全場彩虹自標(biāo)定技術(shù)及在線測量探頭研究.pdf

1、液體霧化是能源、化工等工業(yè)領(lǐng)域廣泛存在的現(xiàn)象，在許多工業(yè)應(yīng)用中噴霧液滴發(fā)揮著傳熱傳質(zhì)的主導(dǎo)作用。對液滴參數(shù)的準(zhǔn)確測量，有助于人們掌握復(fù)雜氣液兩相流機理，從而指導(dǎo)工業(yè)優(yōu)化設(shè)計和制造。在諸多氣液兩相流測量技術(shù)中，彩虹測量技術(shù)具有同時精確測量霧化液滴粒徑和溫度/濃度特點，近幾年來在燃燒、污染物脫除等方面的應(yīng)用研究取得了重要成果。本課題主要針對全場彩虹測量技術(shù)的高精度標(biāo)定方法與在線應(yīng)用進行研究，提出一種基于雙波長的全場彩虹散射角高精度自標(biāo)定方法

2、，設(shè)計了一種便攜式可變工作距離的全場彩虹測量探頭，并開發(fā)了在線測量與數(shù)據(jù)管理功能集成化設(shè)計的彩虹探頭在線測量軟件。本文對以下三個方面進行了研究。
　　根據(jù)介質(zhì)在不同波長下的折射率偏差對應(yīng)著彩虹角的偏差，提出一種基于雙波長的全場彩虹散射角高精度自標(biāo)定方法，并給出了具體的處理步驟以及算法流程。基于一個假設(shè)的標(biāo)定介質(zhì)溫度T以及RI值（彩虹角對應(yīng)的歸一化光強），通過不斷迭代尋找此假設(shè)溫度下兩種波長折射率與反演折射率的最小RMS偏差來確定最

3、終標(biāo)定方程，同時得到液滴在2種波長下的折射率。通過模擬研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)初始假設(shè)溫度T和RI值逐漸接近目標(biāo)真實值時此 RMS（均方根）偏差迅速降低。搭建雙波長全場彩虹測量系統(tǒng)，用去離子水作為標(biāo)定介質(zhì)，最終測得噴霧平均溫度以及標(biāo)定參數(shù)。用此雙波長自標(biāo)定全場彩虹系統(tǒng)測量體積分數(shù)10％~60%梯度濃度的乙醇-水溶液的折射率，并與傳統(tǒng)反射鏡標(biāo)定該系統(tǒng)后的反演結(jié)果以及文獻中的黃光折射率對比。模擬和實驗結(jié)果證明，自標(biāo)定全場彩虹系統(tǒng)的測量精度可以達到彩虹反演

4、算法的精度水平。利用自標(biāo)定的方法既能免除額外的計量儀器又能用于傳統(tǒng)計量儀器無法觸及的場合（如密閉容器），也可用于一維甚至高維彩虹的CCD面標(biāo)定，為后續(xù)彩虹在線測量應(yīng)用及分析復(fù)雜過程的氣液兩相流場奠定基礎(chǔ)。
　　基于幾何光學(xué)對幾種彩虹散射測量系統(tǒng)進行了原理上的分析和進一步改進的探索，設(shè)計并開發(fā)了一種雙透鏡式便攜彩虹在線測量探頭。雙透鏡-定焦鏡頭的探頭光路設(shè)計是一種結(jié)構(gòu)簡單，各光學(xué)元件軸向位置基本不變的光路系統(tǒng)設(shè)計方案。彩虹探頭可通過

5、更換焦距不同的前透鏡達到變物距測量的目的，其他元件的位置均不變，探頭整體長度相比傳統(tǒng)光路大幅縮短。通過多功能的旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器可以快速實現(xiàn)多種工作模式的切換，有利于在工程應(yīng)用中的靈活調(diào)節(jié)光路布置及在線測量。搭建了彩虹探頭多物距測量系統(tǒng)，并進行了完整的彩虹光路調(diào)節(jié)、定焦鏡頭像距定檔、激光器位置定檔以及散射角標(biāo)定。通過反復(fù)調(diào)試與不同物距下的噴霧實測，給出了最佳工作距離小于30cm的建議。用此探頭系統(tǒng)測量乙醇-水二元混合噴霧組分，最終得到的彩虹曲線

6、與反演計算得到的擬合曲線重合良好，實驗測量值也與文獻值的走勢基本一致。
　　針對彩虹測量探頭配套處理軟件，分析了在實際現(xiàn)場測量與軟件操作過程中需要解決的問題。通過對全場彩虹測量手段的實驗過程以及后續(xù)處理流程的詳細梳理與設(shè)計，采用業(yè)務(wù)流程圖、功能模塊圖等形式組織介紹了本軟件的MVC（模型-視圖-控制器）系統(tǒng)架構(gòu)。對信號處理流程與反演算法進行了簡要介紹，并針對在線測量做了相關(guān)功能與性能方面的優(yōu)化。綜合考慮實驗室與工業(yè)現(xiàn)場測量兩種場景下

7、的軟件需求，集成CCD的控制、數(shù)據(jù)實時處理以及高效易用的操作流程與文件統(tǒng)一管理機制，在Windows平臺下使用Qt Creator設(shè)計開發(fā)了一款功能齊備、高可用性、高精度、高穩(wěn)定性的彩虹探頭測量軟件。并對軟件的歡迎界面、主界面以及頁面跳轉(zhuǎn)邏輯進行了分析，并對CCD控制、信號采集、信號處理、參數(shù)調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)操作、文件管理、實時反演、離線處理這8大功能點進行了詳細介紹。經(jīng)過多次軟件在線與離線測試，驗證了彩虹測量探頭的實時在線測量效果，并對軟件