基于彩虹散射技術(shù)的液體顆粒關(guān)鍵參數(shù)高精度在線測量的研究.pdf

1、多相流中顆粒物的參數(shù)測量對流體傳輸過程的定量表征十分關(guān)鍵，在能源等工業(yè)生產(chǎn)中具有重要應(yīng)用。彩虹散射測量技術(shù)是光散射測量技術(shù)的一種，由于它具有同時測量顆粒物表觀參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)的特點，因此發(fā)展彩虹技術(shù)對復(fù)雜霧化液滴場進行在線測量具有重要的科學(xué)意義。采用理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究結(jié)合的方法，對彩虹散射測量技術(shù)測量對象范圍、測量維度以及標定方法都進行了拓展與革新。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴在彩虹系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方面，從反演算法軟件、光路成

2、像系統(tǒng)、標定系統(tǒng)三個方面進行了定量研究。對反演算法軟件基于修正的Nussenzveig理論，對液滴折射率和粒徑分布采用無分布函數(shù)算法進行最優(yōu)化求解，并用模擬全場彩虹信號對該算法進行了驗證，可準確反演液滴群的折射率與粒徑分布，折射率相對誤差為0.01％到0.02%；對光路成像系統(tǒng)從幾何光學(xué)的角度對彩虹成像光路系統(tǒng)進行了理論分析，并結(jié)合MATLAB與ZEMAX等實現(xiàn)對彩虹系統(tǒng)元件設(shè)計的自動計算與仿真優(yōu)化，從而定量評估像差的影響作用，結(jié)果表明

3、將RMS散斑半徑控制在160μm以內(nèi)可以保證折射率絕對偏差在小數(shù)點后四位以內(nèi)；對標定系統(tǒng)研究了反射鏡標定法標定曲線y=ax+b，參數(shù)反演誤差隨系數(shù)a、b分別的變化情況，研究表明理想情況下的標定系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差不起主要作用，但存在人為操作引起的誤差，需要在該方面進行控制改進。⑵在對彩虹測量方法的改進上面，首先提出一種一維彩虹測量方法。考慮到表征液滴在傳播過程中參數(shù)的變化或空間分布情況，例如蒸發(fā)等物理過程。如全場彩虹技術(shù)等單點測量方法存在很大

4、局限性。考慮將CCD采集信號中不同像素行上空間角度散射信息代替為不同空間高度上的散射信息，需要改變原有全場系統(tǒng)的路調(diào)制方法。改變激光照明方式，使點光源變成線光源，用來照射一維測量區(qū)域；改變光闌的設(shè)計布置，使得CCD能夠?qū)σ痪S噴霧區(qū)域的彩虹信號進行捕捉。此外通過試驗校準與開發(fā)新的信號處理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)信號像素點與一維區(qū)域內(nèi)測量點的對應(yīng)匹配，使每點的彩虹信號最終以分立的橫向明暗條紋的形式呈現(xiàn)，并對每一點彩虹條紋進行數(shù)字化反演處理，從而得到一

5、維各點噴霧區(qū)域的液滴多參數(shù)信息。其次，提出一種基于雙波長的散射角自標定全場彩虹測量方法，借助兩種波長的單色激光下介質(zhì)折射率的差異找到對應(yīng)彩虹角的差異，結(jié)合彩虹角與CCD像素點之間的關(guān)系，可以對彩虹絕對散射角進行標定。通過利用基于 Lorenz-Mie散射理論的全場彩虹模擬程序與全場彩虹反演軟件進行了模擬驗證并與實驗結(jié)果吻合，結(jié)果表明該方法的可行性。⑶在彩虹表征的測量對象方面，總結(jié)了顆粒存在形式的研究框架，結(jié)合聲懸浮手段對回轉(zhuǎn)橢球體，特別

6、是含固液滴的特征進行了分析。實驗表明含固液滴中固體顆粒這種隨機分布不影響對液體介質(zhì)參數(shù)的反演。并利用理論模型對含有幾種不同復(fù)折射率條件的固態(tài)核心進行了研究，在霧化液滴粒徑變化范疇內(nèi)消光效率因子為2附近的米氏震蕩。并研究了固體顆粒位置對彩虹散射的干擾作用，發(fā)現(xiàn)沿彩虹主峰散射角區(qū)域所對應(yīng)光線傳播路徑上分布的固體顆粒，同等粒徑條件下干擾作用要遠大于在液滴其他位置。⑷在原位測量應(yīng)用方面，一是對液體不同混溶狀態(tài)進行了研究，尤其是雙峰彩虹的反演算法