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纳米流体中颗粒运动特征的激光自混频测量方法研究

作　者: 王华睿
导　师: 沈建琪
学　校: 上海理工大学
专　业: 热能工程
关键词: 纳米流体布朗运动定向运动激光自混频技术时间自相关函数功率谱密度带通滤波技术反演计算
分类号: TN247
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

纳米流体中布朗运动和定向运动的共存对某些领域存在重要影响。例如，纳米流体的换热效率与流体内部的颗粒运动特征有密切关系；纳米分散系中粒径测量过程中微对流会产生定向运动和布朗运动共存，以至于影响到颗粒粒径测量结果的可信度。因此，有必要对流动情况下纳米颗粒(即纳米流体)的运动特性进行系统的研究。然而，获取这些特征的测量方法目前还很缺乏，研究并发展相应的测量方法和探测技术十分必要和紧迫。激光自混频技术由于结构简单、自准直、避免复散射、避免大颗粒影响和有效滤除杂散光等优点，使得越来越受到科技界的关注。据此，本文在借鉴以往的研究成果的基础上对该技术进行系统的研究。理论上，从Lang-Kobayashi速率方程和动态光散射理论为出发点，建立了纳米流体中颗粒运动特征的激光自混频测试方法的理论模型，得到了自混频信号的自相关函数和功率谱密度函数表达式。功率谱密度函数是两个Voigt函数之和。Voigt函数快速且精确的计算一直是工程上努力寻求的目标，本文对Silvina P.Limandri等人提出的关于Voigt函数的级数求和方法进行了改进，减少大量不必要的求和项，在确保精度的情况下大大提高了计算速度。利用改进方法数值计算了几种典型情况，包括：静态纳米溶液(纯布朗运动的情况)、大颗粒定向流体(纯定向流动的情况)和纳米流体(既包含布朗运动又包含定向流动的情况)，为实验平台的建立和实测奠定理论基础。实验上，设计了样品池，确保流体在管路中处于层流状态。设计了半导体激光器驱动电路，该电路具备电流稳定度高、电流上限限制、慢启动等功能，确保了激光器安全和稳定工作。设计了信号检测电路，该电路具备AC耦合、跨阻放大等特征，有效地滤除大直流信号且转变交流小信号为电压信号。实验测试几种常见的情况，实验测试结果中得出的规律与数值计算结果中得到的规率基本一致。对实验中出现的多普勒峰所呈现的不对称性，通过建立理论模型和数值计算，进行了合理解释。为了进行实时测量，进一步研究了纳米流体中颗粒运动特征的激光自混频在线测试方法。理论上分析了利用模拟带通滤波获取激光自混频功率谱的可行性，并进行了数值计算。实验上，设计了16通道带通滤波功率谱信号转换电路和单片机异步通讯传输电路。实验测试结果与理论和数值计算出的规律相符。最后，对颗粒参数反演进行了研究。在Kaczmarz投影算法的基础上，提出了一种改进的投影算法。研究表明：该测量技术能够有效的获取纳米溶液(无定向流动情况)中的颗粒粒径；当定向流速较低时，该测量技术在无需定向流速信息的前提下能够有效的获取纳米流体中的颗粒粒径；当颗粒粒径较大时，该测量技术在无需颗粒粒径信息的前提下有效地获取定向流速束腰比。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-11
第一章绪论  11-16
  §1.1 纳米流体测量的重要性  11-12
  §1.2 纳米流体的测量方法  12-14
  §1.3 课题的提出和本文的工作  14-16
    §1.3.1 课题的提出  14-15
    §1.3.2 本文的工作  15-16
第二章背景知识  16-29
  §2.1 颗粒粒径及粒径分布  16-19
    §2.1.1 单个颗粒的粒径  16-17
    §2.1.2 颗粒粒径分布  17-19
  §2.2 半导体激光器  19-22
    §2.2.1 结构和工作原理  19-21
    §2.2.2 输出激光特性  21-22
  §2.3 动态光散射理论  22-29
    §2.3.1 布朗运动  22-26
    §2.3.2 动态光散射  26-29
第三章纳米流体激光自混频测量理论  29-55
  §3.1 半导体激光器自混频理论  29-32
  §3.2 纳米流体激光自混频输出功率函数  32-35
  §3.3 自相关函数和功率谱密度函数推导  35-40
