基于彩虹散射技术的液体颗粒关键参数高精度在线测量的研究
发布时间：2020-02-12 08:28
【摘要】：多相流中颗粒物的参数测量对流体传输过程的定量表征十分关键,在能源等工业生产中具有重要应用。彩虹散射测量技术是光散射测量技术的一种,由于它具有同时测量颗粒物表观参数和内部参数的特点,因此发展彩虹技术对复杂雾化液滴场进行在线测量具有重要的科学意义。采用理论分析、数值模拟和实验研究结合的方法,对彩虹散射测量技术测量对象范围、测量维度以及标定方法都进行了拓展与革新。在彩虹系统设计优化方面,从反演算法软件、光路成像系统、标定系统三个方面进行了定量研究。对反演算法软件基于修正的Nussenzveig理论,对液滴折射率和粒径分布采用无分布函数算法进行最优化求解,并用模拟全场彩虹信号对该算法进行了验证,可准确反演液滴群的折射率与粒径分布,折射率相对误差为0.01%到0.02%;对光路成像系统从几何光学的角度对彩虹成像光路系统进行了理论分析,并结合MATLAB与ZEMAX等实现对彩虹系统元件设计的自动计算与仿真优化,从而定量评估像差的影响作用,结果表明将RMS散斑半径控制在160μm以内可以保证折射率绝对偏差在小数点后四位以内;对标定系统研究了反射镜标定法标定曲线y=ax+b,参数反演误差随系数a、b分别的变化情况,研究表明理想情况下的标定系统产生的误差不起主要作用,但存在人为操作引起的误差,需要在该方面进行控制改进。在对彩虹测量方法的改进上面,首先提出一种一维彩虹测量方法。考虑到表征液滴在传播过程中参数的变化或空间分布情况,例如蒸发等物理过程。如全场彩虹技术等单点测量方法存在很大局限性。考虑将CCD采集信号中不同像素行上空间角度散射信息代替为不同空间高度上的散射信息,需要改变原有全场系统的路调制方法。改变激光照明方式,使点光源变成线光源,用来照射一维测量区域;改变光阑的设计布置,使得CCD能够对一维喷雾区域的彩虹信号进行捕捉。此外通过试验校准与开发新的信号处理算法,能够实现信号像素点与一维区域内测量点的对应匹配,使每点的彩虹信号最终以分立的横向明暗条纹的形式呈现,并对每一点彩虹条纹进行数字化反演处理,从而得到一维各点喷雾区域的液滴多参数信息。其次,提出一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法,借助两种波长的单色激光下介质折射率的差异找到对应彩虹角的差异,结合彩虹角与CCD像素点之间的关系,可以对彩虹绝对散射角进行标定。通过利用基于Lorenz-Mie散射理论的全场彩虹模拟程序与全场彩虹反演软件进行了模拟验证并与实验结果吻合,结果表明该方法的可行性。在彩虹表征的测量对象方面,总结了颗粒存在形式的研究框架,结合声悬浮手段对回转椭球体,特别是含固液滴的特征进行了分析。实验表明含固液滴中固体颗粒这种随机分布不影响对液体介质参数的反演。并利用理论模型对含有几种不同复折射率条件的固态核心进行了研究,在雾化液滴粒径变化范畴内消光效率因子为2附近的米氏震荡。并研究了固体颗粒位置对彩虹散射的干扰作用,发现沿彩虹主峰散射角区域所对应光线传播路径上分布的固体颗粒,同等粒径条件下干扰作用要远大于在液滴其他位置。在原位测量应用方面,一是对液体不同混溶状态进行了研究,尤其是双峰彩虹的反演算法。对纯水和纯乙醇的混合彩虹信号,引入该算法可以得到水和乙醇的折射率分别为1.3336和1.3653,这与理论值一致;且平均粒径分别是39和50μm;体积比分别是0.51和0.49。对乙醇扇形喷雾沿流场传播方向不同高度处的温度与粒径变化进行了测量,观察到由于蒸发作用温度与液滴的下降趋势。进一步对透明管道内碱性溶液喷雾在酸性气氛中有浊化吸收反应的情况进行了在线测量,实验表明反应过程中液滴化学组分的变化可以很好地与液滴内部含固浓度对应起来。综合以上的研究展望地提出了一种二维彩虹测量的概念,将一维技术与自标定技术进行结合,对一个平面的多个空间未知的液滴进行测量,同时记录空间位置、粒径、折射率三个量,并连续采集得到速度、蒸发速率、组分或温度变化三个变量;特别地,考虑引入含固液滴在吸收性方面的结论,则主峰光强绝对值的变化可以表示液滴的含固量。探索一种测量信息高度压缩的、高效完备的方法。为深入推动复杂颗粒物流场的在线多参数表征提供了实验手段。
【图文】：
高度处的折射率及Ｃ0２巧收浓度，最终得到随时间演变的Ｃ0２巧收流量，该实逡逑验结果与等效直径为４０／５０／６（Ｈｕｎ液滴利用基本的传质模型模拟的结果比对情况逡逑如图１－３所示。开始阶段，ＧＲＴ测量的结果稍低于模拟结果；在巧收的中间阶逡逑段，，ＧＲＴ实验流量值要远高于模拟值；在吸收实验的最后阶段，液滴的饱和时逡逑间或高度与模拟结果相吻合。逡逑Ｉ逡逑＾—．逦Ｉ逦化巧逦？ＥｘｐｅｎｍｅｎｔａｌＲｕｘ邋（ＧＲＴ）逡逑ｒ逦Ｎ逦Ｉ逦邋ｉ逦．ＳｍｉｔＸｅｄｆｌｕｘｆｏｒ邋…ｅｑｕｉ？ｌｅｎ？ｄｍｐＷｄ？ｍｅｔｅｆａｆ４0Ｍｍ逡逑化逦＼逦Ｕ＾Ｂｅｗ＊ｗｒ逦Ｉ邋＾邋０l铃危垮澹樱椋恚酰欤幔簦澹溴澹妫欤酰澹妫铮蝈澹希裕鳎辏酰椋觯幔簦澹睿殄澹洌颍铮穑族澹洌椋幔恚澹簦澹蝈
本文编号：2578768
【图文】：
高度处的折射率及Ｃ0２巧收浓度，最终得到随时间演变的Ｃ0２巧收流量，该实逡逑验结果与等效直径为４０／５０／６（Ｈｕｎ液滴利用基本的传质模型模拟的结果比对情况逡逑如图１－３所示。开始阶段，ＧＲＴ测量的结果稍低于模拟结果；在巧收的中间阶逡逑段，，ＧＲＴ实验流量值要远高于模拟值；在吸收实验的最后阶段，液滴的饱和时逡逑间或高度与模拟结果相吻合。逡逑Ｉ逡逑＾—．逦Ｉ逦化巧逦？ＥｘｐｅｎｍｅｎｔａｌＲｕｘ邋（ＧＲＴ）逡逑ｒ逦Ｎ逦Ｉ逦邋ｉ逦．ＳｍｉｔＸｅｄｆｌｕｘｆｏｒ邋…ｅｑｕｉ？ｌｅｎ？ｄｍｐＷｄ？ｍｅｔｅｆａｆ４0Ｍｍ逡逑化逦＼逦Ｕ＾Ｂｅｗ＊ｗｒ逦Ｉ邋＾邋０l铃危垮澹樱椋恚酰欤幔簦澹溴澹妫欤酰澹妫铮蝈澹希裕鳎辏酰椋觯幔簦澹睿殄澹洌颍铮穑族澹洌椋幔恚澹簦澹蝈
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