, časových, bezpečnostních či jiných důvodů ve výuce nerealizovatelné. Jednoduché vizualizační experimenty lze zařazovat do laboratorních cvičení, kde mohou studenti přímo sledovat a ovlivňovat průběh dějů a získat schopnost aplikovat tyto efektivní metody později ve své praxi. Další text se zabývá vizualizačními metodami používanými autorem na Odboru termomechaniky a techniky prostředí Energetického ústavu Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně (OTTP EÚ FSI VUT v Brně), které jsou vhodné pro Techniku prostředí zaměřenou na vytápění, větrání a klimatizaci [3]. Pozornost je věnována také vlastnímu software k vyhodnocování vizualizačních záznamů usnadňujícímu práci s vizualizačními metodami [4].
2 VIZUALIZAČNÍ METODY V TECHNICE PROSTŘEDÍ Vizualizační metody lze využívat pro řešení problémů v praxi, ve výzkumu, ale také pro zefektivnění výuky. Na OTTP EÚ jsou využívány ve výuce termomechaniky, přenosu tepla a především ve výuce na oboru Technika prostředí. Existuje sice mnoho principů vizualizačních metod, ale v oblasti Techniky prostředí se v současné době v praxi používá převážně vizualizace proudění vzduchu pomocí kouře či mlhy [5] a infračervená termografie [6]. K výzkumu rozložení rychlostí v tekutinách se postupně více využívá i metoda PIV (Particle Image Velocimetry) [7], která je však zatím vhodná zejména pro laboratorní měření a ne příliš velké objekty. Kromě uvedených metod autor používá pro výzkum různých problémů techniky prostředí také interferometrii transparentních objektů [2]. Jedná se sice o jedinou, velice citlivou, přesnou a dostupnou bezkontaktní metodou pro zviditelnění a měření teplotních polí ve vzduchu, ale lze ji použít pouze pro laboratorní výzkum a ne příliš velké objekty. Vzhledem ke skutečnosti, že v oblasti vytápění, větrání a klimatizace se vyskytují relativně velké objekty, musí se často interferometrický výzkum teplotních polí, ale někdy i výzkum pomocí metody PIV, provádět na zmenšených modelech a na výsledky měření je pak nutné aplikovat teorii podobnosti.
5
2.1
VIZUALIZACE KOUŘEM A MLHOU
Metoda vizualizace proudění vzduchu pomocí kouře či mlhy není příliš experimentálně náročná a lze ji zařadit do skupiny metod vizualizace proudění zaváděním látek tvořících souvislá vlákna či souvislé oblasti [1]. Vyžaduje použití vhodného generátoru kouře nebo mlhy a někdy i vhodné osvětlení, kterým bývá reflektor, nebo lépe světelná rovina generovaná laserem. Při lokálním zavádění kouře nebo mlhy do proudícího vzduchu vznikají kouřová vlákna, ze kterých lze usuzovat na trajektorie proudnic a místa s laminárním či turbulentním prouděním. Při zavádění kouře nebo mlhy do celého objemu proudícího vzduchu tato metoda umožňuje výzkum tvarů proudů [8]. 2m
8m
Vzduchovod
6m
Mlha
3,5 m
Vzduchovod Testovací prostor 8 x 5 x 3,5 m
Ventilátor
Okno 4x3m
Vzduchovod
Ventilátory
Héliové bublinky Vyústka
Obr. 1 Laboratoř větrání na Odboru termomechaniky a techniky prostředí EÚ FSI VUT v Brně Vizualizaci proudění kouřem a mlhou lze použít i přímo v praxi, kde nám může snadno poskytnout kvalitativní informace o proudění [9]. Chceme-li však vyhodnocovat různé kvantitativní údaje, je vhodné provádět experimenty ve speciální laboratoři, kde lze zabezpečit vhodné světelné podmínky a pozadí pro snazší automatizované vyhodnocování vizualizačních záznamů, nebo také zabezpečit proudění, které není narušené nedefinovatelnými vlivy. Na OTTP EÚ byla pod vedením autora vybudována v rámci řešení výzkumného záměru [C] a projektu [B] laboratoř větrání (obr. 1) s testovacím prostorem o rozměrech 8 × 5 × 3,5 m umožňujícím měřit i volné proudy z různých typů vyústek. Pro realizaci vizualizačních experimentů je testovací prostor vybaven oknem o rozměrech 4 × 3 m. V laboratoři je instalován počítačový měřicí systém, řada senzorů a přístrojů a také generátor mlhy (obr. 2) sloužící pro vizualizaci proudění zaváděním mlhy do vzduchovodu před vyústkou. Laboratoř je rovněž vybavena PIV systémem pracujícím se zaváděním héliových bublinek do proudu vzduchu, což bude podrobněji popsáno v kap. 2.3. Na obr. 3 je uveden příklad zviditelnění volného proudu z horizontální štěrbinové vyústky o rozměrech 50 × 1 800 mm pomocí mlhy, a to v laboratoři větrání (viz obr. 1). Proud je osvětlen
Obr. 2 Generátor mlhy
6
Obr. 3 Proudění ze štěrbinové vyústky
reflektorem generujícím světelnou stěnu o šířce okolo 0,1 m, ve směru kolmém na osu vyústky. V obraze jsou zakresleny hranice proudu definující tvar proudu, které jsou automaticky vyhodnocené pomocí vlastního software Interfer – Visual, viz kap. 3. Z tvaru proudu lze vyhodnocovat celou řadu veličin. Na pracovišti OTTP byla např. vyvinuta metoda efektivního určování konstant vyústek Ks používaných k výpočtu rozložení rychlostí v proudech, k určování geometrických parametrů proudu apod., viz lit. [8], [10], [11]. Efektivní určování konstant vyústek lze provádět z úhlu rozšíření proudu v hlavní oblasti, což je dostatečně přesné (nejistota měření bývá do 4 %) a daleko rychlejší, než převážně používané určování konstant vyústek měřením lokálních rychlostí ve volném vzduchovém proudu. Např. z vizualizace proudění mlhou ze štěrbinové vyústky bylo zjištěno, že konstanta vyústky se mění v závislosti na výtokové rychlosti vzduchu wo dle vztahu K s = 3,747 + 0,1289 wo .
(1)
Dle lit. [3] má konstanta štěrbinové vyústky hodnotu Ks = 4,53 a neuvádí se její závislost na výtokové rychlosti vzduchu. Vztah (1) byl ověřen interferometricky [10], [11], viz také kap. 2.4. Kromě uvedených veličin lze z tvaru volného proudu stanovit i délku krajní oblasti proudu, zakřivení osy neizotermních proudů, případně i dosah proudu. U dynamických záznamů je možné sledovat na okrajích volných proudů značnou labilitu a turbulenci, zřejmou také z obr. 3, což je třeba mít na zřeteli např. při měření lokálních rychlostí proudění pomocí anemometrů, při vyhodnocování časově středních rychlostí a při určování nejistot takových měření. Na obr. 4 jsou uvedeny příklady proudění nad elektrickými konvektory. Konvektor na obr. 4a je vybaven ventilátorem a konvektor na obr. 4b je bez ventilátoru. Tyto experimenty byly prováděny v rámci výzkumů teplotních polí v místnostech při různých podmínkách vytápění [12] [13], [14], kde bylo třeba proměřit vlastnosti používaných otopných těles. Z vizualizačních záznamů byly získávány především kvalitativní informace umožňující navrhnout oblast pro měření rozložení teplot a rychlostí proudění v okolí otopných těles pomocí senzorů, přičemž obraz zviditelněného proudění bylo možné následně porovnat s výsledky numerického modelování.
a) Konvektor s ventilátorem b) Konvektor bez ventilátoru Obr. 4 Vizualizace proudění pomocí mlhy nad konvektory Na obr. 5 jsou příklady vizualizačních záznamů proudění v okolí sacích nástavců pro lokální odsávání plynných škodlivin. Použití sacích nástavců umožňuje odsávat škodliviny přímo v místě jejich vzniku, což vede k výrazným úsporám energie při větrání. Z tohoto důvodu je na OTTP věnována velká pozornost vývoji sacích nástavců [E]. Obr. 5a představuje odsávání škodlivin modelovaných mlhou, a to běžně používaným štěrbinový sacím nástavcem s přírubou, a obr. 5b představuje odsávání škodlivin nově vyvinutým zesíleným štěrbinový sacím nástavcem [15]. V obrázcích je horizontálními šipkami naznačeno odsávání a vertikálními šipkami (obr. 5b) přívod vzduchu štěrbinami v přírubě, který způsobuje zesílení odsávacích schopností nástavce. Kromě kvalitativních informací o zachycení škodlivin nástavci byly vizualizační záznamy využity také k nasta-
7
vení vhodných pracovních parametrů nástavců a k volbě sítě bodů pro generování stopového plynu před nástavcem, při zkoumání účinnosti zachycení škodlivin metodou stopového plynu [15], [16], [17], [18]. Výsledkem uvedených výzkumů jsou dva funkční vzorky zesílených sacích nástavců.