    §3.3.1 自相关函数理论推导  35-39
    §3.3.2 功率谱密度理论推导  39-40
  §3.4 功率谱密度的数值计算方法  40-45
    §3.4.1 原始级数求和方法  40-41
    §3.4.2 改进方案  41-43
    §3.4.3 两种方法的比较  43-45
  §3.5 自相关和功率谱密度的数值计算  45-52
    §3.5.1 佛克脱函数特征曲线  45-46
    §3.5.2 激光垂直/倾斜入射纳米溶液  46-47
    §3.5.3 激光垂直入射大颗粒流体  47-48
    §3.5.4 激光倾斜入射大颗粒流体  48-49
    §3.5.5 激光垂直入射纳米流体  49-50
    §3.5.6 激光倾斜入射纳米流体  50-52
  §3.6 小结  52-55
第四章纳米流体激光自混频实验系统与实测  55-84
  §4.1 样品池设计  56-60
  §4.2 半导体激光器的结构  60-61
  §4.3 电子系统  61-67
    §4.3.1 半导体激光器驱动电路设计  61-63
    §4.3.2 半导体激光器检测电路设计  63-65
    §4.3.4 信号采样  65-67
  §4.4 离散信号处理  67-71
    §4.4.1 离散信号的自相关运算  67
    §4.4.2 离散信号的功率谱估计  67-71
  §4.5 实验测量  71-78
    §4.5.1 静态纳米溶液的测量  71-72
    §4.5.2 激光垂直入射大颗粒流体的测量  72-73
    §4.5.3 激光垂直入射纳米流体的测量  73-76
    §4.5.4 激光倾斜入射纳米流体的测量  76-78
  §4.6 多普勒峰展宽的其他影响因素  78-83
    §4.6.1 多普勒峰展宽的影响 1  78-79
    §4.6.2 多普勒峰展宽的影响 2  79-83
  §4.7 小结  83-84
第五章纳米流体激光自混频在线测量技术  84-102
  §5.1 基于带通滤波的功率谱理论  84-86
  §5.2 带通滤波技术系统实验设计  86-93
    §5.2.1 十六路并行通道带通滤波技术设计  86-90
    §5.2.2 单片机信号采集系统设计  90-93
  §5.3 带通滤波的功率谱密度数值计算  93-95
    §5.3.1 激光入射纳米溶液  93-94
    §5.3.2 激光垂直入射大颗粒流体  94
    §5.3.3 激光垂直入射纳米流体  94-95
  §5.4 实验测量  95-100
    §5.4.1 静态纳米溶液的测量  95-98
    §5.4.2 激光垂直入射纳米流体  98-100
  §5.5 小结  100-102
第六章颗粒参数的反演  102-119
  §6.1 颗粒参数提取设想  102-104
  §6.2 颗粒粒径的反演  104-116
    §6.2.1 反演线性方程组  104-105
    §6.2.2 Kaczmarz 投影算法  105-107
    §6.2.3 系数矩阵元素的分布  107-110
    §6.2.4 超平面的夹角分布  110-112
    §6.2.5 改进的投影算法  112-113
    §6.2.6 颗粒粒径反演结果比较  113-116
  §6.3 颗粒定向流速束腰比值的反演  116-118
    §6.3.1 反演线性方程组  116
    §6.3.2 系数矩阵元素的分布  116-117
    §6.3.3 颗粒定向流速束腰比值的反演结果  117-118
  §6.4 小结  118-119
第七章总结及展望  119-122
  §7.1 工作的总结  119-121
  §7.2 工作的展望  121-122
附录一符号表  122-132
附录二 erfc(af)exp(a_f~2)函数计算  132-133
附录三 Voigt 函数计算参考值  133-135
参考文献  135-143
在读期间公开发表的论文及承担的科研项目  143-145
致谢  145-146
作者简历  146

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