水下尾流气泡多次散射的仿真及测量

摘要

船舰尾流是船舰行驶中的一个重要的信息，对其进行分析可以得到许多关于船舰行驶的数据，在近些年越来越得到人们的重视。船舰尾流中包含气泡、湍流和杂质三个部分，本论文研究的内容是船舰尾流气泡的光学散射性质。
　　论文在仿真中对单气泡的Mie散射特性进行了研究，求得了单气泡散射在各个角度的光强分布。在实验中的气泡装置用了一种新的方案，测量了所装载气泡的直径大小。利用此装置完成单气泡散射实验，并对仿真和实验中的结果进行了分析比较。最后研究了入射光强为偏振光和非偏振光时在正向散射中的光强比例分布，发现其存在差异，对其进行了进一步的数据分析。
　　在多气泡的数值模拟中首先分析了Monte Carlo算法的优劣性，指出了其在多气泡仿真中的自带缺陷。提出了次数追踪算法，其核心思想是在计算气泡在每次散射中的光束路径从而得到整体的多气泡多次散射的结果。利用次数追踪算法，对气泡群的多次散射(光束历经的气泡的数量，即光束经过Mie散射的次数)的Mie散射光强分布进行了分析，之后结合单气泡的Mie散射结果进行了解释说明。然后利用次数追踪法证明了气泡群的Mie散射是存在退偏效应的，并计算出多气泡散射后第N次散射后的光的偏振度，分析了偏振度变化的趋势以及原理并给出了更多次散射后的偏振度的预期值。
　　最后对气泡的散射进行了实验验证，利用了载玻片装置和水槽装置研究了尾流气泡群的正向Mie散射的光强分布情况，并与仿真结果进行比较分析。分别利用未扩束激光和扩束激光作为光源，证实了Mie散射存在退偏效应。计算出Mie散射后的偏振度，结合仿真中的结果对其进行了分析和讨论。

目录

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究目的和意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究目的和意义

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 国内研究现状

1.2.2 国外研究现状

1.2.3 现状分析

1.3 本论文主要的研究内容

第2章 尾流中单气泡的散射

2.1 引言

2.2 Mie散射理论

2.2.1 物理机制和适用范围

2.2.2 Mie散射公式及递推算法

2.2.3 Mie散射递推上限次数计算

2.3 单气泡模拟结果

2.3.1 模拟仿真步骤

2.3.2 非偏振光入射的气泡Mie结果

2.3.3 入射光为偏振与非偏振下的散射结果比较

2.4 单气泡Mie散射实验验证

2.4.1 实验准备及方案

2.4.2 单气泡Mie散射实验结果及分析

2.5 本章小结

第3章 尾流中多气泡Mie散射的仿真研究

3.1 引言

3.2 气泡群散射模拟方案

3.2.1Monte Carlo算法优劣势分析

3.2.2 光强计算的次数追踪法

3.2.3 偏振计算的次数追踪法

3.3 多气泡多次Mie散射的模拟仿真结果及其分析

3.3.1 多气泡多次Mie散射光强仿真结果

3.3.2 多气泡Mie散射偏振结果分析

3.4 本章小结

第4章 尾流中气泡的Mie散射实验

4.1 引言

4.2 气泡群Mie散射光强成像

4.2.1 水槽装置下的气泡群Mie散射成像

4.2.2 玻片装置下的气泡群Mie散射成像

4.3 尾流气泡Mie散射的退偏效应

4.3.1 未扩束激光入射下的Mie散射退偏效应实验

4.3.2 扩束激光入射下的Mie散射退偏效应实验

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