a) Běžně používaný štěrbinový sací nástavec b) Zesílený štěrbinový sací nástavec Obr. 5 Vizualizace odsávání plynných škodlivin štěrbinovými sacími nástavci Zviditelnění proudění mlhou může rovněž přispět k řešení problémů tepelné pohody či tepelné zátěže přímo v provozních podmínkách. Např. ve sklářských provozech v okolí výrobních linek bývá značná tepelná zátěž pracovníků, kterou můžeme snížit vhodně situovanou vzduchovou sprchou [19]. Taková sprcha by však zároveň neměla ovlivňovat kvalitu výroby, což lze ověřit právě pomocí vizualizace proudění. Na obr. 6 jsou uvedeny dva příklady vizualizace proudění pomocí mlhy v okolí výrobní linky na výrobu obalového skla, a to při použití horní a spodní vzduchové sprchy [9], [20]. Z obrázků je zřejmé, že obě vzduchové sprchy prakticky neovlivňují kvalitu výroby, jelikož mlha se nešíří do prostoru s výrobky. Měřením tepelné zátěže se pak ukázalo, že vhodnější je horní vzduchová sprcha, která vytváří na pracovišti příznivější tepelné podmínky. Na základě uvedených experimentů bylo vyprojektováno a postaveno vzduchotechnické zařízení pro snížení tepelné zátěže pracovníků u sklářské linky.
a) Spodní vzduchová sprcha b) Horní vzduchová sprcha Obr. 6 Zviditelnění proudění u sklářské linky na výrobu obalového skla 2.2
TERMOVIZNÍ MĚŘENÍ
Termovizní měření umožňují na principu registrace infračerveného záření bezkontaktně zviditelňovat především povrchové teploty těles [6]. V technice prostředí se taková měření používají často při zkoumání tepelných ztrát budov (obr. 7). Na OTTP EÚ jsou autorem prováděna termo-
8
vizní měření v oblasti zlepšení vnitřního tepelného stavu prostředí a ve výzkumu zařízení pro vytápění, větrání a klimatizaci. Získané termogramy se obvykle vyhodnocují pomocí komerčního software, který je přímo zabudován v termovizní kameře, nebo pomocí komerčního software pro následné zpracování měření na počítači.
Obr. 7 Termogram areálu FSI VUT v Brně
Obr. 8 Měření emisivity interiérových povrchů
Rozsáhlé výzkumy probíhají v rámci projektu Trvalá prosperita [H]. Jedná se o měření tepelné radiace v interiérech s cílem najít vhodné povrchy pro zajištění tepelné pohody prostředí s minimální spotřebou energie. Na obr. 8 je uveden příklad termovizního měření směrové emisivity vzorků interiérových povrchů, která je důležitou veličinou při posuzování vhodného uspořádání povrchů v daném prostředí s radiačními zdroji.
a) Fotografie termovizního měření komory b) Termogram izolačního pláště komory Obr. 9 Termovizní měření klimatizačních, sušicích a sterilizačních komor Na obr. 9 jsou uvedeny typické snímky získané při termovizních měřeních prováděných v rámci projektu Tandem [F]. Cílem projektu bylo vyvinout komory s homogenním rozložením vnitřních teplot, což bylo řešeno jednak numerickým modelováním a autorem také experimentálně pomocí termovize a sítě termočlánků. Termovizní měření sloužila především k hodnocení rozložení povrchových teplot a tepelných ztrát komor. Výsledkem těchto výzkumů bylo vytvoření několika prototypů tepelných komor. V rámci výzkumů teplotních polí v místnostech při různých způsobech vytápění [12], [14], [G] byla na pracovišti OTTP EÚ prováděna termovizní měření otopných těles. Z termogramů (obr. 10a) byly vyhodnocovány povrchové teploty těles, které sloužily pro definování okrajových podmínek v numerických modelech teplotních polí ve vytápěných místnostech a pro definování podmínek při měření teplotních polí v místnostech pomocí sítě termočlánků. V rámci uvedených výzkumů bylo prováděno i zviditelňování teplot ve vzduchu pomocí termovize. Teploty byly zvidi-
9
telněny na papíře nebo papírových terčích vložených do neizotermního prostředí, viz obr. 10b. Tato metoda se jeví jako perspektivní a bude na pracovišti dále rozvíjena.
a) Termogram článkových otopných těles b) Termogram chladného proudu vzduchu Obr. 10 Termovizní měření při výzkumu teplotních polí v místnostech S vývojem termovizních kamer, které umožňují lokalizovat vlhké povrchy představující riziko vzniku plísní či koroze, rozvíjí autor na pracovišti i další výzkumné aktivity. Na obr. 11a je uveden termogram tepelně izolované sdružené kondenzační jednotky chladicího zařízení, kde lze identifikovat vlhkost v místech špatné izolace, a na obr. 11b je termogram suterénní místnosti, kde se vlhkost vyskytuje v rozích pod stropem. V současných výzkumech se však nejedná pouze o identifikaci vlhkosti v místech s teplotou nižší než je teplota rosného bodu, ale pozornost je věnována obecně interakci pevných, savých či hygroskopických povrchů s vlhkostí okolního vzduchu. 33.9 °C
29.9 °C
25.9 °C
21.9 °C
Vlhkostní sonda
17.8 °C
a) Kondenzační jednotka chladicího zařízení b) Měření vlhkosti povrchů v interiérech Obr. 11 Termovizní měření povrchové vlhkosti Rozsáhlá termovizní měření probíhají na OTTP EÚ při vývoji tepelného manekýna [G], [J], viz obr. 12. Jedná se o figurínu osázenou vlastními vyvíjenými senzory typu umělá kůže (funkčními vzorky), které slouží pro hodnocení tepelné pohody či nepohody, a to především v tepelně nehomogenním prostředí. Vyvíjené senzory generují tepelný tok odpovídající metabolickému tepelnému toku a v konkrétním prostředí měří ustálenou teplotu povrchu, ze které se pak hodnotí tepelný stav prostředí. Pro nastavení požadovaných parametrů tepelných toků na povrchu lidského těla jsou prováděná termovizní měření teplot ve zvolených povrchových segmentech, a to u různých osob, při různé činnosti a při různých tepelných stavech okolního prostředí [21], [22]. Z povrchových teplot jsou určovány tepelné toky konvekcí a radiací důležité pro nastavování senzorů na povrchu tepelného manekýna. Vyvíjené senzory bude možné použít také pro regulaci tepelného stavu prostředí.
10
a) Definované zatěžování osob b) Měření teplot povrchů Obr. 12 Vývoj tepelného manekýna 2.3
c) Tepelný manekýn
PIV METODA
PIV metoda umožňuje efektivně i v reálném čase vyhodnocovat přímo vektorové mapy proudění tekutin [7]. Tato metoda vznikla doplněním vizualizačního zařízení se zaváděním částic do tekutin osvětlených světelnou rovinou o speciální kameru zaznamenávající dvojice snímků a o počítačové zpracování takto získaných záznamů. Schéma uspořádání PIV systému na OTTP EÚ použitého v daném případě pro měření proudu z vyústky je uvedeno na obr. 13. Světelná rovina je zde generována dvěma pulsními lasery umožňujícími měření dynamických procesů s frekvencí až 15 Hz (15 dvojitých pulsů laserů za sekundu). Tloušťka světelné roviny se pohybuje v závislosti na vzdálenosti od laseru od 1 do 5 mm. Lasery
Válcová čočka
Vyústka Měřená plocha
Kamera Zdroje laserů
Synchronizátor
Obr. 13 Schéma uspořádání PIV systému na OTTP EÚ FSI VUT v Brně
a) Generátor héliových bublinek b) Héliové bublinky v proudu vzduchu Obr. 14 Generování héliových bublinek do proudu vzduchu
11
Při výzkumu proudění vzduchu o relativně malých rychlostech vyskytujících se ve vytápěných, větraných a klimatizovaných prostorách lze pro rovinné proměřované oblasti do velikosti 0,2 × 0,2 m použít generátor mlhy (obr. 2), pro větší oblasti se s výhodou používá generátor héliových bublinek o průměru 0,75 až 5 mm (obr. 14a) nebo kombinace mlhy s bublinkami. Je třeba poznamenat, že osvětlením héliových bublinek světelnou rovinou generovanou jedním pulsem laseru přísluší každé bublince dva světelné body. Osvětlíme-li navíc prostor zářivkou a provedeme-li záznam fotoaparátem s delší expozicí, získáme světelné čáry představující trajektorie světelných bodů, viz obr. 14b. Princip PIV metody spočívá v záznamu videosekvencí částic ve světelné rovině, a to pomocí dvojitých snímků synchronizovaných s pulsy laserů vytvářejících tuto světelnou rovinu. Časový interval ∆τ mezi dvěma pulsy je známý a obvykle nastavitelný. Při počítačovém vyhodnocování je obraz kamery rozdělen na obrazové elementy i, j o volitelném počtu obrazových bodů. Komerční software dodávaný ke kameře vyhodnocuje automaticky složky rychlosti wx, wy v těchto elementech, a to ze známého časového intervalu ∆τ mezi sousedními dvěma záběry a z nejčastějšího posunutí částic ∆x, ∆y ve zvoleném obrazovém elementu i, j. Vektory rychlostí proudění lze pak vykreslovat i v reálném čase, čímž získáme dynamickou vektorovou mapu rozložení rychlostí proudění tekutiny. PIV metoda se na OTTP EÚ používala především v laboratoři větrání, viz schéma na obr. 1 a fotografie na obr. 15, a to pro výzkum volných proudů z vyústek. Tento výzkum byl prováděn autorem a jeho spolupracovníky v rámci výzkumného záměru MŠMT [C] a projektů COST [B] a GAČR [G]. Na obr. 16 je uveden příklad zobrazení rozložení rychlostí ve volném vzduchovém proudu ze štěrbinové vyústky o rozměrech 50 × 1 800 mm. Do vzduchu proudícího z vyústky, ale také do sledovaného prostoru zde byla zaváděná mlha. V uvedených měřeních bylo vyhodnocováno jednak rychlostní pole ve volném proudu, ale také rozložení turbulencí, což slouží k validaci numerických modelů podobných případů proudění a přispěje k vývoji numerických modelů turbulence. Detailní informace o proudění mohou sloužit i k výzkumu vírů, k určování hranic proudů, k výzkumu strhávání vzduchu z okolí do proudu, ke studiu chování proudu v úseku přechodu z krajní do hlavní oblasti apod. Nyní je PIV metoda používána také pro řešení dalších problémů z oblasti vytápění, větrání a klimatizace např. v rámci projektu GAČR [J].
