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弥散颗粒辐射反问题的理论与实验研究

齐宏  
【摘要】:粒子态物质广泛存在于化工、冶金、动力、建筑、医药、生物、食品、航天、军事及大气科学等多个领域。典型的含粒子介质包括:含炭黑及飞灰的火焰、隐身涂料、感光胶片、大气气溶胶及火箭尾喷焰等。固体火箭发动机喷焰内含有大量高温金属氧化物粒子,研究喷焰的红外辐射特征,必须掌握高温粒子的光谱辐射物性。复折射率(光学常数)属粒子的基本辐射物性参数,与其组份、温度、表面状况有关。由于粒子的比表面积比其块状物质大得多,且高温粒子易聚集成团,导致粒子结构复杂,因此,粒子的光学常数与同材料的块状物质不同,需单独研究。粒子的复折射率不能直接通过实验测量,须由实验测定其它量,然后结合相应的反问题模型求解。 论文对粒子辐射问题进行了全面系统地分析,主要完成以下四方面的研究工作: 1.系统分析了粒子辐射正问题的求解。采用离散偶极子近似法、T矩阵法和广义多球Mie理论,从电磁理论出发,对非球形粒子和聚集粒子的辐射物性进行了数值模拟。通过与等效球形粒子辐射物性的对比分析,考察了不同尺度参数、不同形状比例参数和不同复折射率下,非球形粒子的吸收因子、散射因子、衰减因子和散射相函数等参数与等效球形粒子的偏差程度与变化规律。同时考察了聚集粒子中考虑组分粒子之间相互作用时对辐射物性的影响规律以及不同形状的聚集粒子对温度场计算的影响。最后介绍了粒子系辐射特性的计算方法。 2.开展了基于智能微粒群优化(PSO)求解的含粒子介质辐射反问题研究。采用随机微粒群算法(SPSO)和多相微粒群优化算法(MPPSO)反演粒子系的各种辐射物性参数(如吸收系数、散射系数、相函数、光学厚度和反照率等)和几何参数(如粒径分布),同时对各种PSO算法的反演精度和收敛特性等进行了探讨。 3.建立了基于等效光谱透射比的高温球形粒子和非球形粒子复折射率的反演模型。两个模型均基于完整的辐射传递方程,考虑了粒子的本身辐射和散射增强。同时,对两个反演模型的解的单值性区间进行了详细的分析,得到确保模型具有单值性的粒子尺度参数和复折射率的范围。通过对复折射率已知的粒子进行数值实验和反演模拟,验证了本文所建模型的正确性,并分析了测量误差对反演结果的影响。对辐射反问题的灵敏度进行了系统的分析,为高温粒子复折射率反演的实验设计提供了理论依据。 4.提出了实验设计方案并参与搭建了高温粒子辐射特性综合测量平台。在国内率先开展高温粒子复折射率的实验研究,实验台兼顾粒子与块状材料辐射物性的测量,其中,光谱测量范围从1μm到25μm,粒子试样的最高测试温度可达1500K。实现了对稀疏粒子系的悬浮和加热,实现了不同温度与浓度的准稳定粒子空间分布场,通过实验研究结合高温粒子复折射率反演模型,得到了不同温度下的三氧化二铝粒子的光谱复折射率数据。


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