一维自标定彩虹散射测量技术及其在雾化液滴场的应用研究

Liquid atomization and sprays are prevalent phenomena in energy and environment engineering. The accurate, real-time, in-situ measurement of key parameters of the spray droplets, such as droplet size, velocity, concentration, components and temperature, is an important method for the investigation of atomization mechanism and its optimization. Rainbow technique has attracted extensive attention in recent years because of its ability of accurately measuring both the size and temperature (or components) of spray droplets at the same time. Concerning some technical limits of traditional rainbow technique, this project develops and studies a novel self-calibrated rainbow technique for one-dimensional measurement. The project starts with the principles of light scattering and propagation, and systematically analyzes the theory, method, signal inversion algorithm, and system optimization of one-dimensional rainbow technique which is based on spatial modulation. The project has also proposed a two-wavelength based high accurate scattering-angle self-calibration method to avoid the complex and time-consuming calibration process. Then the self-calibrated one-dimensional rainbow system is developed and typical spray fields such as that in spray combustion is diagnosed. After breaking the limits of single-point measurement, the achievements of this project will lay the foundation for the new generation of rainbow technique that provides more effective and more accurate experimental tool for investigations of spray droplet vaporization, sizes, temperature (or components) and their evolution.

液体雾化是能源、化工等工业领域广泛存在的现象，对于雾化液滴粒径、速度、浓度、组分、温度等关键参量的精确、实时、在线测量是研究相关机理和过程优化的重要手段。彩虹散射测量技术具有同时精确测量雾化液滴粒径和温度（或组分）的特点，近几年来得到了本领域的广泛关注。针对传统彩虹测量技术存在的一些问题，本项目提出并研究了一维自标定新型彩虹散射测量方法。项目从光散射和传播的基础理论出发，对基于空间调制的一维彩虹理论和方法、信号反演算法以及系统优化方法进行了系统研究，同时针对传统繁杂费时的标定方法，探索了基于双波长的散射角高精度自标定方法。在此基础上建立了一维自标定彩虹散射测量实验系统，开展了燃烧喷雾等典型雾化液滴场的测试应用研究。研究成果有望突破传统的单点彩虹测量技术，推动新一代彩虹散射测量方法的发展，为雾化液滴场液滴蒸发速率、液滴粒径、温度/组分瞬态空间分布和演变规律的研究提供更有效更高精度的测试手段。

液体雾化是能源、化工等工业领域广泛存在的现象，对于雾化液滴粒径、速度、浓度、组分、温度等关键参量的精确、实时、在线测量是研究相关机理和过程优化的重要手段。彩虹散射测量技术具有同时精确测量雾化液滴粒径和温度（或组分）的特点，近几年来得到了本领域的广泛关注。项目对彩虹技术一维扩展、彩虹散射角自标定以及复杂液滴应用进入了深入研究，获得了一系列成果。(1) 研究了液滴一维彩虹的理论和光学系统设计。改变激光照明方式，使点光源变成线光源，用来照射一维测量区域；改变光阑的设计布置，使得CCD能够对一维喷雾区域的彩虹信号进行捕捉。通过试验校准与开发新的信号处理算法，能够实现信号像素点与一维区域内测量点的对应匹配，使每点的彩虹信号最终以分立的横向明暗条纹的形式呈现，并对每一点彩虹条纹进行数字化反演处理，从而得到一维各点喷雾区域的液滴多参数信息。(2) 提出一种基于双波长的散射角自标定全场彩虹测量方法，借助两种波长的单色激光下介质折射率的差异找到对应彩虹角的差异，结合彩虹角与CCD像素点之间的关系，可以对彩虹绝对散射角进行标定。通过利用基于Lorenz-Mie散射理论的全场彩虹模拟程序与全场彩虹反演软件进行了模拟验证并与实验结果吻合，结果表明该方法的可行性。(3) 开展复杂（蒸发、脱硫、形变和含杂）液滴的测量应用研究：（a）利用彩虹信号的ripple信号相位对液滴纳米级粒径变化的敏感性，使一维彩虹技术测量瞬态液滴蒸发率成为可能。（b）为模拟实际脱硫雾化场中SO2吸收过程，利用液滴的折射率变化反映吸收进程。对Na2CO3水溶液雾滴吸收SO2转化成Na2SO3雾滴进行了折射率变化的标定，并在实验室模拟搭建了电厂喷淋塔装置，对脱硫反应成功进行了在线表征实验。（c）根据彩虹主峰信号对振荡液滴形变的敏感性，一维彩虹技术可以连续记录形变液滴的振幅和频率，根据理论公式可以同时测量液体的表面张力及粘度。（d）基于含杂液滴的彩虹角散射光的消光特性，采用二阶折射光与表面反射光强度比的方法，理论和实验验证了含杂液滴浓度与二阶折射光强的关联性。研究成果突破了传统的单点彩虹测量技术和节省了繁杂的人工标定环节，推动新一代彩虹散射测量方法的发展，为复杂液滴的研究提供更有效更高精度的测试手段。项目累计发表(含录用)期刊论文13篇，其中SCI论文10篇（预期指标：5篇SCI），授权国家发明专利2项，软件著作权登记1项。