Obr. 15 PIV metoda v laboratoři větrání
Obr. 16 Vektorová mapa rychlostí proudění
PIV metoda poskytuje podrobné informace o proudění a spolu s dodávaným software je velmi efektivním nástrojem výzkumu. Jedná se ale zároveň o relativně drahé zařízení, a proto se využívá i pro ověřování a validaci jiných, finančně méně náročných měřicích metod. Takovým způsobem byla ověřována např. v praxi použitelná efektivní metoda určování konstant vyústek z úhlu rozšíření proudu v hlavní oblasti určeného vizualizací proudění pomocí mlhy. V rámci projektu GAČR [J] je vyvíjena i méně nákladná PIV metoda s běžnou videokamerou, jednoduchým osvětlením a jednoduchým software.
12
2.4
INTERFEROMETRIE
Mezi optické vizualizační metody pro výzkum transparentních objektů patří stínové metody, clonkové metody a především interferometrie [2], [5], [23]. Tyto metody jsou bezkontaktní, jelikož reagují přímo na změnu indexu lomu objektu. Interferometrie transparentních objektů vyžaduje prostředí bez otřesů, prachu a bez změn teplot okolního prostředí, a proto se používá převážně v laboratořích. Oproti stínové a clonkové metodě je však interferometrie daleko citlivější a poskytuje detailnější informace o sledovaných objektech. Optické metody umožňují sice měření malých objektů, ale vzhledem k tomu, že jsou bezkontaktní, existují snahy o jejich další rozvoj, a to i na měření velkých objektů [24], [25]. Princip interferometrie transparentních objektů je zřejmý z obr. 17. Spočívá ve skládání dvou koherentních světelných svazků, z nichž jeden je předmětový a druhý referenční. Předmětový svazek s rovinnou vlnoplochou prochází nehomogenním měřeným objektem s indexem lomu n(x,y,z), čímž se vlnoplocha deformuje. Referenční svazek s rovinnou vlnoplochou prochází homogenním prostředím. Spojením obou svazků v interferometru vzniká v důsledku změny optické dráhy ∆o(x, y) interference, kterou lze pozorovat na matnici, ve fotoaparátu, v kameře apod. Získané interferogramy poskytují informace o tvarech nehomogenit (průmětech do roviny x-y) [26] nebo při konstantním indexu lomu v objektech také o tloušťkách objektů L(x, y). U dvojrozměrných a rotačně symetrických objektů lze vyhodnotit rozložení indexu lomu např. dle lit. [2], [27], [28], [29], [30]. K výzkumu indexu lomu v trojrozměrných objektech se pak používají interferometry pro holografickou tomografii [2]. Z rozložení indexu lomu je možné usuzovat na rozložení řady dalších fyzikálních veličin. Z indexu lomu lze např. u ideálních plynů vyjádřit hustotu a za konstantního tlaku i teplotu plynu [23]. Dále můžeme z interferogramů vyhodnocovat rozložení koncentrací ve směsi plynů [2], rozložení entalpií v prostoru [23], [31], [32], rozložení rychlostí proudění plynů [31], [32], [33] apod. Ze znalosti rozložení fyzikálních veličin okolo povrchů lze vyhodnocovat také přenosové jevy mezi povrchem a tekutinou, ke kterým patří přestup tepla, přenos látky a přenos hybnosti. Interferometrický výzkum transparentních objektů má na OTTP EÚ dlouholetou tradici. Autor zde vybudoval optickou laboratoř s unikátním Machovým-Zehnderovým interferometrem s laserovým zdrojem a průměrem zorného pole 200 mm (obr. 18) a s řadou vlastních optických sestav pro výzkum teplotních polí a proudění v tekutinách. Značná pozornost byla na pracovišti věnována výzkumu přestupu tepla, viz publikace [2], [27], [28], [29], [34], [35] a další. Zavedením studijního oboru Technika prostředí zaměřeného na vytápění, větrání a klimatizaci byl také interferometrický výzkum orientován do dalších oblastí [2], [11], [36], [37]. Jistým problémem pro aplikaci interferometrie při výzkumech problematiky Techniky prostředí jsou relativně velké sledované objekty, a proto se takový výzkum provádí na zmenšených modelech a na výsledky se aplikuje teorie podobnosti. Interferometrie však poskytuje více informací o neizotermních transparentních objektech než např. metoda vizualizace proudění mlhou a jiné informace než metoda PIV.
L
y z
Obr. 17 Interferometrie transparentních objektů
Obr. 18 Machův-Zehnderův interferometr
13
b) b = 8 mm, tw = 51,1 °C c) b = 16 mm, tw = 52,0 °C a) b = 4 mm, tw = 51,2 °C Obr. 19 Teplotní pole ve vstupních úsecích mezi deskami otopných těles
a) b = 64 mm, tw = 75,0 °C b) b = 32 mm, tw = 78,5 °C c) b = 16 mm, tw = 75,0 °C Obr. 20 Teplotní pole mezi symetricky vyhřívanými vertikálními deskami otopných těles Na obr. 19 a obr. 20 jsou typické interferogramy z rozsáhlého výzkumu přestupu tepla z deskových otopných těles [13], [34]. Interferogramy na obr. 19 byly získány při seřízení interferometru na nekonečnou šířku proužku v referenční oblasti a přestup tepla byl vyhodnocován z teplotních gradientů u povrchů. Interferogramy na obr. 20 byly získány při seřízení interferometru na konečnou šířku proužku v referenční oblasti a přestup tepla byl vyhodnocován z tlouštěk tepelných mezních vrstev. Výzkum byl prováděn při různých teplotách povrchů desek tw, při různých vzdálenostech desek b a teplota okolního vzduchu t∞ se pohybovala od 17 do 22 °C. Kromě přestupu tepla přirozenou konvekcí mezi deskami se symetrickým ohřevem byl prováděn i výzkum přestupu tepla mezi deskami s nesymetrickým ohřevem a výzkum přestup tepla z vertikální desky, modelující čelo otopného tělesa. Výsledkem interferometrických měření mezi deskami otopných těles je závislost Nusseltova čísla Nu na Rayleighově čísle Ra násobeném poměrem b/h, viz obr. 21. Nusseltovo číslo je definované vztahem Nu = α b/λ a Rayleighovo číslo vztahem Ra = Pr g β (tw – t∞) b3/ν2. V uvedených vztazích značí α součinitel přestupu tepla, λ součinitel tepelné vodivosti, Pr Prandtlovo číslo, g tíhové zrychlení, β součinitel objemové roztažnosti, ν kinematickou viskozitu a h výšku desek. Zpracováním měření bylo zjištěno, že existuje optimální uspořádání desek, pro které platí Obr. 21 Střední hodnoty Nusseltových čísel Ra ⋅ b / h = 1104 . (2) mezi deskami otopných těles
14
V rámci řešení projektů GAČR [A] a COST [B] bylo zkoumáno proudění ze štěrbinových, obdélníkových a kruhových vyústek do volného prostoru, do obestavěného prostoru a do prostoru s překážkami [24], [26], [37]. Výsledky byly publikovány i prostřednictvím projektu Inventnet. Při těchto výzkumech byly sledovány mírně neizotermní proudy, tj. proudy s Aro ≤ 0,001 a značně neizotermní proudy s Aro > 0,01. Aro zde představuje Archimédovo číslo definované vztahem Aro = g Lo⏐to – t∞⏐wo2 / (t∞ + 273,15). V této definici je g tíhové zrychlení, Lo charakteristický rozměr vyústky (průměr D0 u kruhové vyústky, ekvivalentní průměr De u obdélníkové vyústky a šířka štěrbiny H0 u štěrbinové vyústky), wo rychlost proudu z vyústky, to teplota vzduchu ve vyústi a t∞ teplota okolního vzduchu. Cílem výzkumu bylo upřesnit vztahy pro výpočet některých parametrů proudů, jelikož rovnice uváděné v různé literatuře poskytují někdy značně rozdílné výsledky. Na obr. 22 jsou uvedeny příklady interferogramů z výzkumů volných neizotermních proudů. Z interferogramů značně neizotermních proudů, viz např. obr. 22a, byly vyhodnoceny rovnice trajektorie osy neizotermních proudů: 2, 2
Pro kruhové vyústky
⎛ x y 1 ⋅ = 0,37 ⎜⎜ D0 Ar0 ⎝ D0
⎞ ⎟⎟ ⎠
Pro štěrbinové vyústky
⎛ x 1 y ⋅ = 0,17 ⎜⎜ H 0 Ar0 ⎝ H0
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
a) Štěrbinová vyústka s poměrem stran 37:1 wo =1,7 m.s–1, to = 50 °C, t∞ = 23 °C
.
(3)
.
