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(xiàn)測(cè)量的研究.pdf

1、多相流中顆粒物的參數(shù)測(cè)量對(duì)流體傳輸過(guò)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(cè)量技術(shù)是光散射測(cè)量技術(shù)的一種，由于它具有同時(shí)測(cè)量顆粒物表觀參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)的特點(diǎn)，因此發(fā)展彩虹技術(shù)對(duì)復(fù)雜霧化液滴場(chǎng)進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量具有重要的科學(xué)意義。采用理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方法，對(duì)彩虹散射測(cè)量技術(shù)測(cè)量對(duì)象范圍、測(cè)量維度以及標(biāo)定方法都進(jìn)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(jì)優(yōu)化方面，從反演算法軟件、光路成

2、像系統(tǒng)、標(biāo)定系統(tǒng)三個(gè)方面進(jìn)行了定量研究。對(duì)反演算法軟件基于修正的Nussenzveig理論，對(duì)液滴折射率和粒徑分布采用無(wú)分布函數(shù)算法進(jìn)行最優(yōu)化求解，并用模擬全場(chǎng)彩虹信號(hào)對(duì)該算法進(jìn)行了驗(yàn)證，可準(zhǔn)確反演液滴群的折射率與粒徑分布，折射率相對(duì)誤差為0.01％到0.02%；對(duì)光路成像系統(tǒng)從幾何光學(xué)的角度對(duì)彩虹成像光路系統(tǒng)進(jìn)行了理論分析，并結(jié)合MATLAB與ZEMAX等實(shí)現(xiàn)對(duì)彩虹系統(tǒng)元件設(shè)計(jì)的自動(dòng)計(jì)算與仿真優(yōu)化，從而定量評(píng)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?xún)?nèi)可以保證折射率絕對(duì)偏差在小數(shù)點(diǎn)后四位以?xún)?nèi)；對(duì)標(biāo)定系統(tǒng)研究了反射鏡標(biāo)定法標(biāo)定曲線(xiàn)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(biāo)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(jìn)行控制改進(jìn)。⑵在對(duì)彩虹測(cè)量方法的改進(jìn)上面，首先提出一種一維彩虹測(cè)量方法?？紤]到表征液滴在傳播過(guò)程中參數(shù)的變化或空間分布情況，例如蒸發(fā)等物理過(guò)程。如全場(chǎng)彩虹技術(shù)等單點(diǎn)測(cè)量方法存在很大

4、局限性?？紤]將CCD采集信號(hào)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?cè)腥珗?chǎng)系統(tǒng)的路調(diào)制方法。改變激光照明方式，使點(diǎn)光源變成線(xiàn)光源，用來(lái)照射一維測(cè)量區(qū)域；改變光闌的設(shè)計(jì)布置，使得CCD能夠?qū)σ痪S噴霧區(qū)域的彩虹信號(hào)進(jìn)行捕捉。此外通過(guò)試驗(yàn)校準(zhǔn)與開(kāi)發(fā)新的信號(hào)處理算法，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)像素點(diǎn)與一維區(qū)域內(nèi)測(cè)量點(diǎn)的對(duì)應(yīng)匹配，使每點(diǎn)的彩虹信號(hào)最終以分立的橫向明暗條紋的形式呈現(xiàn)，并對(duì)每一點(diǎn)彩虹條紋進(jìn)行數(shù)字化反演處理，從而得到一

5、維各點(diǎn)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(zhǎng)的散射角自標(biāo)定全場(chǎng)彩虹測(cè)量方法，借助兩種波長(zhǎng)的單色激光下介質(zhì)折射率的差異找到對(duì)應(yīng)彩虹角的差異，結(jié)合彩虹角與CCD像素點(diǎn)之間的關(guān)系，可以對(duì)彩虹絕對(duì)散射角進(jìn)行標(biāo)定。通過(guò)利用基于 Lorenz-Mie散射理論的全場(chǎng)彩虹模擬程序與全場(chǎng)彩虹反演軟件進(jìn)行了模擬驗(yàn)證并與實(shí)驗(yàn)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(cè)量對(duì)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(duì)回轉(zhuǎn)橢球體，特別

6、是含固液滴的特征進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)表明含固液滴中固體顆粒這種隨機(jī)分布不影響對(duì)液體介質(zhì)參數(shù)的反演。并利用理論模型對(duì)含有幾種不同復(fù)折射率條件的固態(tài)核心進(jìn)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(duì)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(duì)應(yīng)光線(xiàn)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(yuǎn)大于在液滴其他位置。⑷在原位測(cè)量應(yīng)用方面，一是對(duì)液體不同混溶狀態(tài)進(jìn)行了研究，尤其是雙峰彩虹的反演算法