有黏条件气泡声散射特性和衰减谱数值研究*

通过研究有黏条件下的气泡散射模型,数值分析水中单气泡声散射特性,进一步结合Beer-Lambert定律将其扩展到多气泡体系的声衰减预测。数值结果表明,随着谐波阶数递增,散射强度分布数值结果趋于稳定且前向散射增强。同时发现,无因次尺寸参量ka=0.1为过渡区与纯散射区的分界线,且在共振区间具有明显的吸收效应。对多气泡体系的声衰减预测也表明,ka 0.1时,该文气泡散射模型声衰减计算与经典ECAH模型结果吻合,在低浓度条件下声衰减谱随着剪切黏度的增加呈增宽趋势,且与体积浓度成正比例递增。模型预测的声衰减随粒径、声波频率、体积浓度分布数值特征能够为颗粒两相体系粒径及浓度表征提供理论依据。     

混合弹性颗粒体系声衰减数值模拟

采用概率统计方法——蒙特卡罗方法,建立一种预测液固两相体系中混合弹性球形颗粒声衰减的理论模型。在单颗粒声散射和吸收的基础上,将连续超声波抽象离散化为大量独立的声子,追踪声散射过程,通过统计接收器探测声子数最终确定声衰减系数。采用数值方法对单一球形颗粒的液固两相体系中声衰减进行预测和比较,确定了该方法的可行性后将该方法推广到混合颗粒体系中,对玻璃微珠/铁粉构成的混合颗粒及多分散混合颗粒体系进行数值研究。结果表明:在体积浓度低于10%时,蒙特卡罗法预测得玻璃微珠或铁粉颗粒声衰减和ECAH,Lloyd和Berry,Waterman等建立的模型结果吻合。对于混合颗粒构成的两相体系,算例中,随着体积浓度增大到10%,声衰减系数随混合颗粒数目比的变化呈现出了非线性的变化,同时颗粒物性也会影响不同组分颗粒对声衰减的贡献,算例中铁粉颗粒比玻璃微珠对声衰减的影响更大。      

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.     

两种按比例混合颗粒系的多次散射模拟

一种颗粒与其他种类的颗粒混合后, 会使其散射特性发生变化, 本文研究了水云中混有黑炭气溶胶后的散射特性变化. 根据Mie理论计算了水云和黑炭气溶胶散射相函数、单次散射反照率和不对称因子. 给出了混合颗粒系的蒙特卡罗模拟方法, 给出了颗粒碰撞类型抽样、自由程抽样和根据Mie相函数进行散射方向抽样的方法. 计算了光垂直入射时, 水云和黑炭气溶胶混合颗粒系的反射光强随观测角的变化, 并计算了平面反照率随入射角的变化, 讨论了黑炭气溶胶的有效半径、混合比例对整个混合颗粒系散射特性的影响. 计算结果表明, 水云中混合黑炭会加强其吸收, 且黑炭的比例和尺寸不同其散射特性差异较大.     

超声脉冲背向散射法测量悬浊液浓度的研究

本文报导了在不同浓度和不同粒径的水泥浆悬浊液中超声脉冲背向散射讯号的数字特征,主要是幅域和频域特征.对于不同的浓度范围,可以取不同的背向散射讯号特征量(如散射声强或散的衰减)来表征是浊液的浓度和粒径.对于低浓度范围,相对散射声强与浓度有较好的线性关系,对于高浓度范围,声强的散射衰减与浓度有较好的线性关系,高浓度与低浓度之间存在着过渡区域,在此区域内,散射声强随浓度的增加与散射衰减随浓度的增加呈动态平衡,因而在过渡区域内散射声强将与浓度无关,并与频率或粒径有关,当频率一定时,可确定粒径分布.     

20L球型罐内不同粒径铝粉扩散的数值模拟

20L球型爆炸罐是用于测试粉尘爆炸特性参数的标准装置之一。粉尘颗粒在密闭空间内的运动规律,对于研究粉尘的最佳点火延迟时间段有重要的作用。基于计算流体力学理论,对20L球型罐内的吹粉过程进行了数值模拟,监测了不同粒径的铝粉颗粒在20L球型罐内的分散情况,对比了不同铝粉颗粒粒径在罐内的沉降时间。结果表明:粉尘沉降的时间段随粉尘粒径的增大而减小,颗粒大小超过一定尺寸时,铝粉将不能在密闭空间内均匀扩散。     

水平管油水分散流液滴粒径及其分布规律研究

油水两相分散流是油水混输管道常见的流型之一,液滴是油水分散流的主要特征,液滴在油水两相管路中受到湍流惯性力、剪切力、界面张力、黏性力等多种力的作用而发生聚结和破裂,从而形成不同的液滴粒径及其分布。本研究采用高速摄像和显微照相两种方法研究了水平管中油水分散流的液滴粒径随混合流量、温度和含油率等参数的变化规律,并利用三种概率分布函数研究了液滴粒径的分布特性。研究结果表明:分散相液滴的Sauter平均直径随混合流量的增加而逐渐减小、随温度升高而逐渐增大、随含油率的增大而增大;液滴粒径的分布规律与Log-Normal和Frechet概率分布函数符合较好。     