(4)
2,5
b) Štěrbinová vyústka s poměrem stran 37:1 wo =7,5 m.s–1, to = 26 °C, t∞ = 18 °C
y
xk
x
c) Štěrbinová vyústka s poměrem stran 37:1 wo = 2,4 m.s–1, to = 52 °C, t∞ = 23 °C
d) Kruhová vyústka o průměru 30 mm wo= 7,7 m.s–1, to= 55,0 °C, t∞ = 22,0 °C
Obr. 22 Interferogramy neizotermních vzduchových proudů z vyústek do volného prostoru
15
Z úhlu rozšíření mírně neizotermního proudu v hlavní oblasti 2ϑt (obr. 22b) byla určována konstanta vyústky [10]. Pro štěrbinovou vyústku byl získán vztah K s = 3,949 + 9,979 ⋅ 10 − 2 wo − 3,454
to − t∞ . t ∞ + 273,15
(5)
Vztah (5) lze použít také pro izotermní proudy (vynecháním posledního členu) a pak se pro rychlosti proudění z vyústky wo = 2 až 10 m.s–1 poměrně dobře shoduje se vztahem (1) získaným metodou vizualizace proudu pomocí mlhy. Na obr. 22c je uveden interferogram s výrazně delší krajní oblastí xk, což lze dosáhnout vhodnou kombinací rychlosti a teploty vzduchu v ústí vyústky ve tvaru dýzy. Zároveň zde můžeme pozorovat větší turbulenci v místě mezi krajní a hlavní oblastí proudu. Další výsledky interferometrického výzkumu konstant vyústek jsou uvedené např. v lit. [11]. Detailním vyhodnocením interferogramů volných mírně neizotermních proudů (obr. 22d) pomocí vlastního software Entalpie bylo možné vypočítat i řadu dalších užitečných parametrů proudu. Z teoretického rozboru proudu v prostoru s konstantním statickým tlakem můžeme tvrdit, že tepelný příkon vyústky Qo je roven tepelnému toku v následných příčných řezech proudu [2], [31], [32] a platí Qo = w( x) ⋅ A( x) ⋅ ρ ( x) ⋅ c p [t ( x) − t ∞ ] = w( x) ⋅ A( x) ⋅ ∆iV ( x) = w( x) ⋅ ∆i x ( x) ,
(6)
kde w(x) je střední rychlost proudu ve vzdálenosti x od vyústky, A(x) je průřez proudu ve vzdálenosti x, ρ(x) je střední hustota proudu ve vzdálenosti x, cp je měrná tepelná kapacita vzduchu, t(x) je střední teplota proudu v místě x, ∆iV(x) je střední hodnota změny objemové hustoty entalpie v místě x a ∆ix(x) je změna délkové hustoty entalpie. Změnu délkové hustoty entalpie lze určit z interferogramu, jelikož je úměrná integrálu změny interferenčního řádu v příčném řezu proudu. Ze známého tepelného příkonu vyústky a ze změny délkové hustoty entalpie můžeme určit střední rychlosti proudu w(x) v jednotlivých průřezech. Známe-li navíc průřez proudu A(x) určený např. u kruhového proudu z jeho hranic definujících průměr proudu D(x), lze z interferogramů dále vyjádřit střední změnu objemové hustoty entalpie ∆iV(x), objemový tok V(x)= w(x).A(x), který s rostoucí vzdáleností od vyústky postupně roste, a také střední teplotu t(x) proudu. Výsledky těchto měření lze nalézt v lit. [2], [31], [32]. Detailnější vyhodnocování teplot v proudech kruhového průřezu bylo prováděno dle vztahů z lit. [30].
a) Osa vyústky je paralelní se stropem b) Osa vyústky směřuje kolmo proti stěně –1 wo = 21,5 m.s , to = 49 °C, t∞ = 15 °C wo =21,6 m.s–1, to =43 °C, t∞ = 15 °C Obr. 23 Interferogramy mírně neizotermních vzduchových proudů do obestavěného prostoru Příklady interferogramů mírně neizotermních proudů z kruhové vyústky o průměru 30 mm do obestavěného prostoru jsou uvedeny na obr. 23. Z těchto interferogramů byly vyhodnocovány pře-
16
devším tvary proudů. Na obr. 23a je interferogram proudu vzduchu z vyústky umístěné pod stropem, kdy osa proudu je do určité vzdálenosti od vyústky paralelní se stropem, a na obr. 23b je interferogram proudu vzduchu z vyústky umístěné kolmo proti stěně. Typické interferogramy mírně neizotermních proudů z kruhové vyústky o průměru 30 mm do prostoru s překážkami jsou uvedeny na obr. 24. Směřuje-li osa vyústky do překážky (obr. 24a), šíří se po separaci proudu na náběžné hraně část proudu podél přední stěny překážky směrem dolů a druhá část proudu od náběžné hrany šikmo vzhůru. Směřuje-li osa vyústky nad překážku (obr. 24b), šíří se po separaci proudu na náběžné hraně část proudu podél přední stěny překážky směrem dolů a druhá část proudu nejdříve podél horní stěny překážky a za odtokovou hranou se proud dále rozšiřuje. Souhrnné výsledky interferometrického výzkumu různých parametrů vyústek a vzduchových proudů jsou v lit. [24], [37].
a) Osa vyústky směřuje do překážky b) Osa vyústky směřuje nad překážku –1 wo = 17,7 m.s , to = 51 °C, ti = 15 °C wo =13,1 m.s–1, to =48 °C, ti = 15 °C Obr. 24 Interferogramy mírně neizotermních vzduchových proudů do prostoru s překážkami Na OTTP byl v rámci projektů GAČR [A] a COST [B] prováděn výzkum teplotních polí v různě vytápěných volných místnostech a místnostech s přepážkami, a to při zátopu i v ustáleném stavu [13], [14]. Znalost teplotních polí je nezbytná pro vyhodnocení tepelného komfortu v místech pobytu osob nebo rozložení teplot v místech technologických procesů. Výzkum byl prováděn pomocí fyzikálního modelování na zmenšeném modelu místnosti s využitím interferometrie, pomocí numerického modelování a též proměřováním reálných místností pomocí termočlánků. Z výsledků vyplynulo, že interferometrický výzkum dvojrozměrných teplotních polí v modelu místnosti o výšce H = 83 mm, délce L = 180 mm a hloubce 46 mm naplněné vodou lze použít pro modelování rozložení teplot v menších vytápěných místnostech, v kabinách automobilů a v různých klimatizovaných boxech. Pro modelování rozložení teplot ve větších prostorách je třeba použít jiné tekutiny. Typické interferogramy teplotních polí v modelech různě vytápěných místností jsou na obr. 25. Na obr. 25a je teplotní pole při zátopu deskovým otopným tělesem (vlevo dole), kde interferenční proužky představují izotermy teplotního pole. Teplý proud tekutiny zde stoupá nad otopným tělesem podél stěny vzhůru a šíří se pod stropem místnosti. Po dosažení protilehlé stěny se proud obrátí směrem dolů a postupně dochází k prohřívání celého prostoru. Podobné teplotní pole dostaneme také při stěnovém vytápění, viz obr. 25b. Při vytápění stropem (obr. 25c) se nejteplejší tekutina udržuje prakticky stále nahoře a prohřívání prostoru u podlahy se děje převážně jen vedením. Na obr. 25d je pak uveden interferogram kvazistacionárního teplotního pole při podlahovém vytápění, kdy tekutina se neustále promíchává teplými stoupajícími proudy vznikajícími na celé podlahové ploše, čímž dochází velice rychle k rovnoměrnějšímu prohřívání celého prostoru. Na obr. 26 jsou uvedené ukázky interferogramů teplotních polí v modelu místnosti s přepážkami. Obr. 26a představuje teplotní pole v modelu místnosti s přepážkou umístěnou uprostřed místnosti nahoře. Zde se jedná o zátop stěnou situovanou vlevo, přičemž protilehlá stěna je ochlazová-
17
a) Zátop při vytápění otopným tělesem
b) Zátop při vytápění stěnou
c) Zátop při vytápění stropem d) Kvazistacionární stav při podlahovém vytápění Obr. 25 Interferogramy teplotních polí v různě vytápěných místnostech na. Přepážka umístěna nahoře brání šíření teplejší tekutiny do pravé části prostoru, naproti tomu chladnější tekutina od pravé stěny snadno proniká do levé části prostoru. Na obr. 26b je interferogram teplotního pole v modelu místnosti s přepážkou umístěnou dole. Jedná se rovněž o zátop stěnou situovanou vlevo, přičemž protilehlá stěna je ochlazována. Přepážka umístěná uprostřed místnosti dole brání šíření chladnější tekutiny do levé části prostoru, ale teplejší tekutina od levé stěny snadno proniká do pravé části prostoru.
a) Přepážka umístěná nahoře b) Přepážka umístěná dole Obr. 26 Interferogramy teplotních polí při zátopu místností s přepážkami Pro porovnání obrazů interferogramů se skutečným rozložením teplot v místnostech při zátopu byla zobrazována také teplotní pole v testovací místnosti o rozměrech 3 × 2,3 × 1,3 m naměřená pomocí sítě 61 termočlánků napojených na počítač (obr. 27). Taková měření lze také zařadit mezi vizualizační měřicí metody, ale vizualizace zde byla provedena až následně po provedení experimentů. Na pracovišti je v současné době snahou zdokonalit tato počítačová měření o zobrazování teplotních polí v reálném čase, jako je tomu u termovizních měření.
