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高温微粒红外辐射特性测量技术研究

作　者: 刘晓东
导　师: 戴景民
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 复折射率粒子辐射特性粒径分布微粒群算法
分类号: TP274.52
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

在化工、冶金、动力、建筑、医药、生物、食品、航天及大气科学等领域,存在大量粒子态物质。典型的含粒子介质包括:含炭黑及飞灰的火焰,催化反应器内反应物,射流及固体火箭尾喷焰等。固体火箭发动机喷焰内含有大量高温粒子Al₂O₃、MgO、ZrO₂和发射性气体H₂O、CO₂、CO。研究喷焰的红外特征,必须掌握高温粒子的光谱参数。粒子的光学常数（复折射率）属于基本物性参数,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,导致粒子表面状况复杂,因此,粒子的光学常数并不等同于构成粒子材料的光学常数。粒子的复折射率不能直接通过实验测量（没有直接测量的仪器）,须由实验测定其它量,然后结合相应的理论模型反求,属反问题研究。目前国内尚未开展高温粒子复折射率的研究。本课题来源于国家自然科学基金重点项目（编号:50336010）,红外辐射特性及传输的多尺度多参数分析项目的一部分,其目的是研制高温粒子光谱辐射特性测量装置,对高温粒子进行在线测量,通过该装置实现对高温粒子的光学特性的理论和实验研究,提供不同温度下的粒子的光学特性测量数据库。论文研究围绕建立高温粒子光谱辐射特性测量装置及其实验测量这一特殊性要求,对该测量装置研制中所涉及的粒子辐射特性测量原理、测量方法、光散射理论、测量模型参数优化及测量不确定度评价方法等内容进行了深入的研究,主要完成了以下几方面的研究工作:1.建立了高温粒子光谱辐射特性测量装置,并调试完善了该实验装置。在国内率先开展高温下光谱复折射率的实验,实验平台能兼顾粒子与块状材料测量。实现了对多（微）粒子的悬浮和加热,实现了不同温度与浓度的准稳定粒子空间分布场,为粒子辐射奠定了实验基础。2.研究利用粒子系透射率光谱,结合精确Mie散射理论及色散K-K关系式的均一系粒子光谱复折射率反演模型,建立了高温粒子的光谱复折射率反演模型,并对反演的单值性和多值性进行了分析,同时分析了测量误差对反演模型的影响。3.为了比照粒子的复折射率的求解结果,并在实验中更好地对粒子系的浓度和平均粒径进行有效的检测,本文基于Mie光散射理论及Lambert-Beer光透射定律,利用遗传算法反演粒子系粒径分布。并在Matlab环境下仿真,仿真验证粒子辐射特性的一些关键参数,得出该求解方法是合理的。4.针对粒径分布反演传统算法收敛精度不高、易陷入局部最优的缺点,根据粒子群的激光透射模型,提出一种基于随机微粒群算法（SPSO）反演粒子系粒径分布的快速有效方法,对于非独立模式下的R-R分布、正态分布、对数正态分布等粒子粒径分布情况进行了反演计算,获得了合理的粒径分布。5.在介绍了FT-IR光谱仪使用和FT-IR响应函数确定的基础上,描述了采用Al₂O₃压片的粒子透射率实验和Al₂O₃弥散粒子的透射率测量试验,结合高温粒子复折射率反演模型反演得到不同温度下的Al₂O₃粒子的复折射率,并对实验系统不确定度进行了详尽的分析。本论文的研究内容为不同温度下粒子光学常数测量数据库的建立奠定了坚实的理论和技术基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
第1章绪论  16-28
  1.1 课题背景及目的和意义  16-17
  1.2 粒子辐射问题的分类  17-18
  1.3 高温粒子实验国内外研究现状  18-19
  1.4 粒子辐射研究状况  19-26
    1.4.1 粒子光学常数（复折射率）的研究  19-22
    1.4.2 粒子物性反问题研究  22-25
    1.4.3 粒子粒径分布研究  25-26
  1.5 本课题的研究内容  26-28
第2章粒子复折射率的研究  28-44
  2.1 基本理论  28-32
    2.1.1 Lorenz-Mie散射理论  29-30
    2.1.2 粒子系透射率光谱的计算  30