超声脉冲背向散射法测量悬浊液浓度的研究

本文报导了在不同浓度和不同粒径的水泥浆悬浊液中超声脉冲背向散射讯号的数字特征，主要是幅域和频域特征。对于不同的浓度范围，可以取不同的背向散射讯号特征量（如散射声强或散射衰减）来表征悬浊液的浓度和粒径，对于低浓度范围，相对散射声强与浓度有较好的线性关系，对于高浓度范围，声强的散射衰减与浓度有较好的线性关系，高浓度与低浓度之间存在着过渡区域，在此区域内，散射声强随浓度的增加与散射衰减随浓度的增加呈动态平衡，因而在过渡区域内散射声强将与浓度无关，并与频率或粒径有关，当频率一定时，可确定粒径分布。     

水洗去除单乙醇胺气体和颗粒数值模拟

本文分两部分研究水洗对于单乙醇胺(MEA)的去除作用,一是吸收MEA气体,二是捕捉MEA液相颗粒,这两部分都从单一水滴的捕获机制开始,进而分析喷淋液滴群的吸收捕捉过程。模型计算结果表明,液滴粒径对于MEA气体吸收和颗粒捕获这两方面的影响是不同的,存在最佳的液滴粒径,使得联合脱除气体和颗粒的效率达到最高。喷淋初始速度对气体吸收和颗粒捕获过程的影响规律截然不同。在颗粒粒径0.5~10μm的范围内,颗粒越小越难脱除。     

三维混合沙输运数值模拟

采用计算流体力学和颗粒离散元耦合的方法模拟了三维混合沙输运过程。采用体平均的Navier-stokes方程来描述气相运动,考虑了气相和颗粒相的相互作用。颗粒运动通过求解牛顿运动方程来求解,采用硬球模型描述颗粒和颗粒及颗粒和壁面的碰撞。本模型中,颗粒运动是三维的而气相运动是二维的。计算结果表明:总输沙率沿高度方向在大于2cm以上按照指数衰减,在2 cm以下则偏大;各粒径颗粒具有不同的输沙率分布,粗粒径颗粒按指数规律衰减,其它粒径颗粒输沙率随高度先指数增加后减少;各粒径颗粒平均水平速度随高度对数函数增加且同高度时随粒径增大而减小,1 cm高度以下则相反;沙粒平均粒径沿高度线性递减,2 cm以下粒径偏大。     

利用低相干光纤动态光散射法测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径分布

本文针对高浓度散射介质,用低相干光纤动态光散射技术测量浓悬浮液中多分散颗粒系的粒径及其粒径分布。利用迭代CONTIN算法对实验数据进行反演运算,得到多分散颗粒系的粒径分布结果。结果表明,浓悬浮液中多分散颗粒系的峰值粒径测量值与给定的两种标准粒径值相吻合,其误差在4%之内,粒径分布曲线中各散射颗粒所反映的散射体光强分布与根据Mie散射计算得到的理论值相吻合。实验结果证明低相干光纤动态光散射实验系统能准确测量浓悬浮液中多分散颗粒粒径及粒径分布。     

动态光散射法生物柴油黏度实验研究

本文基于动态光散射法,对体积分数为0.01%的SiO_2/H_2O颗粒分散体系,测量了SiO_2平均粒径为237.57nm,测量结果的相对不确定度为2.28%。进而测量了30、40°℃生物柴油/SiO_2颗粒分散体系,在30℃时黏度测量结果与毛细管法结果一致,测量的黏度平均值为4.86 mPa·s,测量结果的相对不确定度为4.64%。在40℃时,衰减时间随测量时间增加而增加,表明纳米颗粒出现团聚,分散稳定性变差。     

米散射理论在新型导光板中的应用

根据米散射理论,提出了新型导光板的设计思路,计算并分析了对于一定波长的入射光,不同粒径的微粒的散射特性。总结了随着微粒粒径的变化,散射效率、消光效率与背向散射效率的变化规律,分析了散射过程中的偏振度随粒子粒径几散射角变化的情况,同时模拟计算了多个微粒对同一波长的入射光经过多次散射后的概率统计结果。     

雷达波段内磁性吸波颗粒光散射特性分析

针对目前在微波雷达隐身技术中广泛运用的吸波材料颗粒,根据米氏(Mie)散射理论对磁性吸波颗粒在雷达波段内的光散射特性进行了数值模拟和计算分析.在Mie系数中引入磁导率变量,分别计算了磁导率、折射率及颗粒粒径等参数对吸波颗粒光散射特性的影响;同时对比分析了磁性与非磁性吸波颗粒的散射光强、散射系数、吸收系数等散射特性规律.数值计算结果表明,颗粒磁特性的变化对其散射性能造成影响,磁导率的增大将使颗粒的吸收性能增强而后向散射强度减弱,有利于吸波颗粒雷达散射截面的减小,同时磁导率变化对颗粒散射特性的影响受到复折射率的制约.     