18
a) Vytápění konvektorem s přirozenou konvekcí b) Vytápění otopným tělesem Obr. 27 Obrazy teplotních polí při zátopu v místnosti získané měřením pomocí sítě termočlánků Porovnání bezrozměrných vertikálních teplotních profilů uprostřed vytápěných místností v ustáleném stavu získaných různými metodami a při různých způsobech vytápění je na obr. 28. Bezrozměrná výška je dána vztahem Y = y/H a bezrozměrná teplota vztahem θ = (t – to)/(tm – to), kde t0 je teplota v prostoru na počátku zátopu, tm je střední teplota v prostoru na konci zátopu. Obr. 28a představuje teplotní profily, které byly získané různými způsoby modelování (numerickým a interferometrickým) a také měřením teplot pomocí termočlánků v reálné místnosti vytápěné konvektorem s přirozenou konvekcí nebo článkovým otopným tělesem – radiátorem. Na obr. 28b jsou uvedené teplotní profily získané interferometricky, a to při různých způsobech vytápění. Kromě teplotních profilů ve volné místnosti jsou v tomto obrázku také teplotní profily v místnostech s přepážkou situovanou buď nahoře, nebo dole.
a) Porovnání metod výzkumů teplotních polí b) Porovnání různých způsobů vytápění Obr. 28 Bezrozměrné vertikální teplotní profily uprostřed vytápěných místností v ustáleném stavu
3 VYHODNOCOVÁNÍ VIZUALIZAČNÍCH ZÁZNAMŮ Vizualizační záznamy poskytují názorné informace o stavu objektu nebo i vývoji nestacionárních dějů, ale jejich efektivní využívání ve výzkumu a praxi vyžaduje rychlé, přesné a spolehlivé vyhodnocování získaných záznamů. Záznamy z termovizních měření a z měření pomocí PIV metody lze poměrně snadno vyhodnocovat komerčním software dodávaným spolu s tímto zařízením. Záznamy z vizualizace proudění tekutin zaváděním různých látek a záznamy z interferometrických měření mohou poskytovat daleko různorodější výsledky, a proto počítačové vyhodnocování takových záznamů vyžaduje speciální a často složité algoritmy, přičemž zájemců o software v dané oblasti bývá obvykle málo. Z těchto důvodů není software pro obecné vyhodnocování takových záznamů komerčně zajímavý a tudíž běžně dostupný. Na OTTP je problém vyhodnocování záznamů z vizualizace proudění kouřem či mlhou a problém vyhodnocování interferogramů [2] řešen autorem řadu let. Nejdříve byly vyvinuty rutiny pro vyhodnocování digitalizovaných řezů interferogramů na počítači HP 9830A [38] a různé algoritmy
19
pro zpracování konkrétních typů interferogramů [30], [33]. Po zavedení počítačů řady PC byl vyvíjen software Interfer pro zpracování celých digitalizovaných obrazů interferogramů [39], s funkcemi pro vyhodnocování rozložení proužků v libovolných řezech interferogramů (na lomených čarách), s funkcemi pro zjišťování průběhů proužků v obraze, s funkcemi pro úpravu geometrie a kvality obrazů apod. Vyhodnocená data bylo možné také editovat a transformovat do jiného software pro možnost dalšího zpracování či prezentace dle požadavků uživatele. Po zavedení studijního oboru Technika prostředí byl software dále zdokonalen o funkce pro vyhodnocování záznamů získaných z vizualizace proudění mlhou a kouřem, včetně funkcí pro vyhodnocování videosekvencí. Tento software je pak označován jako Interfer – Visual, viz obr. 29 a lit. [4], [14].
a) Vyhodnocování interferogramů b) Vyhodnoccování vizualizace proudění mlhou Obr. 29 Příklady vyhodnocování vizualizačních záznamů pomocí software Interfer – Visual Software Interfer – Visual pracuje pod operačním systémem Windows a je naprogramován v prostředí Delphi. Hlavní menu software obsahuje nabídky s funkcemi, viz tab. 1. Jelikož před vlastním vyhodnocovacím procesem je třeba obrazy či videosekvence obvykle upravit, jsou v software různé funkce pro úpravy geometrie a kvality obrazů (otáčení obrazu, oříznutí a změna měřítka, kontrast a jas, různé druhy filtrů, histogram, ekvalizace, negativ, stupně šedi, složení obrazů, prahování, interferogram, retušování, razítkování, vyplnění homogenní či vymezené oblasti barvou, záměna barev apod.). Užitečná je např. funkce Gaussovský kontrast a jas, která dokáže upravit nerovnoměrné osvětlení obrazů, nebo funkce relativní retušování, která umožní upravit intenzitu obrazových bodů v blízkosti kurzoru do průměrné hodnoty intenzity v okolí. Tab. 1 Funkce v nabídkách hlavního menu software Interfer – Visual NABÍDKA Soubor Obraz
Funkce v dané nabídce Funkce pro práci se soubory Funkce pro úpravy geometrie a kvality obrazů Funkce pro definování, vypíOblasti nání a zapínání oblastí pro vyhodnocování Vyhodnocení Funkce pro vyhodnocování záznamů a editaci dat Funkce pro nastavení parametNastavení rů software
20
NABÍDKA Editace Kreslení
Funkce v dané nabídce Funkce základních editací, Zoom Funkce pro kreslení a psaní textů
Parametry
Funkce pro zadávání parametrů k záznamu, které lze přenášet do jiných obrazů a software Funkce pro zviditelnění či vypuštění objektů v záznamech Návod k obsluze software a popis uživatelských datových souborů
Zobrazení Nápověda
Nejdůležitější jsou v software funkce pro vyhodnocování vizualizačních záznamů. Pro automatické vyhodnocování interferogramů je určena především funkce umožňující vyhodnocování rozložení proužků v řezu definovaném lomenou čarou. Byla vyzkoušena metoda výběru extrémních hodnot, metody prokládání polynomů vyšších stupňů a spliny, což se však neosvědčilo. Současný software určuje středy proužků proložením polynomu druhého nebo třetího stupně v okolí extrému intenzity I [38], [39], viz obr. 30a. Do okolí extrému ∆x se přiřadí hodnoty intenzity, které leží ve stejné polorovině (vymezené střední hladinou P) jako hledaný extrém. Navíc se okolí rozšíří na každé straně o jisté pásmo necitlivosti a, které působí i jako frekvenční filtr odstraňující zrnitost.
Bi+1 ai+1 bi+1 ai Ai+1 Bi Ai
bi M
a) Vyhodnocování rozložení proužků v řezu b) Vyhodnocování průběhu proužku v obraze Obr. 30 Princip práce funkcí pro automatické vyhodnocování interferogramů Další funkcí pro automatické vyhodnocování interferogramů je funkce umožňující vyhodnocování průběhu proužku v obraze, na který se ukáže kurzorem myši. Při řešení tohoto problému byly vyzkoušeny dvě známé, ale modifikované funkce (ztenčování proužku a určování hranic s následným určením středu proužku) a dvě funkce vyvinuté na pracovišti. Jedna z nově vyvinutých funkcí pracuje na principu genetických algoritmů a druhá funkce, vyvinutá autorem, je označována jako geometrická metoda. Nejlepší výsledky byly dosaženy aplikací vlastní funkce geometrická metoda [2], [37], která je principiálně znázorněna na obr. 30b. Výsledkem funkcí pro automatické vyhodnocování interferogramů jsou lomené čáry (obr. 29), jejichž uzlové body představují rozložení středů proužků v řezu, nebo body na trajektorii proužku. Interferenční řád či pořadí proužků od referenčního místa lze určit v prvém případě z pořadí uzlového bodu, ve druhém případě z pořadí při postupném zadávání průběhů proužků. Software provádí také automatické vyhodnocování průběhů proužků v celém obraze najednou, což je však časově náročnější, jelikož takto vyhodnocená data vyžadují časově náročnější editaci. Pro vyhodnocování záznamů získaných pomocí mlhy či kouře je v software Interfer – Visual rovněž několik funkcí a procedur (posloupností funkcí). Pokud chceme vyhodnocovat trajektorie kouřových vláken, lze použít funkce pro vyhodnocování interferogramů; pokud chceme určit hranice proudů, volíme některou z následujících funkcí. Vhodnou funkci volíme dle kvality záznamu. Je-li k dispozici záznam s výraznými hranicemi mlhy či kouře a pozadí je homogenní, můžeme zvolit velice jednoduché prahování obrazu a následné vyhodnocení lomené čáry představující hranice mlhy. Takový záznam lze získat např. v laboratorních podmínkách při použití husté mlhy, která však může ovlivnit zkoumané proudění. Je-li k dispozici záznam s méně výraznými hranicemi mlhy či kouře s homogenním pozadím, lze zvolit funkci pro vyhodnocování hranic v místech s malým obsahem mlhy či kouře. Tato funkce umožní v řezu nebo skupině řezů vyhodnotit okraje proudu. Vychází se přitom z fotometrického řezu definovaného lomenou čarou, přičemž hranice proudu se vyhodnotí dle konstrukce na obr. 31. Hodnota A se generuje automaticky a hodnotu n volí uživatel podle typu záznamu. Výsledkem vyhodnocování je dvojice bodů (nebo množina dvojic bodů při vyhodnocování skupiny řezů) ležících na hranici mlhy či kouře. Záznam s homogenním pozadím a méně výraznými hranicemi mlhy
21
či kouře lze získat většinou v laboratorních podmínkách při použití řídké mlhy. Taková mlha neovlivňuje příliš zkoumané proudění, a proto je pro výzkum větrání nejvhodnější. Vyhodnocování záznamů s méně výraznými hranicemi mlhy či kouře a hoObr. 31 Vyhodnocování hranic proudu v místech mogenním pozadím je s malým obsahem mlhy či kouře možné provádět také s využitím funkce sčítání dvou obrazů a funkce interferogram. Přičteme-li k původnímu vizualizačnímu záznamu na obr. 32a obraz šedého klínu z obr. 32b, přičemž každému obrazu přiřadíme např. váhu 50 %, dostaneme výsledný obraz uvedený na obr. 32c. Následně lze obr. 32a až obr. 32c transformovat pomocí funkce interferogram (prahování s více prahy) a obdržíme transformované obrazy podobné interferogramům, viz obr. 32d až obr. 32f. Pro další vyhodnocování je zřejmě nejvhodnější obraz uvedený na obr. 32f, ze kterého lze lépe vyhodnotit hranice proudu, než z původního záznamu na obr. 32a. Vyhodnocování takto vytvořených „interferogramů“ lze pak provádět pomocí stejných funkcí, jako při vyhodnocování skutečných interferogramů, viz obr. 29b.
