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沙粒表面带电与旋转对PIV测量结果的影响

严杰  
【摘要】:随着风沙运动的研究的实验仪器改进,许多光学仪器用于风沙运动研究,如用于测量沙粒速度、粒径的光学仪器粒子图像测速仪(particle image velocimetry,简称PIV)。任何影响光学性质的因素都将可能影响光学仪器的测量结果,比如沙粒形状、沙粒表而表而电荷以及沙粒旋转。 本文基于Zhou等给出的单颗球形沙粒的电磁波散射模型,利用时域有限差分法(FDTD)模拟单颗沙粒对电磁波的衰减,并计算了给定能见度下考虑沙粒带电对电磁波的衰减,给出了沙粒带电以及不带电对电磁波衰减系数的比值随电磁波频率的变化。结果表明,在厘米波段到分米波段内,沙粒表面带电使沙尘暴对电磁波的衰减效率急剧增大,会极大的影响了电磁波通信。利用几何光学法(GOA),计算带有自由电荷的沙粒表面的光反射率和透射率,并得到单颗球形沙粒的散射强度,最后分析沙粒带电对PIV粒径与浓度测量的误差,结果表明,沙粒带电使得粒径测量的误差能够达到30%左右,而浓度测量的误差则高达300%左右。基于PIV测速度原理以及测量颗粒粒径原理,分析了经过一个激光脉冲时间前后CCD拍摄到的两帧沙粒二维图像,计算了沙粒因旋转而导致的沙粒质心位移与成像中点位移的差别以及不同时刻成像面的大小,导出PIV测量不规则旋转沙粒速度和粒径的测量误差公式。结果表明PIV测速误差与沙粒速度有关,速度越大测速误差越小,最大测速误差不超过10%,可通过增大激光脉冲时间间隔以减小PIV的测速误差。


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