基于太赫兹技术的多相流检测研究

摘要

多相流广泛地存在于自然界和工业生产过程中。随着科学技术的发展，多相流动现象在化工、石油、动力、原子能、环保、轻工等许多工业应用场合中变得越来越重要，深入研究多相流动过程对于工业生产和人类的生活都具有极其重要的意义。但是，由于多相流流动特性复杂，多相流参数检测的难度相当大，现有的多相流检测技术大都还局限于实验室研究阶段，远未能满足科学研究和实际工业应用要求。因此，多相流参数检测技术已经成为多相流研究和发展的制约性因素。
　　 太赫兹波通常是指频率在0.1～10THz(1THz=1012Hz)范围内的电磁波，与其它波段的电磁波相比，太赫兹波段是电磁波谱中最后一个有待全面研究的重要频段。太赫兹波具有安全性好，穿透力强，光谱灵敏度高等诸多特点。但是由于太赫兹波段的辐射源和检测手段在技术上实现非常困难，所以太赫兹波段的相关研究曾一度处于停滞不前的状态。然而，随着半导体技术和超快激光技术的飞速发展，太赫兹技术在20世纪90年代后期开始得到了蓬勃的发展。
　　 太赫兹技术作为一种新兴检测手段，它在基础研究、天文观测、安全检查、生物医学、环境检测，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。然而，太赫兹技术在多相流领域的检测研究还处在探索的阶段，相关的研究和文献报道极其有限。
　　 本文尝试将太赫兹技术应用于多相流的检测中，探索太赫兹技术应用于多相流领域的可行性与潜在应用前景。重点研究了将太赫兹技术应用于气固两相流固相浓度的检测和燃烧温度场和浓度场重建这两方面内容。论文的主要工作和创新点如下：
　　 1)提出了基于太赫兹时域光谱技术的气固两相流固相浓度测量新方法。该方法克服了光学测量方法在高颗粒浓度的气固两相流体(>1％)中不再适用的困难，能够实现高颗粒浓度条件下气固两相流固相浓度的测量。研究结果表明，基于太赫兹时域光谱系统的固相浓度测量方法无论是衰减模式还是时间延迟模式都能够有效地实现高浓度颗粒条件下气固两相流固相浓度的测量。同时，基于时间延迟模式的气固两相流固相浓度测量方法精度更高，线性度更好。
　　 2)应用ISA、EFA和QCA理论模型对高颗粒浓度条件下稠密相气固两相流中的电磁波的传播和散射规律进行了理论分析，并与实验测量结果进行了对比。研究结果表明，在三种模型中QCA模型的理论预测结果与实验测量结果最为相符，QCA模型是一种比较适合于稠密相气固两相流测量结果分析的模型。
　　 3)本文研究了颗粒的粒径和颗粒的相对介电常数对气固两相流固相浓度的测量产生的影响。研究结果表明，在稠密相气固两相流中颗粒粒径对基于衰减模式或基于时间延迟模式的测量方法不产生明显的影响。但是颗粒的相对介电常数会对基于衰减模式和基于时间延迟模式的测量方法产生明显的影响。当颗粒材料的相对介电常数的虚部较大时，基于衰减模式的测量方法的误差也会相对较大；当颗粒材料的相对介电常数的实部较大时，基于时间延迟模式的测量方法的误差相对较小。
　　 4)针对太赫兹光谱对极性气体分子的变化极为敏感的特点，提出了基于太赫兹时域光谱技术的分子振动-转动光谱的双光谱火焰温度测量新方法。该方法不依赖于火焰燃烧组分并且不干扰燃烧的流场。同时，根据HITRAN分子数据库提供的光谱数据，建立太赫兹波段双谱线测温法中双谱线的选择准则。
　　 5)基于双谱线测温方法提出了一种基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场重建新方法。选取了三对太赫兹波段的水分子谱线，利用ART算法对温度场进行了重建。同时，本文分析了温度场重建过程中，谱线强度比值和谱线强度比值的相对灵敏度变化对温度场重建产生的影响。根据灵敏度变化的范围，给出了不同谱线对的有效测温区间。提出了选用大转动量子数和大能级差的分子谱线对来提高测温精度的方法。研究结果表明，基于太赫兹时域光谱技术的温度场重建结果与实际燃烧情况一致，是一种可行的温度场重建方法。
　　 6)对太赫兹光谱技术应用于燃烧温度场和浓度场的重建进行了研究。提出了一种基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场和浓度场同时重建的新方法。研究结果表明，本文所提出的基于太赫兹时域光谱技术的温度场和浓度场同时重建的方法是有效的，太赫兹时域光谱技术可以为燃烧温度场和浓度场的重建提供一种新方法，其在火焰燃烧诊断领域有较好的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章 绪论

