Mie理论在静态光散射粒度测量的应用下限研究

测量下限是光散射颗粒测试技术的关键问题。本文通过理论分析、比较归一化散射光强的分布图和构造方差函数F(d)对颗粒散射光的光强分布进行了定性和定量的讨论,对Mie散射向Rayleigh散射趋近的情况进行了分析,讨论了散射光光强大小的分布,分析了测量不同粒径的颗粒的可行性,最终得到在入射光源是波长为0.6328μm的He-Ne激光器的情况下,当粒径d取200nm以上时,不同粒径颗粒的M ie散射光强分布有较大差别,适合用静态光散射的方法来判断颗粒粒径。     

基于Mie散射理论的微球体颗粒数值模拟计算和实验研究

应用Mie散射理论,在散射角0～π范围内,模拟微球体颗粒的散射光强度与粒径大小的变化关系,分析了相对折射率的大小对散射光强度的影响;在实验装置条件下,分别模拟了散射光强度与粒径大小的变化关系及2um、5um、10um三种粒子的散射光强度与波长的变化关系。实验验证了数值模拟与实验结果基本一致,也证明实验中粒子散射遵从Mie散射理论模型。     

颗粒层状结构对散射特性及激光粒度测量的影响

根据Aden-Kerker理论,对双层颗粒前向散射特性进行了研究。在此基础上,分别用衍射理论、Mie理论和Aden-Kerker理论计算了散射系数矩阵并采用非独立模式算法进行反演。数值计算结果表明,双层颗粒的散射光强由颗粒折射率和内外径决定,在实际的激光前向散射粒度测量中,如果沿用Fraunhofer衍射理论或Mie理论计算系数矩阵,在测量双层颗粒时,反演结果会有一定的误差。相比于Mie理论,衍射理论的反演误差更大。     

基于光纤传感技术的油液污染度软测量研究

采用基于Mie理论的激光散射法测量油液污染度时,油液污染度与监测参数——入射光强、散射光强、出射光强以及颗粒参数之间存在着复杂的非线性关系,给油液颗粒污染度的准确测量带来困难。利用支持向量机优良的非线性映射和强大的泛化能力,建立了一个基于最小二乘支持向量机的油液污染度软测量模型,给出了相应的系统结构和算法;仿真和实际运行结果表明基于LS-SVM的油液污染度软测量模型具有较高的估算精度与泛化能力,为油液污染度的在线测量提供了一种简单、可靠的新方法。     

前向大角度法测量亚微米级颗粒

采用Mie散射理论,分析了亚微米级颗粒散射光角度分布特征,研究了粒径、折射率等参数对散射光分布特点的影响.研究发现,将散射光强度的角度分布进行归一化后,前向30°部分范围内的分布特性近似为线性,且呈现斜率与颗粒粒径相关,而与折射率无关的特点.在此基础上,本文中提出一种新的测量方法--前向大角度法,即通过测量散射光在前向30°范围内的光强线性变化的斜率来直接得到亚微米级颗粒的平均粒径.文中讨论了该方法的适用范围、近似表达式、误差分析等.     

超细颗粒物近场散射光场分布特性研究

为研究超细颗粒物近场散射光强分布的特性,应用了时域有限差分方法系统对不同尺寸微小颗粒的近场散射光强进行分析。对于单颗粒的散射光场,颗粒越小,散射光主要表现为各向同性,随着颗粒增大,前向散射光将占主要部分,这与传统的Mie散射理论相一致。对于紧靠的两个颗粒,由于多重散射的作用,散射光场表现出更多的复杂性,两个颗粒的排列方式不同也会对结果有较大影响。这些结果为进一步分析复杂颗粒系统的光散射特性提供了基础。     

经典Mie散射的数值计算方法改进

在光散射颗粒测量技术中,Mie散射理论的计算非常重要。本文介绍一种改进的Mie散射数值计算方法,通过对Mie散射系数进行重新构造,找到参量来控制Mie计算的收敛和计算精度。对各有关参量选用合适、稳定的递推关系进行计算。数值计算结果表明该方法具有快速、稳定的优点,可以在极大的颗粒粒径和折射率范围内得到合理结果。     

