彌散顆粒輻射反問題的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、粒子態(tài)物質(zhì)廣泛存在于化工、冶金、動(dòng)力、建筑、醫(yī)藥、生物、食品、航天、軍事及大氣科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。典型的含粒子介質(zhì)包括：含炭黑及飛灰的火焰、隱身涂料、感光膠片、大氣氣溶膠及火箭尾噴焰等。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴焰內(nèi)含有大量高溫金屬氧化物粒子，研究噴焰的紅外輻射特征，必須掌握高溫粒子的光譜輻射物性。復(fù)折射率（光學(xué)常數(shù)）屬粒子的基本輻射物性參數(shù)，與其組份、溫度、表面狀況有關(guān)。由于粒子的比表面積比其塊狀物質(zhì)大得多，且高溫粒子易聚集成團(tuán)，導(dǎo)致粒子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

2、因此，粒子的光學(xué)常數(shù)與同材料的塊狀物質(zhì)不同，需單獨(dú)研究。粒子的復(fù)折射率不能直接通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量，須由實(shí)驗(yàn)測(cè)定其它量，然后結(jié)合相應(yīng)的反問題模型求解。
　　論文對(duì)粒子輻射問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)地分析，主要完成以下四方面的研究工作：
　　1.系統(tǒng)分析了粒子輻射正問題的求解。采用離散偶極子近似法、T矩陣法和廣義多球Mie理論，從電磁理論出發(fā)，對(duì)非球形粒子和聚集粒子的輻射物性進(jìn)行了數(shù)值模擬。通過與等效球形粒子輻射物性的對(duì)比分析，考察了不同尺度

3、參數(shù)、不同形狀比例參數(shù)和不同復(fù)折射率下，非球形粒子的吸收因子、散射因子、衰減因子和散射相函數(shù)等參數(shù)與等效球形粒子的偏差程度與變化規(guī)律。同時(shí)考察了聚集粒子中考慮組分粒子之間相互作用時(shí)對(duì)輻射物性的影響規(guī)律以及不同形狀的聚集粒子對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算的影響。最后介紹了粒子系輻射特性的計(jì)算方法。
　　2.開展了基于智能微粒群優(yōu)化（PSO）求解的含粒子介質(zhì)輻射反問題研究。采用隨機(jī)微粒群算法（SPSO）和多相微粒群優(yōu)化算法（MPPSO）反演粒子系的各種

4、輻射物性參數(shù)（如吸收系數(shù)、散射系數(shù)、相函數(shù)、光學(xué)厚度和反照率等）和幾何參數(shù)（如粒徑分布），同時(shí)對(duì)各種PSO算法的反演精度和收斂特性等進(jìn)行了探討。
　　3.建立了基于等效光譜透射比的高溫球形粒子和非球形粒子復(fù)折射率的反演模型。兩個(gè)模型均基于完整的輻射傳遞方程，考慮了粒子的本身輻射和散射增強(qiáng)。同時(shí)，對(duì)兩個(gè)反演模型的解的單值性區(qū)間進(jìn)行了詳細(xì)的分析，得到確保模型具有單值性的粒子尺度參數(shù)和復(fù)折射率的范圍。通過對(duì)復(fù)折射率已知的粒子進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)

5、和反演模擬，驗(yàn)證了本文所建模型的正確性，并分析了測(cè)量誤差對(duì)反演結(jié)果的影響。對(duì)輻射反問題的靈敏度進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，為高溫粒子復(fù)折射率反演的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　4.提出了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案并參與搭建了高溫粒子輻射特性綜合測(cè)量平臺(tái)。在國(guó)內(nèi)率先開展高溫粒子復(fù)折射率的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)臺(tái)兼顧粒子與塊狀材料輻射物性的測(cè)量，其中，光譜測(cè)量范圍從1mμ到25mμ，粒子試樣的最高測(cè)試溫度可達(dá)1500K。實(shí)現(xiàn)了對(duì)稀疏粒子系的懸浮和加熱，實(shí)現(xiàn)了不同溫度