2.5 m
a)
b)
c)
d)
e)
f)
Obr. 32 Použití funkce sčítání dvou obrazů a funkce interferogram Máme-li nevýrazné hranice proudu s nehomogenním pozadím, viz např. obr. 6, lze při vyhodnocení hranic použít interaktivní kreslení lomených čar v obraze. K vyhodnocování obecných typů vizualizačních záznamů jsou v software k dispozici i funkce fotometrický řez a funkce dimenzování pro interaktivní určení posloupnosti bodů v obraze. Data intenzit obrazových bodů na lomené čáře nebo poloh posloupnosti bodů určených při dimenzování lze ukládat do datových souborů. Pro vyhodnocení videozáznamů se používá transformace videozáznamů na posloupnost jednotlivých obrazů a následně se provádí dávkové vyhodnocení posloupnosti obrazů. Také je však možné použít interaktivní kreslení lomených čar nebo bodů nad běžícím videozáznamem, což sice poskytuje výsledky spolehlivě, ale často ovlivněné subjektivním přístupem. Software Interfer – Visual usnadňuje vyhodnocování interferogramů a záznamů získaných z vizualizace proudění zaváděním kouře či mlhy, čímž se stává efektivním nástrojem při aplikaci uve-
22
dených metod ve výzkumu i praxi. Vyvinutý software je spolu s fotoaparátem, kamerou, generátorem mlhy, generátorem bublinek a dalšími prvky součástí prototypu mobilního vizualizačního zařízení.
4 APLIKACE VIZUALIZAČNÍCH METOD VE VÝUCE Vizualizační metody jsou názorné, umožňují získat obrazy a videozáznamy o stavu celého objektu najednou, mohou přispět k nalezení souvislostí sledovaných jevů a posouzení vývoje nestacionárních dějů, a proto je lze s výhodou využívat ve výuce. Na pracovišti OTTP EÚ je věnována aplikaci vizualizačních metod ve výuce dlouhodobě pozornost. Od začátku 80. let byly pro přednášky Termomechaniky a Přenosu tepla vytvářeny diapozitivy a zvětšené fotografie z vlastních experimentů, které doplňovaly teoretický výklad a umožnily tak studentům hlouběji pochopit probíranou látku. Pro laboratorní výuku těchto předmětů autor připravil úlohy z oblasti interferometrie, stínových metod a úlohy zabývající se vyhodnocováním získaných vizualizačních záznamů. V roce 1992 autor vytvořil dva výukové filmy, a to Interferometrická vizualizace teplotních polí při přenosu tepla konvekcí a Interferometrická vizualizace teplotních polí v místnosti. Vytvořené diapozitivy, obrazy a filmy jsou používané i na jiných vysokých školách (na TU v Liberci, VŠBTU v Ostravě aj.). Po zavedení oboru Technika prostředí v magisterském studiu na FSI VUT v Brně, na jehož koncepci se autor podílel, a po vzniku EÚ byly vizualizační metody aplikovány také ve výuce nových předmětů garantovaných autorem. Jednalo se o předmět Experimentální metody I pro studenty tří oborů na EÚ a především o předmět Experimentální metody II pro studenty oboru Technika prostředí. V tomto předmětu jsou studenti seznamováni s vizualizačními metodami v Technice prostředí a s vyhodnocováním vizualizačních záznamů, včetně procedur software Interfer – Visual. Pro tento předmět byla za podpory projetu FRVŠ [D] vytvořena také interaktivní hypertextová skripta [2], která obsahují okolo 70 videosekvencí převážně z vlastních experimentů autora. Zavedením oboru Technika prostředí bylo třeba jak výzkum, tak výuku více zaměřit na problematiku a metody řešení používané v tomto oboru. Pozornost byla proto věnována více vizualizaci proudění pomocí mlhy či kouře a vizualizaci pomocí héliových bublinek, ale také měření pomocí PIV metody a termovize. Pro studenty oboru Technika prostředí autor připravil kromě laboratorních úloh z oblasti interferometrie a stínových metod i nové jednoduché vizualizační experimenty. Složitější experimenty jsou pak studentům hromadně demonstrovány nebo jsou v laboratořích či v provozních podmínkách vytvářeny videozáznamy pro prezentaci na přednáškách a cvičeních. V počítačových cvičeních studenti vyhodnocují vlastní vizualizační záznamy pomocí software Interfer – Visual nebo i jiných komerčních programů. Kromě zkušeností s vyhodnocováním vizualizačních záznamů získají studenti i znalosti z oblasti úprav kvality obrazů a grafického provedení. Vzhledem k možnostem elektronických prezentací je používání vizualizačních záznamů na přednáškách snazší. Elektronické prezentace s videosekvencemi vizualizačních experimentů autor používá nejen v oborové výuce, ale i ve výuce Termomechaniky a v kurzech celoživotního vzdělávání pořádaných pro odborníky z praxe (viz např. kurz Teorie a praxe termovizních měření garantovaný autorem aj.). Pro výukové účely jsou voleny vždy příklady průkazné, které nejen doplní a oživí probíranou látku, ale jsou i na odpovídající grafické úrovni. Proto je pro pracoviště přínosná také spolupráce s Fakultou výtvarných umění VUT v Brně, např. v rámci řešení projektu [I]. Zařízení pro vizualizační experimenty jsou využívána i diplomanty a studenty doktorských studijních programů. Jejich práce často souvisí s výzkumnými aktivitami pracoviště. Pod vedením autora jsou na pracovišti řešené i speciální doktorské projekty GAČR [G], [J], na kterých pracují společně studenti Energetického ústavu a Ústavu automatizace a informatiky FSI VUT v Brně a studenti Ústavu pozemního stavitelství a Ústavu technických zařízení budov FAST VUT v Brně. V rámci těchto projektů jsou vizualizační metody nejen využívány, ale také rozvíjeny.
