基于太赫茲技術(shù)的多相流檢測(cè)研究.pdf

1、多相流廣泛地存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多相流動(dòng)現(xiàn)象在化工、石油、動(dòng)力、原子能、環(huán)保、輕工等許多工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合中變得越來(lái)越重要，深入研究多相流動(dòng)過(guò)程對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)和人類的生活都具有極其重要的意義。但是，由于多相流流動(dòng)特性復(fù)雜，多相流參數(shù)檢測(cè)的難度相當(dāng)大，現(xiàn)有的多相流檢測(cè)技術(shù)大都還局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，遠(yuǎn)未能滿足科學(xué)研究和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用要求。因此，多相流參數(shù)檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)成為多相流研究和發(fā)展的制約性因素。
　　 太赫

2、茲波通常是指頻率在0.1～10THz(1THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁波，與其它波段的電磁波相比，太赫茲波段是電磁波譜中最后一個(gè)有待全面研究的重要頻段。太赫茲波具有安全性好，穿透力強(qiáng)，光譜靈敏度高等諸多特點(diǎn)。但是由于太赫茲波段的輻射源和檢測(cè)手段在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)非常困難，所以太赫茲波段的相關(guān)研究曾一度處于停滯不前的狀態(tài)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和超快激光技術(shù)的飛速發(fā)展，太赫茲技術(shù)在20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始得到了蓬勃的發(fā)展。
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3、茲技術(shù)作為一種新興檢測(cè)手段，它在基礎(chǔ)研究、天文觀測(cè)、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測(cè)，乃至現(xiàn)代通信技術(shù)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，太赫茲技術(shù)在多相流領(lǐng)域的檢測(cè)研究還處在探索的階段，相關(guān)的研究和文獻(xiàn)報(bào)道極其有限。
　　 本文嘗試將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于多相流的檢測(cè)中，探索太赫茲技術(shù)應(yīng)用于多相流領(lǐng)域的可行性與潛在應(yīng)用前景。重點(diǎn)研究了將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于氣固兩相流固相濃度的檢測(cè)和燃燒溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)重建這兩方面內(nèi)容。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如

4、下：
　　 1)提出了基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的氣固兩相流固相濃度測(cè)量新方法。該方法克服了光學(xué)測(cè)量方法在高顆粒濃度的氣固兩相流體(>1％)中不再適用的困難，能夠?qū)崿F(xiàn)高顆粒濃度條件下氣固兩相流固相濃度的測(cè)量。研究結(jié)果表明，基于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的固相濃度測(cè)量方法無(wú)論是衰減模式還是時(shí)間延遲模式都能夠有效地實(shí)現(xiàn)高濃度顆粒條件下氣固兩相流固相濃度的測(cè)量。同時(shí)，基于時(shí)間延遲模式的氣固兩相流固相濃度測(cè)量方法精度更高，線性度更好。
　　

5、 2)應(yīng)用ISA、EFA和QCA理論模型對(duì)高顆粒濃度條件下稠密相氣固兩相流中的電磁波的傳播和散射規(guī)律進(jìn)行了理論分析，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。研究結(jié)果表明，在三種模型中QCA模型的理論預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果最為相符，QCA模型是一種比較適合于稠密相氣固兩相流測(cè)量結(jié)果分析的模型。
　　 3)本文研究了顆粒的粒徑和顆粒的相對(duì)介電常數(shù)對(duì)氣固兩相流固相濃度的測(cè)量產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明，在稠密相氣固兩相流中顆粒粒徑對(duì)基于衰減模式或基于

6、時(shí)間延遲模式的測(cè)量方法不產(chǎn)生明顯的影響。但是顆粒的相對(duì)介電常數(shù)會(huì)對(duì)基于衰減模式和基于時(shí)間延遲模式的測(cè)量方法產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)顆粒材料的相對(duì)介電常數(shù)的虛部較大時(shí)，基于衰減模式的測(cè)量方法的誤差也會(huì)相對(duì)較大；當(dāng)顆粒材料的相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部較大時(shí)，基于時(shí)間延遲模式的測(cè)量方法的誤差相對(duì)較小。
　　 4)針對(duì)太赫茲光譜對(duì)極性氣體分子的變化極為敏感的特點(diǎn)，提出了基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜的雙光譜火焰溫度測(cè)量新方法。該方法不依賴

7、于火焰燃燒組分并且不干擾燃燒的流場(chǎng)。同時(shí)，根據(jù)HITRAN分子數(shù)據(jù)庫(kù)提供的光譜數(shù)據(jù)，建立太赫茲波段雙譜線測(cè)溫法中雙譜線的選擇準(zhǔn)則。
　　 5)基于雙譜線測(cè)溫方法提出了一種基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的燃燒溫度場(chǎng)重建新方法。選取了三對(duì)太赫茲波段的水分子譜線，利用ART算法對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行了重建。同時(shí)，本文分析了溫度場(chǎng)重建過(guò)程中，譜線強(qiáng)度比值和譜線強(qiáng)度比值的相對(duì)靈敏度變化對(duì)溫度場(chǎng)重建產(chǎn)生的影響。根據(jù)靈敏度變化的范圍，給出了不同譜線對(duì)的有效測(cè)溫

8、區(qū)間。提出了選用大轉(zhuǎn)動(dòng)量子數(shù)和大能級(jí)差的分子譜線對(duì)來(lái)提高測(cè)溫精度的方法。研究結(jié)果表明，基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的溫度場(chǎng)重建結(jié)果與實(shí)際燃燒情況一致，是一種可行的溫度場(chǎng)重建方法。
　　 6)對(duì)太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用于燃燒溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)的重建進(jìn)行了研究。提出了一種基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的燃燒溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)同時(shí)重建的新方法。研究結(jié)果表明，本文所提出的基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)同時(shí)重建的方法是有效的，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以為燃燒溫度