颗粒场数字全息技术中扩展流场测量范围研究

摘要

数字全息技术由于具有非接触、三维瞬态和多参数（颗粒速度、粒径和浓度等）测量的特点，在多相流流场诊断领域具有巨大的应用潜力。与全息干板相比， CCD芯片分辨率很低，导致流场测量区域很小，是其瓶颈之一。本文主要探讨了在现有CCD分辨率水平基础上扩展测量横截面尺度的可行性。本文分析了颗粒的散射光强角分布特点，指出由于颗粒前向散射的爱里斑特性，限制了颗粒全息图案中干涉条纹的高频部分，降低了记录介质CCD芯片的空间记录频率的要求，从而可以使用成像方法放大CCD芯片，在CCD分辨率不变的情况下扩大流场的测量截面。颗粒粒径越大，流场测量截面可以扩展更大。以粒径100μm的煤粉颗粒为例，分辨率为1M和4M的CCD相机可测流场横截面尺寸分别可达4.2×4.2 cm2和8.4×8.4 cm2。通过数值模拟研究了CCD像素尺寸（即空间记录频率）对不同粒径颗粒的数字全息测量结果的影响，以及进一步的煤粉颗粒流数字全息实验结果，表明本文的分析结果合理，所提出的扩大测量横截面尺寸的方法可行。本文研究结果提高了数字全息技术在能源与环境领气固两相流三维瞬态测量的应用潜力。