速度梯度场下纳米流体中颗粒运动特征、粒径和定向流速的光学测试技术研究

Nanofluid as a new kind of working medium enhancing heat transfer is one of the most active research object in the engineering thermal physics. The performance of the heat transfer of nanofluid is related to the motion, the size and the directional velocity of particles in nanofluid. The present measurement methods of nanofluid are developed for uniform flow. However, the nanofluid in a pipe always has the gradient of velocity which leads to the coupling between Brownian motion and directional motion in nanofluid. The purpose of this project is to develop a laser self-mixing technique for measuring the motion, the size and the directional velocity of particles in nanofluid with velocity gradient. The light emitting from laser hits the flowing particles and is scattered by particles. According to the theory of light scattering, the information about particles is included in the dynamic fluctuation of the scattered light. The scattered light is back into the laser cavity. In the cavity the self-mixing effect occurs. The output self-mixing signal includes the information about the motion, the size and the directional velocity of particles. The information can be extracted from the autocorrelation and the power spectral density of the self-mixing signal. The project provides a measurement method for the mechanism research, the preparation, the application of the nanofluid as well as the on-line monitoring of two phase flow with nanoparticles.

纳米流体，作为一种新型换热工质，是近十多年工程热物理领域中最活跃的研究对象之一。纳米流体的换热能力与流体中纳米颗粒的运动特征、粒径和定向流速等参数密切相关。纳米流体中颗粒参数的现有测量方法仅适用于均匀流。然而，实际流体在管路里流动会存在速度梯度，进而导致纳米流体中颗粒定向运动和布朗运动之间的耦合。本项目旨在研究梯度场下纳米流体中颗粒运动特征、粒径和定向流速的激光自混频测量方法。激光聚焦于纳米流体中颗粒上，借助光散射理论将纳米流体中颗粒运动特征反映到颗粒后向散射光动态信号中，颗粒的后向散射光反馈入激光谐振腔内，经自混频效应转换成自混频信号。自混频信号包含颗粒的运动特征、粒径和定向流速等信息。通过自混频信号的自相关和功率谱密度函数来研究纳米颗粒运动特征并提取粒径和定向流速等参数。本项目为纳米流体的机理性研究、制备和应用提供一种测试手段，也可应用于含纳米颗粒两相流的在线监测中。

首先，本项目建立了一种速度梯度场下纳米流体的激光自混频测量模型。该模型成功解释和模拟了传统自混频测量中功率谱密度多普勒峰异常展宽的现象，并寻求抑制该现象的方法。其次，为实现稳定和快速的测量，利用并行多通道带通滤波技术修正理论模型，获得带通功率谱表达式，并设计了多通道带通滤波的硬件系统和实验平台，成功运用于纳米溶液中颗粒的快速测量，突破传统纳米颗粒粒径测量速度的限制，为纳米流体的在线测试奠定基础。再次，研究颗粒运动特性后发现，当颗粒渡越光束束腰的时间足够长，定向流动、速度分布和束腰分布的影响均可忽略，此时带通功率谱直接反映颗粒粒径信息，实现了速度场下纳米流体中粒径的在线测量。该技术实现了颗粒测量领域中在线测试和纳米颗粒测试两个主流方向的结合，突破了关键问题，有望实用化该技术。同理，通过增加颗粒粒径也可以限制带通功率谱中由布朗运动引发的部分，带通功率谱直接反映流速信息。但与现存的激光测速技术相比，该技术的精度和准确性略逊一筹，有待进一步改进。最后，现存的激光自混频测粒技术，需借助透镜或光纤等光学器件传导和聚焦光束，本项目还提出一种无需外置光学器件的激光自混频粒技术，成功进行了初步实验测试，有待更多研究，该技术有望实现高度工业化、集成化和便携化。本项目共产生4项成果，其中发表论文3篇，其中2篇国际期刊被SCI（IF：1.856）和EI共同收录，已受理发明专利1项（申请号：201410734409.6）。