23
5 ZÁVĚR Uvedené vizualizační a optické měřicí metody mají v oboru Technika prostředí své opodstatnění a je účelné je nadále rozvíjet. Rovněž je vhodné zabývat se rozvojem dalších vizualizačních metod v této oblasti, které by pomohly při výzkumu a ověřování stavu prostředí, při návrhu nových technologií či zařízení na úpravu prostředí, při uvádění těchto zařízení do provozu, nebo také při posuzování výkonu a kvality stávajících zařízení v praxi. Z příkladů uvedených v textu je zřejmé, že autor má dlouholeté a bohaté zkušenosti s vizualizačními metodami. Tyto metody se na pracovišti autora široce využívají při řešení výzkumných projektů i v praktických aplikacích, kde přispívají k efektivnímu řešení řady problémů. Tradiční využití mají výsledky získané vizualizačními metodami na přednáškách, cvičeních, v laboratorní výuce i ve výuce v rámci kurzů celoživotního vzdělávání, kde doplňují teoretické poznatky a umožní studentům získávat ucelenější přehled o stavu objektů a vývoji nestacionárních dějů. Ve výuce jsou využívány jak vlastní vizualizační záznamy, tak i záznamy z jiných pracovišť. Vizualizační metody jsou dále rozvíjeny, a to v oblasti způsobu interpretace získaných záznamů, v oblasti uplatnění interferometrie v daném výzkumu a též v oblasti vývoje software Interfer – Visual. Tento software přispívá ke zefektivnění vyhodnocování záznamů získaných z vizualizace proudění pomocí mlhy či kouře a ke zefektivnění vyhodnocování interferogramů, čímž usnadňuje aplikaci těchto metod ve výzkumu i praxi. Vlastní přínos v oblasti vizualizačních metod v technice prostředí
• Vybudování optické laboratoře vybavené Machovým-Zehnderovým interferometrem, zařízením pro počítačový záznam obrazů a videosekvencí, včetně optických sestav vlastní konstrukce sloužících pro řešení výzkumných úkolů, doktorských disertačních prací a pro výuku. • Řízení stavby a rozvoje laboratoře větrání vybavené počítačovým měřicím systémem, zařízením pro vizualizaci proudění pomocí mlhy a zařízením pro PIV metodu s generátorem héliových bublinek, která slouží pro řešení výzkumných úkolů, doktorských disertačních prací a také pro výuku. • Rozvoj interferometrie transparentních objektů v oblasti optických sestav, fyzikálních principů vyhodnocování interferogramů, automatizace vyhodnocování interferogramů a v oblasti zavedení interferometrie do oboru technika prostředí s využitím měření na zmenšených modelech. • Vývoj software Interfer – Visual pro vyhodnocování různých typů interferogramů a záznamů z vizualizace proudění pomocí kouře či mlhy, včetně videosekvencí a vytvoření prototypu mobilního vizualizačního zařízení. Software obsahuje vlastní procedury pro automatické vyhodnocování vizualizačních záznamů a řadu dalších funkcí. • Řešení problémů techniky prostředí s využitím vizualizačních metod. Vytvoření efektivní metody měření konstant vyústek. Účast na vytvoření prototypu velkoplošné vyústky a funkčních vzorků zesílených odsávacích systémů, na návrhu zařízení pro snížení tepelné zátěže v horkých provozech, na vytvoření prototypů tepelných a klimatizačních komor. Nalezení vztahů pro optimální návrh deskových otopných těles. Řízení vývoje funkčního vzorku senzoru typu umělá kůže a tepelného manekýna. Nalezení efektivní metody měření rychlostí proudění a objemových toků ve volných neizotermních proudech. Získání obrazů teplotních polí pro hodnocení tepelného komfortu v různě vytápěných a větraných místnostech. Detekce vlhkosti v budovách, na technologických zařízeních aj. • Zavedení vizualizačních metod do výuky: Podíl na vytváření koncepce a zavedení nového studijního oboru Technika prostředí a zavedení předmětů Experimentální metody I a II s důrazem na vizualizační metody. Vytvoření výukových podkladů (diapozitivů, fotografií, filmů, videozáznamů, prezentací, skript, podkladů na internetu aj.) s vizualizačními záznamy, a to pro přednášky v předmětech Experimentální metody I a II a pro přednášky v kurzech celoživotního vzdělávání (Teorie a praxe termovizních měření aj.). Příprava laboratorních úloh z vizualizace
24
teplotních polí pomocí interferometrie, stínové metody a termovize, vizualizace proudění pomocí mlhy, kouře, héliových bublinek a PIV metody. Příprava počítačových cvičení pro vyhodnocování vizualizačních experimentů. • Vedení diplomantů a studentů doktorských studijních programů k využívání vizualizačních metod. Vizualizační metody jsou využívány a rozvíjeny nejen studenty v rámci diplomových a disertačních prací, ale též v doktorském projektu GAČR [G] (http://ottp.fme.vutbr.cz/gacr05). Koncepce rozvoje a využití vizualizačních metod
• Rozvoj vizualizačních metod. Rozvoj PIV metody pro možnost použití na velké objekty (např. až 2 × 2 m) a pro použití v provozních podmínkách. Vývoj méně nákladného PIV zařízení s běžnou videokamerou, jednoduchým osvětlením a jednoduchým software. Rozvoj metody PLIF (Planar Laser-Induced Fluorescence) pro měření teplot ve vzduchu a pro použití v provozních podmínkách. Vývoj méně nákladné metody vizualizace proudění pomocí héliových bublinek umožňující vyhodnocení rozložení rychlostí v prostoru. Rozvoj metody termovizního měření rozložení teplot ve vzduchu a stanovení statických a dynamických vlastností vytvořeného zařízení. Rozvoj interferometrů pro holografickou tomografii [2], [24] umožňujících výzkum větších transparentních objektů. Rozvoj kvantitativního vyhodnocování záznamů získaných clonkovými metodami pro velké objekty [25]. Doplnění počítačového měření rozložení teplot v tekutinách pomocí sítě senzorů o grafické zobrazení teplotních polí v reálném čase. • Další vývoj software Interfer – Visual a jeho procedur pro spolehlivé a rychlé vyhodnocování různých typů vizualizačních experimentů v laboratorních i v provozních podmínkách, včetně vývoje procedur pro vyhodnocování interferogramů a záznamů získaných pomocí holografické tomografie. • Další využití vizualizačních metod při řešení problémů techniky prostředí. Využití při vytváření žádaných obrazů proudění v lokálně větraných prostorách a provozech, v prostorách se zaplavovacím větráním, v prostorách s hybridními větracími systémy apod. Využití v oblasti výzkumu a vývoje účinných odsávacích systémů. Použití v oblasti vytápění při řešení problémů přerozdělování tepelné energie do míst pobytu osob. Využití při vytváření tepelné pohody v malých prostorách, v kabinách automobilů a letadel aj. • Další využití vizualizačních metod ve výuce. Doplňování obsahu předmětů Experimentální metody I a II o nové poznatky a využívání nových vizualizačních záznamů na přednáškách. Aktualizování laboratorních úloh a počítačových cvičení pro vyhodnocování vizualizačních experimentů. Publikování dalších vizualizačních záznamů na internetu pro doplnění teoretických poznatků studentů a zpřístupnění náročných experimentů (např. vytvoření interaktivních prezentací s možností modifikace vizualizačního experimentu). Budoucnost vizualizačních metod na pracovišti je dlouhodobě zajištěna. Vizualizační metody se budou používat nadále pro řešení výzkumných úkolů i ve výuce. Na rozvoji vizualizačních metod se budou podílet i studenti magisterského studia a studenti doktorských studijních programů, např. v rámci projektu GAČR [J], který je veden autorem.
PODĚKOVÁNÍ Autor děkuje svým kolegům, kteří se podíleli na řešení uvedených výzkumných projektů, zvláště pak prof. RNDr. Miroslavu Liškovi, DrSc. a doc. Ing. Evě Janotkové, CSc. Poděkování patří též Grantové agentuře České republiky, Ministerstvu školství, mládeže a tělovýchovy, Fondu rozvoje vysokých škol a Ministerstvu průmyslu a obchodu za finanční podporu projektů uvedených v tomto textu.
25
POUŽITÁ LITERATURA [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19]
26
ŘEZNÍČEK, R.: Visualisace proudění. Praha: ACADEMIA, nakl. ČSAV, 1972. PAVELEK, M.; JANOTKOVÁ, E.; ŠTĚTINA, J.: Vizualizační a optické měřicí metody. Interaktivní hypertextová skripta, 2. vydání Brno: FSI VUT, 2007. 310 s. Dostupné z: http://ottp.fme.vutbr.cz/~pavelek/optika/. CIHELKA, J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. Praha: SNTL, 1985. PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Evaluation of records of flow visualization obtained during research on ventilation. In Proceedings of 7th International Symposium on Ventilation for Contaminant Control. Sapporo, Japan, 2003, pp. 61–66. MERZKIRCH, W.: Flow visualization. 2nd Edition, Orlando: Academic Press, 1987. SCHUSTER, N.; KOLOBRODOV, V.: Infrarotthermographie. Berlin: WILEY-VCH, 2004. STANISLAS, M.; KOMPENHANS, J.; WESTERWEEL, J.: Particle image velocimetry: Progress towards industrial application. Kluwer Academic Publishers, 2000. PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Definition of air flow parameters from records of flow visualization using a fog. In Proceedings of 8th International Conference on Air Distribution in Rooms – RoomVent 2002. Copenhagen, Denmark, 2002, pp. 365–368. JANOTKOVÁ, E.; PAVELEK, M.: Snížení tepelné zátěže pracovníků v horkých provozech místním přívodem vzduchu. Vytápění, větrání, instalace, 2003, roč. 12, č. 4, s. 150–153. JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Influence of initial velocity and temperature of jet on constants of ventilating outlets. In Proceedings of 6th International Symposium Ventilation 2000 – Progress in Modern Ventilation. Helsinky, 2000, Vol. 2, pp. 182–185. JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Determination of air outlet C-Values by means of interferometry. The International Journal of Ventilation, 2006, vol. 4, no. 4, pp. 311–322. NOVAK, D.; PAVELEK, M.: Ways to reach the suitable spatial temperature distribution. Indoor Air 2005. In Proceedings of the 10th International Conference on Indoor Air Quality and Climate. Beijing, China 2005, pp. 230–233. PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Application of interferometry at research on heating. Indoor Air 2005. In Proceedings of the 10th International Conference on Indoor Air Quality and Climate. Beijing, China 2005, pp. 548–553. PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E. Modelling of temperature fields in heated rooms. In 9ht International Conference on Air Distribution in Rooms, Book of Abstracts. Coimbra, Portugal, 2004, pp. 254-255. CD with full texts. JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.; MALASEK, L.: Reinforced exhaust system with slot exhaust hood. In 9ht International Conference on Air Distribution in Rooms, Book of Abstracts. Coimbra, Portugal, 2004, pp. 182–183. CD with full texts. JANOTKOVA, E.; PATOCKA, S.; PAVELEK, M.: Experimental research on reinforced exhaust system. In Proceedings of 7th International Symposium on Ventilation for Contaminant Control. Sapporo, 2003, pp. 67–72. JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Application of visualization methods in local exhaust research. Indoor Air 2002. In Proceedings of 9th International Conference on Indoor Air Quality and Climate. Monterey, California, USA, 2002, pp. 542–547. JANOTKOVÁ, E.; PAVELEK, M.; MALÁSEK, L.: Studie proudění u zesíleného štěrbinového sacího nástavce. In Sborník 18. Konference klimatizace a větrání. Praha, 2008, s. 63– 70. JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Design of local ventilation for heat stress reduction of glass-making line operators. In Proceedings of 8th International Conference on Air Distribution in Rooms. Copenhagen, Denmark, 2002, pp. 737–740.