摘要

本章主要内容

1.1 研究背景

1.2 多相流基本参数

1.3 多相流检测技术

1.3.1 多相流检测技术的现状和难点

1.3.2 多相流检测技术的发展趋势

1.4 本文主要工作

1.5 小结

第二章 太赫兹技术综述

摘要

本单主要内容

2.1 太赫兹辐射简介

2.2 太赫兹辐射的特性

2.3 太赫兹辐射源

2.3.1 基于光学的太赫兹辐射源

2.3.2 基于电子学的太赫兹辐射源

2.4 太赫兹辐射的探测技术

2.4.1 光电导采样

2.4.2 电光采样

2.4.3 热释电探测器

2.5 太赫兹技术的应用领域

2.5.1 太赫兹技术在生物医学领域的应用

2.5.2 太赫兹技术在环境监测领域的应用

2.5.3 太赫兹技术在安全检测领域的应用

2.5.4 太赫兹技术在通讯和军事领域的应用

2.6 小结

第三章 实验装置及技术路线

摘要

本章主要内容

3.1 太赫兹时域光谱系统

3.2 气固两相流固相浓度测量技术路线

3.3 基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场重建研究

3.4 基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场和浓度场的同时重建的技术路线

3.5 小结

第四章 基于太赫兹时域光谱技术的气固两相流固相浓度检测研究

摘要

本章主要内容

4.1 背景介绍

4.1.1 气固两相流简介

4.1.2 气固两相流固相浓度检测研究

4.2 传统固相浓度测量方法

4.2.1 电学法

4.2.2 光学法

4.2.3 射线法

4.3 电磁波在随机介质中的传播和散射理论

4.3.1 概述

4.3.2 Mie散射理论

4.3.3 电磁波在稀相介质中的传播

4.3.4 电磁波在稠密相颗粒介质中的传播

4.4 基于太赫兹时域光谱系统的测量方法

4.4.1 太赫兹波在气固两相流中的传播

4.4.2 基于衰减模式的测量方法

4.4.3 基于时间延迟模式的测量方法

4.5 气固两相流固相浓度检测实验研究

4.5.1 实验系统

4.5.2 实验方案和实验步骤

4.5.3 实验结果和讨论

4.6 小结

第五章 基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场重建研究

摘要

本章主要内容

5.1 背景介绍

5.2 气体分子红外光谱理论

5.2.1 概述

5.2.2 分子的振动光谱

5.2.3 分子的转动光谱

5.2.4 量子态的热力学分布与谱线强度

5.3 温度测量的基本原理

5.3.1 吸收光谱和Beer-Lambert定律

5.3.2 光谱的线形函数

5.3.3 分子光谱数据库

5.3.4 基于双谱线的温度测量方法

5.4 计算机断层重建技术简介

5.4.1 计算机层析成像基本原理

5.4.2 基本的重建算法

5.4.3 CT的扫描方式

5.5 燃烧温度场重建的实验研究

5.5.1 温度场重建原理

5.5.2 吸收谱线的选择

5.5.3 温度场重建实验

5.5.4 实验结果分析和讨论

5.6 小结

第六章 基于太赫兹时域光谱技术的燃烧温度场和浓度场同时重建研究

摘要

本章主要内容

6.1 背景介绍

6.2 温度场和浓度场同时重建的基本原理

6.3 温度场和浓度场同时重建的实验结果

6.4 小结

第七章 结论和展望

7.1 论文工作总结

7.2 工作展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果

攻读博士学位期间所取得的科研成果