近距离雾的激光多次散射模拟

为了满足精确快速获取雾的多次散射仿真需求,在近程雷达距离较近情况下,将雷达方程和Mie散射理论相结合,提出一种快速有效的激光多次散射计算方法.首先通过雾滴谱模型建立雾颗粒的几何模型,然后根据Mie散射理论获得的单个粒子的散射函数计算激光在雾模型中单个颗粒的一次散射和二次散射功率密度,结合雷达方程推导出雾的多次等效散射截面和散射系数计算函数.模拟计算表明:雾的激光二次等效散射截面与雾浓度的2/3次方成正比,二次散射系数随能见度增加的衰减比一次散射系数快.     

火灾烟颗粒分形模型和球形模型光散射的比较研究

对烟颗粒的光散射进行模拟计算是研究火灾烟颗粒光散射特性的重要手段,目前对于火灾烟颗粒光散射的数值计算多采用球形或椭球模型.实际上,火灾烟颗粒的形貌与球形和椭球均存在着显著差异.扫描电子显微镜图像表明,烟颗粒具有近似分形的结构.本文利用离散偶极近似方法计算了随机取向的火灾烟颗粒分形凝团以及同体积的球形颗粒的光散射Muller矩阵,并对两者的归一化Muller矩阵元素随散射角的分布进行了比较.研究表明:火灾烟颗粒分形模型和球形模型的归一化矩阵元素F₁₁(θ)/     

相对湿度对大气气溶胶消光系数的影响

消光系数是气溶胶颗粒物光学性质的关键参数之一。基于Mie散射理论和气溶胶颗粒粒径及折射率的湿度增长模型,本文详细研究了气溶胶吸湿性对其消光系数的影响。计算结果表明:当入射光波长为808nm、相对湿度在60%~95%之间增加时,因颗粒粒径的增长及折射率的减小,导致颗粒物消光系数曲线右移且其波动性更加明显;而对于同一球形颗粒,小粒径颗粒的消光系数随相对湿度的增加呈指数规律增大,较大粒径颗粒的则表现为波动减小趋势。此外,在不同入射光条件下,小颗粒消光系数与相对湿度之间的关系保持不变。本文的计算结果对气溶胶光学性质与大气环境质量的研究具有一定的参考价值。     

Turbiscan多重光散射法研究纳米银溶胶的分散稳定性

以硝酸银为银源、间苯二酚为还原剂、聚乙烯吡咯烷酮为保护剂通过化学还原法制得纳米银颗粒,通过离心洗涤等操作洗掉多余的反应物,将其分别超声分散于水、无水乙醇和乙二醇中获得0.2 Wt%不同体系的纳米银溶胶。利用激光粒度分析仪、透射电子显微镜、扫描电子显微镜和同步热分析仪对纳米银颗粒进行表征并测定纳米银溶胶中的银含量。激光粒度分析仪的粒度分析结果表明,实验制得的纳米银颗粒的粒径在100 nm左右,且粒径分布均一。透射电子显微镜和扫描电子显微镜的结果进一步证实纳米银颗粒的粒径在纳米尺度范围且粒径均匀。采用Turbiscan多重光散射法研究了不同体系纳米银溶胶的分散稳定性,分析了导致纳米银溶胶不稳定的主要因素。研究发现：影响纳米银溶胶分散稳定性的主要因素包括颗粒粒径的变化和颗粒的迁移。对于水相体系,样品池中间部分背散射光强度随时间变化不大,样品池底部和顶部背散射光强度有较大变化,说明其稳定性的主要影响因素是纳米银颗粒的迁移,颗粒粒径变化影响不大;对于乙醇和乙二醇体系,样品池中间部分、底部和顶部的背散射光强度均有明显变化,说明颗粒粒径的变化和颗粒的迁移对体系稳定性均有一定程度的影响;最后通过比较三个体系的稳定性动力学指数,得到体系稳定性由高到低依次为乙二醇、水和乙醇。     

基于一阶彩虹区域高斯光散射的液滴测量

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量,采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布,以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布,根据总光强分布反演液滴折射率和粒径,讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000μm区间的液滴,高斯光束位于中心入射时,反演折射率的误差小于2.38×10-4,粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比,采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区,较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响,又可以提高信号强度.     

基于动态光散射的SiO_2/H_2O纳米流体分散稳定性初探

基于动态光散射法,采用同差探测实现了纳米流体分散体系的粒度测量。对体积分数为0.005%和0.0025%浓度的SiO_2/H_2O纳米流体颗粒粒径进行了测量,粒径的实验值的平均偏差分别为1.37%和1.39%,可以满足纳米颗粒粒径的高精度测量要求。两种浓度的SiO_2/H_2O纳米流体的平均粒径基本一致,偏差在实验的不确定度以内,且随时间无明显变化,证明了颗粒分散的稳定性,本方法可以用于纳米流体分散稳定性的评价。