    2.1.3 Kramers-Kronig关系式  30-32
  2.2 求粒子复折射率的均一系模型  32-36
    2.2.1 理论模型  32-33
    2.2.2 求解方法  33-36
  2.3 高温粒子复折射率求解模型  36-42
    2.3.1 正问题模型  37-38
    2.3.2 反问题模型  38-39
    2.3.3 模型适用范围分析  39-41
    2.3.4 高温煤灰粒子的模拟计算与误差分析  41-42
  2.4 本章小结  42-44
第3章高温粒子辐射特性实验平台的建立  44-65
  3.1 粒子系辐射特性  44-48
    3.1.1 独立散射与非独立散射  44-45
    3.1.2 稀疏粒子系的辐射特性  45-47
    3.1.3 粒径分布的影响  47-48
  3.2 高温粒子实验平台设计  48-49
    3.2.1 高温粒子试验平台设计技术指标  48
    3.2.2 高温粒子试验平台总体设计  48-49
  3.3 实验平台总体结构  49-64
    3.3.1 粒子加热炉及温度控制系统  50-58
    3.3.2 粒子筛分均布系统  58-61
    3.3.3 粒子辐射特性的红外傅立叶测量系统  61-64
  3.4 本章小结  64-65
第4章遗传算法与微粒群算法在粒度分析中的研究  65-100
  4.1 粒子系的粒径分布  65-69
  4.2 粒子反演理论  69-78
    4.2.1 反问题  69-71
    4.2.2 光散射法反演  71-72
    4.2.3 探测原理  72-73
    4.2.4 遗传算法简介  73-78
  4.3 粒径反演模型  78-81
    4.3.1 多波长法反演模型  78-80
    4.3.2 引入函数限制法的三波长法  80-81
  4.4 光透射衰减系数的实际计算  81-82
    4.4.1 尺度参数,复折射率和衰减系数的关系  81-82
  4.5 函数限制法反演仿真计算结果  82
  4.6 多波长法反演仿真计算结果  82-84
  4.7 随机微粒群算法(Stochastic PSO即SPSO)  84-98
    4.7.1 SPSO简述  86-90
    4.7.2 SPSO和PSO算法的标准函数的测试结果  90-91
    4.7.3 SPSO算法对非独立模式下的粒子系的粒径分布进行反演  91-98
  4.8 本章小结  98-100
第5章粒子光谱透射率测量实验与不确定度分析  100-127
  5.1 傅里叶红外光谱仪  100-106
    5.1.1 对傅里叶红外光谱仪SSE的标定  100-101
    5.1.2 对傅里叶红外光谱仪测量线性度的标定  101-102
    5.1.3 对傅里叶红外光谱仪自身噪声及背景噪声消除方法的研究  102
    5.1.4 光谱仪测量输出信号分析  102-103
    5.1.5 环境辐射补偿算法  103-104
    5.1.6 光谱仪响应函数  104-106
  5.2 常温粒子复折射率反演的实验研究  106-113
    5.2.1 粒径分布的测量  106-109
    5.2.2 压片的制作  109-110
    5.2.3 透射率实验  110-113
  5.3 高温弥散粒子系透射率实验  113-122
    5.3.1 弥散粒子系透射率实验过程  114-116
    5.3.2 实验结果与分析  116-119
    5.3.3 国内外文献中有关Al_2O_3 复折射率的数据  119-122
  5.4 不确定度分析  122-125
    5.4.1 不确定度来源分析  122-123
    5.4.2 不确定度分量的评定  123-125
  5.5 本章小结  125-127
结论  127-129
参考文献  129-140
附录  140-141
攻读学位期间发表的学术论文  141
攻读学位期间申请专利  141-143
致谢  143-144
个人简历  144

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