基于图像光散射颗粒粒度测量方法研究

研究了基于图像的光散射颗粒粒度测量系统。结合图像处理技术,提出一种最小二乘原理圆拟合光环定中方法,设计CCD探测器光环尺寸与颗粒粒级划分数目。搭建了颗粒光散射图像测量硬件系统,利用非独立模式差分进化算法反演出颗粒粒度。通过8种聚苯乙烯乳胶球标准颗粒实验对测量系统准确性进行验证,测量误差在3%之内;对2种不同体积分数的大豆蛋白乳液进行了测量,与图像粒度仪对比偏差在5%之内。实验结果表明:采用最小二乘原理圆拟合方法定中提取到的散射光能与理论分布更加吻合,35环的光环划分方式有利于获得相对良态特性的光能系数矩阵,该测量方法为颗粒粒度测量提供了一种光散射法有效改进方式。     

纳米及微米磁性颗粒在长波长下的光散射特性分析

根据Mie散射理论,分析计算了纳米级、微米级磁性颗粒的光散射特性。针对目前在导航、遥控及雷达等行业广泛应用的纳米、微米磁性颗粒,在Mie散射系数中引入磁导率变量,对比分析了磁性与非磁性颗粒、吸收性与非吸收性颗粒的散射特性规律。数值计算结果表明,磁导率的变化对具有吸收性磁性颗粒的散射特性造成影响,随着磁导率的增大,颗粒的散射光强及吸收性能将逐渐增大,同时磁导率增大对颗粒散射特性的影响将会受到复折射率实部的制约。     

偏振比法的微小颗粒粒径反演研究

在Mie散射理论的基础上推导了偏振比法微纳颗粒检测理论.该理论避免了检测光路中气体组分对颗粒测量的影响,实现了微纳颗粒的准确测量.在检测理论的基础上建立了颗粒粒径反演模型,并引入遗传算法对偏振散射光信号进行分析.通过MATLAB仿真研究,获得偏振比法颗粒粒径测量范围为0.1~0.5μm.对服从R-R分布的均匀球形颗粒群进行模拟仿真,通过加入随机噪声模拟实际测量时的外界干扰,根据反演结果对该方法的抗噪性和精度进行了评测.     

大粗糙度起伏下一维海面声散射建模与分析

针对起伏海面高频声散射计算问题,提出了一种改进的基尔霍夫(Kirchhoff)近似方法。该方法考虑了海面的阴影区和亮区之间的多次散射声场,可对小入射角下大粗糙度起伏海面的散射声场进行计算。以一维余弦和高斯谱海面散射声场的有限元计算结果为标准解验证了所提方法的准确性和适用性。利用该方法计算了一维余弦海面的散射强度,分析了不同入射声波频率和角度下海面散射强度的分布情况,并解释了Bragg散射的产生机理,同时讨论了不同海面均方根高度和相关长度情况下高斯谱海面散射强度的变化规律。     

Diesel oil pool fire characteristic under natural ventilation conditions in tunnels with roof openings

In order to research the fire characteristic under natural ventilation conditions in tunnels with roof openings, full-scale experiment of tunnel fire is designed and conducted. All the experimental data presented in this paper can be further applied for validation of numerical simulation models and reduced-scale experimental results. The physical model of tunnel with roof openings and the mathematical model of tunnel fire are presented in this paper. The tunnel fire under the same conditions as experiment is simulated using CFD software. From the results, it can be seen that most smoke is discharged directly off the tunnel through roof openings, so roof openings are favorable for exhausting smoke. But along with the decrease of smoke temperatures, some smoke may backflow and mix with the smoke-free layer below, which leads to fall in visibility and is unfavorable for personnel evacuation. So it is necessary to research more efficient ways for improving the smoke removal efficiency, such as early fire detection systems, adequate warning signs and setting tunnel cap.     

球形粒子对平面偏振光散射的数值计算与分析

论文在Mie理论基础上,给出了球形粒子对平面偏振光的散射强度和散射系数公式,利用连分式递推算法进行了编程计算,重点对1.06μm激光的模拟结果进行了分析.从得到的散射图像可以看出,散射强度角分布与散射粒子尺度有密切关系,随着粒子尺度的逐渐增大,散射光强主要集中到前、后向散射方向,集中的角度越来越窄,模拟结果明显出现了散射强度最弱的极值角,且该极值角随粒径的增大而增大,最后逼近90°方向.散射强度角分布与波长有关,当它们在同一数量级时达到最大值,与散射粒子折射率无关.该递推算法因为每一步计算都是独立的,与前后项的准确性没有关系,不存在不稳定、发散等情况,能够计算粒径参数范围从10-4开始,对上限不受任何限制.     