[20] JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Study of environment thermal state on working places in hot workshops. In Proceedings of the 10th International Conference on Indoor Air Quality and Climate. Beijing, China, 2005, pp. 1043–1047. [21] MLCAK, R.; PAVELEK, M.: Temperature mapping of human body surface by using thermovision camera. In Proceedings of the 15th International THERMO Conference, Budapest, Hungary, 2007, pp. 50–52. [22] MLCAK, R.; PAVELEK, M.; TOMANKOVA, K.; DYROVA, J.: Measuring of a body surface temperature for a model of human body. In Proceedings of 10th International Conference on Air Distribution in Rooms, Helsinki, Finland, 2007, pp. 80. CD with full texts. [23] HAUF, W.; GRIGULL, U.: Optische Meßverfahren der Wärme- und Stoffübertragung. Berlin: Springer Verlag, 1991. [24] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Evaluation of non-isothermal air jet parameters from records of flow visualization using interferometry. In Electronic Proceedings of 8th International Symposium on Ventilation for Contaminant Control – Ventilation 2006. Chicago, USA, 2006, 21 p. Dostupné z: http://www.aiha.org/aihce06/handouts-vent.htm. [25] SETTLES, G. S.: Schlieren and shadowgraph techniques. 1st ed. Springer, 2001. [26] JANOTKOVA, E.; PAVELEK, M.: Interferometric visualization of air jet shapes. In 12th International THERMO Conference. Budapest, Hungary, 2001, pp. 305–310. [27] ENENKL, V.; PAVELEK, M.; HORACEK, M.: Temperature fields interferometric measurements in neighbourhood of axial-symmetric shell moulds. In Proceedings of the International Heat Transfer Conference. Munich, 1982, Vol. 4, Paper code No. MT 6, pp. 485–490. [28] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Application of interferometry to temperature field measurements in neighbourhood of rotating discs. In International Congress CHISA ´96. Prague, 1996, Paper No. 0015. [29] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: A Study of heat transfer from a rotating disk by means of holographic interferometry. In Proceedings of the 5th Conference on Thermogrammetry and Thermal Engineering. Budapest, Hungary, 1987, pp. 41–44. [30] PAVELEK, M.; LISKA, M.: Interferogram evaluation of axially symmetric phase objects. Optica Acta, 1983, vol. 30, no. 7, pp. 943–954. [31] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Interferometric research of free non-isothermal air jets. In Proceedings of 12th International Conference on Thermal Engineering and Thermogrammetry. Budapest, Hungary, 2001, pp. 130–135. [32] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Interferometric research of heat transfer at air jet from ventilating outlets. In Proceedings of 6th International Symposium Ventilation 2000 – Progress in Modern Ventilation. Helsinki, Finland, 2000, Vol. 2, pp. 179–181. [33] PAVELEK, M.; FILAKOVSKY, K.: Evaluating velocities from interferograms of boundary layers. In Proceedings of 5th ISFV. Prague 1989, pp. 870–874. [34] PAVELEK, M.; JANOTKOVÁ, E.: Interferometrický výzkum teplotních polí mezi deskami otopných těles. Inženýrská mechanika, 2001, roč. 8, č. 5, s. 353–362. [35] PAVELEK, M.; LISKA, M.: A Study of heat transfer from a horizontal vibrating cylinder by means of holographic interferometry. In Proceedings of IUTAM Symposium on Optical Methods in the Dynamics of Fluids and Solids. Liblice, Czech Republic, 1984, pp. 43–49. [36] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Interferometric modelling of temperature fields in ventilated and heated spaces. In Proceedings of 9th International Conference on Indoor Air Quality and Climate. Monterey, California, USA, 2002, pp. 754–759. [37] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Research into nonisothermal jets from ventilating outlets using a Mach-Zehnder interferometer. Journal of Flow Visualization and Image Processing, 2006, vol. 13, no. 2, pp. 133–152. [38] PAVELEK, M.; RAMÍK, Z.; LIŠKA, M.: Automatizace při vyhodnocování interferogramů tepelných mezních vrstev. Jemná mechanika a optika, 1978, roč. 23, č. 4, s. 97–100.
27
[39] PAVELEK, M.; JANOTKOVA, E.: Research of dynamic temperature fields by means of Mach-Zehnder interferometer. In Int. Congress CHISA ´98. Prague, 1998, Paper No. P1.146. Vybrané grantové projekty
[A] JANOTKOVÁ, E.; PAVELEK, M.: Interferometrický výzkum teplotních polí v transparentním prostředí a počítačové zpracování interferogramů. Projekt GAČR 101/94/1348. Brno: FS VUT, 1994–1996. [B] PAVELEK, M.; JANOTKOVÁ, E.: Investigation of temperature fields in industrial buildings with various manners of ventilation and heating. Projekt COST G3.20. Brno: FSI VUT, 1999–2003. [C] JÍCHA, M. a kol.: Výpočtové a fyzikální modelování problémů inženýrské termofluidní mechaniky, mechaniky těles a fázových přeměn. Výzkumný záměr MSM 262100001. Brno: FS VUT, 1999–2004. [D] PAVELEK, M.; JANOTKOVÁ, E.; ŠTĚTINA, J.: Hypertextová skripta Optické měřicí metody. Projekt FRVŠ F1 – 192/2001. Brno: FSI VUT, 2001. [E] JANOTKOVÁ, E.; PAVELEK, M.: Investigation of reinforced exhaust system. Projekt COST G3.50. Brno: FSI VUT, 2001–2003. [F] JÍCHA, M. a kol.: Výzkum nové řady komor teplotní techniky. Projekt MPO Tandem FTTA/054 s firmou BMT Brno. Brno: FSI VUT, 2004–2006. [G] PAVELEK, M. a kol.: Výzkum efektivních systémů pro zlepšení kvality vnitřního prostředí. Projekt GAČR 101/05/H018. Brno: FSI VUT, 2005–2008. [H] PAVELEK, M. a kol.: Speciální kompozitní materiály s vysokou schopností akumulace infračerveného záření. Projekt MPO Trvalá prosperita 2A-3TP1/090 s Výzkumným ústavem stavebních hmot, a. s. Brno. Brno: FSI VUT, 2008–2011. [I] TITLOVÁ, M.; PAVELEK, M.: Obrazy tepelnou energií. Umělecký projekt hlavního města Prahy. Brno: FAVU VUT a FSI VUT, 2008. [J] PAVELEK, M. a kol.: Výzkum energeticky úsporných zařízení pro dosažení pohody vnitřního prostředí. Projekt GAČR 101/09/H050. Brno: FSI VUT, 2009–2012.
ABSTRACT Visualization methods make it possible to obtain images and dynamics records of the status of the entire object at once. The records make the evaluation of the object state simpler and more efficient. They also allow for interconnection between the observed phenomena to be found out, or unsteady processes to be assessed. The most common visualization methods employed in HVAC (Heating, Ventilating, and Air-Conditioning) are smoke/fog visualization and surface temperature measurement using thermographic camera. Another method often found in HVAC laboratories is PIV (Particle Image Velocimetry), which provides velocity vector fields of the fluid flow. Not only the mentioned methods, but also interferometry of transparent objects, have been used by the author at the Department of Thermomechanics and Environmental Engineering, Faculty of Mechanical Engineering, Brno University of Technology, for a long time. It is the only method suitable for air temperature visualization, applied exclusively in laboratory research though, where the HVAC objects investigated are, in many cases, scaled down models. In order to employ the visualization methods during the grant project solutions and education, an optical laboratory was built by the author at the department furnished with a Mach-Zehnder interferometer, and laboratory of ventilation. The research employs the visualization methods in such cases as effective measurement and recording of flow patterns in the vicinity of air terminal devices, local exhaust devices, heating elements, and real production processes. The methods are also applied to measurement and assessment of temperature distribution over heating elements, buildings, various ways heated rooms, surfaces of thermal chambers and the human body. The
28
methods contributed to optimization of panel radiators, heating strategy and effective measurement of various parameters of air outlets and air jets, such as the coefficient of velocity decay, the nonisothermal jet trajectory etc. Results of mentioned visualization experiments are utilized at courses of Thermomechanics (students of Faculty of Mechanical Engineering), Experimental methods I (students of the Energy Institute), Experimental methods II (students of Environmental engineering specialization), and other courses, such as of lifelong learning. They also complement to theoretical lectures, making it more comprehensive. The visualization records also allow the students to approach such experiments that are too technically/time/safety demanding, or not due to other reasons not accessible. Simple visualization experiments are part of the laboratory exercises, where students may influence observed processes and gain knowledge applicable to their diploma theses and/or practice. Should the visualization methods be utilized effectively at research and practice, computational evaluation of records obtained is required, which is rather complex and often employs artificial intelligence. PIV records along with those obtained using thermal imaging camera make use commercial software to assess the records. The smoke/fog visualization records and also interferograms are evaluated with the use of Interfer – Visual, a code developed by the author. The software contains procedures for automatic evaluation of interference fringes distribution and their shape, functions to identify blurred object boundaries and many others. Further research on HVAC accounts for the application of visualization methods to generate required images of the flow patterns within locally ventilated spaces, to obtain required temperature distribution in rooms ventilated by means of ceiling fans and/or other components, to generate thermal comfort over small areas, such as car or aircraft cabins. The records acquired should be operatively introduced to students and be available on the Internet. The visualization methods in HVAC may profit from further development, e.g. the use of thermal imaging to air temperature distribution measurement, extension of the PIV and interferometry applicability to large scale objects, application of PLIF method (Planar Laser-Induced Fluorescence) to temperature distribution measurement of gases, completion of computer-based temperature distribution measurement of fluids with real-time data presentation etc. The development of visualization methods is partly carried out by PhD. students from different departments under the frame of joint doctoral projects of Czech Science Foundation managed by the author.
29
