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弥散颗粒辐射反问题的理论与实验研究

作　者: 齐宏
导　师: 谈和平；阮立明
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 工程热物理
关键词: 粒子辐射辐射反问题粒子光学常数等效光谱透射比辐射测量
分类号: V520.6
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-18
符号表  18-21
第1章绪论  21-41
  1.1 研究背景及意义  21-23
  1.2 粒子辐射问题的特点和分类  23-24
  1.3 国内外研究状况  24-39
    1.3.1 非球形粒子辐射特性的研究状况  24-29
    1.3.2 聚集粒子辐射特性的研究  29-32
    1.3.3 介质辐射反问题的研究  32-34
    1.3.4 粒子光学常数（复折射率）的研究  34-38
    1.3.5 高温粒子辐射特性的实验研究  38-39
  1.4 本文主要研究内容  39-41
第2章粒子辐射特性正问题  41-85
  2.1 电磁散射理论  41-47
    2.1.1 极化电磁波  43-44
    2.1.2 散射振幅矩阵  44
    2.1.3 斯托克斯参量  44-46
    2.1.4 吸收截面、散射截面和衰减截面  46-47
  2.2 Mie 散射理论  47-48
  2.3 离散偶极子近似法求解非球形粒子辐射特性  48-59
    2.3.1 非球形粒子取向的描述及其辐射特性参数的定义  48-50
    2.3.2 非球形粒子 DDA 模型的基本理论  50-52
    2.3.3 DDA 模型及其适用范围  52-53
    2.3.4 DDA 模型的精度分析  53-56
    2.3.5 计算与分析  56-59
  2.4 T 矩阵法求解非球形粒子的辐射特性  59-71
    2.4.1 T 矩阵模型的基本理论  59-62
    2.4.2 计算与分析  62-69
    2.4.3 T 矩阵法和DDA 法的比较分析  69-71
  2.5 聚集粒子的辐射特性  71-81
    2.5.1 GMM 理论模型  72-74
    2.5.2 GMM 模型的精度分析  74-76
    2.5.3 聚集粒子辐射特性的计算  76-79
    2.5.4 聚集粒子之间的相互作用对辐射传输的影响  79-81
  2.6 粒子系的辐射特性  81-84
  2.7 本章小结  84-85
第3章粒子系辐射反问题的智能微粒群优化算法  85-137
  3.1 辐射反问题的基本理论  85-91
    3.1.1 反问题的特点和难点  85-89
    3.1.2 辐射反问题的特点和分类  89-91
  3.2 辐射传输方程的求解  91-96
  3.3 智能微粒群算法的基本原理和改进模型  96-103
    3.3.1 PSO 算法研究现状  96-98
    3.3.2 PSO 算法的基本原理  98-100
    3.3.3 PSO 算法的优缺点和改进模型  100-103
  3.4 介质辐射特性的微粒群反演模型  103-128
    3.4.1 随机微粒群优化反演模型  103-116
    3.4.2 多相微粒群优化模型  116-128
  3.5 粒径分布的多相微粒群优化反演  128-135
    3.5.1 粒径分布测量原理  130-132
    3.5.2 粒径分布 MPPSO 反演结果与分析  132-135
  3.6 本章小结  135-137
第4章反演高温粒子光学常数的理论模型  137-159
  4.1 基于等效透射比的球粒子复折射率反演模型  137-153
    4.1.1 正问题模型—等效光谱透射比的计算  137-138
    4.1.2 反问题模型—光谱复折射率的反演  138-141
    4.1.3 反问题的灵敏度和适用范围分析  141-150
    4.1.4 反演算例与分析  150-153
  4.2 非球形粒子复折射率的反演  153-157
    4.2.1 非球形粒子复折射率的反演模型  154
    4.2.2 非球形粒子复折射率反演模型的适用范围  154-156
    4.2.3 反演算例与分析  156-157
  4.3 本章小结  157-159
第5章粒子辐射特性综合测试实验平台的研制  159-175
  5.1 粒子加工制备系统和粒径测量系统  159-161
  5.2 高温粒子辐射测量实验台总体结构  161-163
  5.3 高温粒子辐射测量实验台各组成部分  163-170
    5.3.1 粒子加热及温度控制系统  163-165
    5.3.2 粒子筛分均布与悬浮系统  165-167
    5.3.3 粒子系辐射特性的红外傅立叶测量系统  167-170
  5.4 傅立叶光谱仪自身噪声及背景噪声消除方法的研究  170-174
    5.4.1 光谱仪测量输出信号分析  170
    5.4.2 环境辐射补偿算法  170-172
    5.4.3 光谱仪响应函数  172-174
  5.5 本章小结  174-175
第6章三氧化二铝粒子复折射率的实验研究  175-196
  6.1 Al_2O_3 粒子复折射率的国内外研究现状  175-179
  6.2 常温Al_2O_3粒子复折射率的实验研究  179-188
    6.2.1 傅立叶分光仪的准直和校正  180-182
    6.2.2 压片的制备  182
    6.2.3 压片实验结果与分析  182-188
  6.3 高温Al_2O_3粒子复折射率的实验研究  188-195
    6.3.1 粒子平均粒径的选取  188-190
    6.3.2 粒子浓度和数密度的测量  190
    6.3.3 高温粒子系等效透射比的实验测量过程  190-191
    6.3.4 高温粒子复折射率的反演  191-193
    6.3.5 实验结果的不确定度分析  193-195
  6.4 本章小结  195-196
结论  196-199
参考文献  199-216
攻读博士学位期间所发表的学术论文  216-221
致谢  221-223
个人简历  223

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