彌散顆粒輻射反問題的理論與實驗研究.pdf

1、粒子態(tài)物質廣泛存在于化工、冶金、動力、建筑、醫(yī)藥、生物、食品、航天、軍事及大氣科學等多個領域。典型的含粒子介質包括：含炭黑及飛灰的火焰、隱身涂料、感光膠片、大氣氣溶膠及火箭尾噴焰等。固體火箭發(fā)動機噴焰內(nèi)含有大量高溫金屬氧化物粒子，研究噴焰的紅外輻射特征，必須掌握高溫粒子的光譜輻射物性。復折射率（光學常數(shù)）屬粒子的基本輻射物性參數(shù)，與其組份、溫度、表面狀況有關。由于粒子的比表面積比其塊狀物質大得多，且高溫粒子易聚集成團，導致粒子結構復雜，

2、因此，粒子的光學常數(shù)與同材料的塊狀物質不同，需單獨研究。粒子的復折射率不能直接通過實驗測量，須由實驗測定其它量，然后結合相應的反問題模型求解。
　　論文對粒子輻射問題進行了全面系統(tǒng)地分析，主要完成以下四方面的研究工作：
　　1.系統(tǒng)分析了粒子輻射正問題的求解。采用離散偶極子近似法、T矩陣法和廣義多球Mie理論，從電磁理論出發(fā)，對非球形粒子和聚集粒子的輻射物性進行了數(shù)值模擬。通過與等效球形粒子輻射物性的對比分析，考察了不同尺度

3、參數(shù)、不同形狀比例參數(shù)和不同復折射率下，非球形粒子的吸收因子、散射因子、衰減因子和散射相函數(shù)等參數(shù)與等效球形粒子的偏差程度與變化規(guī)律。同時考察了聚集粒子中考慮組分粒子之間相互作用時對輻射物性的影響規(guī)律以及不同形狀的聚集粒子對溫度場計算的影響。最后介紹了粒子系輻射特性的計算方法。
　　2.開展了基于智能微粒群優(yōu)化（PSO）求解的含粒子介質輻射反問題研究。采用隨機微粒群算法（SPSO）和多相微粒群優(yōu)化算法（MPPSO）反演粒子系的各種

4、輻射物性參數(shù)（如吸收系數(shù)、散射系數(shù)、相函數(shù)、光學厚度和反照率等）和幾何參數(shù)（如粒徑分布），同時對各種PSO算法的反演精度和收斂特性等進行了探討。
　　3.建立了基于等效光譜透射比的高溫球形粒子和非球形粒子復折射率的反演模型。兩個模型均基于完整的輻射傳遞方程，考慮了粒子的本身輻射和散射增強。同時，對兩個反演模型的解的單值性區(qū)間進行了詳細的分析，得到確保模型具有單值性的粒子尺度參數(shù)和復折射率的范圍。通過對復折射率已知的粒子進行數(shù)值實驗

5、和反演模擬，驗證了本文所建模型的正確性，并分析了測量誤差對反演結果的影響。對輻射反問題的靈敏度進行了系統(tǒng)的分析，為高溫粒子復折射率反演的實驗設計提供了理論依據(jù)。
　　4.提出了實驗設計方案并參與搭建了高溫粒子輻射特性綜合測量平臺。在國內(nèi)率先開展高溫粒子復折射率的實驗研究，實驗臺兼顧粒子與塊狀材料輻射物性的測量，其中，光譜測量范圍從1mμ到25mμ，粒子試樣的最高測試溫度可達1500K。實現(xiàn)了對稀疏粒子系的懸浮和加熱，實現(xiàn)了不同溫度