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基于激光干涉原理的颗粒场测量技术研究

浦世亮  
【摘要】: 许多工业及生产领域都存在着两相流,例如引擎内的燃油喷雾,药物喷剂,农药喷雾等等。颗粒的粒径和速度测量对研究两相流结构及对生产优化有非常重要的意义。举例来说,在燃烧领域,得到精确的速度场、液态粒子气化速率及液态粒子的粒径等信息对于燃烧优化及污染物控制都有重要意义。由于以上原因,开发对粒子直径及速度进行同时测量的技术有着重要的研究意义。 本文主要针对颗粒场测量问题研究了两种基于激光干涉但原理不同的颗粒场测量技术,这两种方法分别是激光干涉成像测量技术和激光数字全息技术。论文的研究内容主要如下: (1)利用几何光学和Mie理论在不同散射区域获得颗粒干涉图像灰度振荡频率和颗粒直径之间的关系。 (2)开发了激光干涉成像测量技术的图像处理方法,利用这种图像处理方法,可以从两相流干涉图像中自动提取颗粒的空间位置、颗粒直径和速度场分布等信息。 (3)利用激光干涉成像测量技术进行的一系列实验,验证了该技术对颗粒场粒径分布和速度场分布测量的精度,最后为了展示激光干涉成像测量技术在实际工业对像测量中的应用,对小型水煤浆喷嘴喷雾场进行了测量,通过对喷雾场的不同空间层面进行测量,获得了该喷嘴喷雾场的粒径空间分布特性。 (4)研究了激光数字全息技术的基本原理及全息图像数学重建的数学模型。证明数码同轴全息的记录及重建过程可以被描述为一个线性空不变系统。分析了图像重建过程中窗函数的影响,包括窗函数对重建图像的信噪比、重建图像的景深、对粒子定位精度及对粒径测量精度的影响。并建立了重建三维图像中图像噪音形成的概率模型。 (5)开发了数码同轴全息技术的图像处理方法,包括三维图像重建、颗粒探测、颗粒定位、颗径测量、图像噪音过滤及速度场计算等方法。利用这种图像处理方法可以获得颗粒场的粒子空间分布、粒径分布及速度场空间分布等信息。 (6)为了验证激光数字全息技术的测量精度并展示该技术在工业领域的应用进行了一系列实验。验证了本技术对粒子定位、粒径测量及速度场测量的精度。 本文研究的两种基于激光干涉原理的测量技术可以获得可靠的颗粒场信息,其测量精度不低于商用的两相流测量仪器,例如衍射粒度仪和粒子成像测速仪。本文开发的技术可以同时获得多种颗粒场参数,例如颗粒场粒径分布、粒子空间位置分布和速度场分布等,是两相流研究及测量领域的有效工具。


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