薄壳目标的多基地声散射特性研究

文章对水中薄壳目标的多基地声散射特性进行了理论仿真与试验测量研究。首先采用有限元耦合边界元和基尔霍夫(Kirchhoff)近似积分两种不同的数值计算方法对内部充气球冠圆柱壳的多基地声散射特性进行建模仿真,然后通过目标在消声水池的散射声场试验测量验证仿真结果的有效性。采用相同的数值计算方法对Benchmark模型的多基地散射声场进行仿真计算,分析多基地(全向)声散射特性及散射机理。结果表明,水中目标多基地散射的回波强度与回波结构与多基地分置角相关,且回波亮点的主瓣宽度也随多基地分置角变化而变化;Benchmark模型的艇体和指挥舱之间存在强烈的干涉作用,使多基地(全向)散射声场的竖状条纹发生倾斜。研究为水下目标的多基地探测提供理论支持。     

Effects of Different Ceilings in a Burning Compartment on Smoke Hazard with Single Heat Action Analysis Added

This paper conducts a series of tests with different roof ceiling materials and focuses on the analysis of CO released . One quarter scale experiment device of a typical L-shape architecture structure including a burning room and an adjacent hallway is established to carry out the research. The smoke characteristics at the sampling points below the ceiling of the burning compartment and the roof of the hallway are studied systematically to find out the effects of different ceilings on the local fire origin compartment and the smoke transportation to a remote area. A series of tests is reported and the smoke residence time, the concentration peak and the concentration build up rate are investigated as functions of the type of the ceiling. The smoke residence time, the most important factor concerning smoke toxicity, is described by a novel concept, wavelength, in this study. Furthermore, it is worth emphasizing that the PVC ceiling exhibits a phenomenon of frequent collapse during the fire developing period. The single heat action is conducted to judge the smoke and the heat effect on the fire risk.     

随机起伏界面声散射的实验与理论研究

进行了二维粗糙海面声波散射特性的水池实验,测量了不同入射角、散射角以及方位角条件下所对应的散射强度。实验通过不同位置风扇对水面的吹拂获得粗糙水面,分别对水平面上互相垂直的两个方向上的水面波高变化进行了测量,利用周期图法估计出这两个方向上的空间功率谱,验证了实验中的粗糙水面是各向同性的。利用改进的空间域处理技术去除了总声波信号中的直达波和其他固定位置散射体的散射信号,获得了粗糙水面的声波散射信号。利用小斜率近似方法计算了二维粗糙海面的声散射特性。实验与模拟计算结果比较,证实了计算二维粗糙海面声波散射特性的小斜率近似方法的有效性与准确性,相互印证了实验与理论。     

稳定线性热分层环境下火灾烟气羽流=积分解及实验分析

对稳定线性热分层环境下湍浮力羽流无量纲积分方程首次采用数值解法进行求解，得出浮力通量、动量通量等参量在轴线上的变化规律以及羽流中性浮力点的高度和羽流最大上升高度。2种不同尺度空间及不同烟气羽流出口条件的实验表明，实际火灾烟气羽流最大上升高度与理论计算结果及文献经验公式相符，从而表明积分模型数值解的有效性，并为高大空间火灾烟气输运规律研究及探测技术发展提供了理论及实验依据。     

大气悬浮颗粒PM10对感烟火灾探测器本底效应研究

针对大气污染引起的悬浮颗粒,尤其是可吸入颗粒（PM10）对感烟火灾探测器产生的本底效应进行了分析，并以离子型感烟探测器为例对本底值进行计算，通过比较，显示不同程度的大气颗粒物污染对感烟探测器本底影响的差异极小，排除了感烟探测器在悬浮颗粒污染严重地区发生灵敏度和误报率升高的可能。确认目前各国感烟火灾探测器检测标准对灵敏度指标的规定可以统一，粒子计数等高分辨率颗粒浓度测量技术的发展将使该本底效应的影响不可忽略。     

双层球形颗粒的光散射计算

在光散射颗粒测量技术中,Mie散射理论的计算非常重要。本文中讨论了双层球形颗粒光散射的计算方法,对计算过程中不同函数参量选用了合适的递推计算方法,改进的计算方法克服了以前算法在实际运算中遇到的误差。计算了若干物理量,如消光系数、散射系数、吸收系数以及CPU运算速度。计算结果表明,选用的方法简单、迅速、稳定且误差小。