基于太赫茲技術(shù)的多相流檢測研究.pdf

1、多相流廣泛地存在于自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，多相流動現(xiàn)象在化工、石油、動力、原子能、環(huán)保、輕工等許多工業(yè)應(yīng)用場合中變得越來越重要，深入研究多相流動過程對于工業(yè)生產(chǎn)和人類的生活都具有極其重要的意義。但是，由于多相流流動特性復(fù)雜，多相流參數(shù)檢測的難度相當(dāng)大，現(xiàn)有的多相流檢測技術(shù)大都還局限于實(shí)驗(yàn)室研究階段，遠(yuǎn)未能滿足科學(xué)研究和實(shí)際工業(yè)應(yīng)用要求。因此，多相流參數(shù)檢測技術(shù)已經(jīng)成為多相流研究和發(fā)展的制約性因素。
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2、茲波通常是指頻率在0.1～10THz(1THz=1012Hz)范圍內(nèi)的電磁波，與其它波段的電磁波相比，太赫茲波段是電磁波譜中最后一個(gè)有待全面研究的重要頻段。太赫茲波具有安全性好，穿透力強(qiáng)，光譜靈敏度高等諸多特點(diǎn)。但是由于太赫茲波段的輻射源和檢測手段在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)非常困難，所以太赫茲波段的相關(guān)研究曾一度處于停滯不前的狀態(tài)。然而，隨著半導(dǎo)體技術(shù)和超快激光技術(shù)的飛速發(fā)展，太赫茲技術(shù)在20世紀(jì)90年代后期開始得到了蓬勃的發(fā)展。
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3、茲技術(shù)作為一種新興檢測手段，它在基礎(chǔ)研究、天文觀測、安全檢查、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境檢測，乃至現(xiàn)代通信技術(shù)等領(lǐng)域都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，太赫茲技術(shù)在多相流領(lǐng)域的檢測研究還處在探索的階段，相關(guān)的研究和文獻(xiàn)報(bào)道極其有限。
　　 本文嘗試將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于多相流的檢測中，探索太赫茲技術(shù)應(yīng)用于多相流領(lǐng)域的可行性與潛在應(yīng)用前景。重點(diǎn)研究了將太赫茲技術(shù)應(yīng)用于氣固兩相流固相濃度的檢測和燃燒溫度場和濃度場重建這兩方面內(nèi)容。論文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如

4、下：
　　 1)提出了基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的氣固兩相流固相濃度測量新方法。該方法克服了光學(xué)測量方法在高顆粒濃度的氣固兩相流體(>1％)中不再適用的困難，能夠?qū)崿F(xiàn)高顆粒濃度條件下氣固兩相流固相濃度的測量。研究結(jié)果表明，基于太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)的固相濃度測量方法無論是衰減模式還是時(shí)間延遲模式都能夠有效地實(shí)現(xiàn)高濃度顆粒條件下氣固兩相流固相濃度的測量。同時(shí)，基于時(shí)間延遲模式的氣固兩相流固相濃度測量方法精度更高，線性度更好。
　　

5、 2)應(yīng)用ISA、EFA和QCA理論模型對高顆粒濃度條件下稠密相氣固兩相流中的電磁波的傳播和散射規(guī)律進(jìn)行了理論分析，并與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果進(jìn)行了對比。研究結(jié)果表明，在三種模型中QCA模型的理論預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果最為相符，QCA模型是一種比較適合于稠密相氣固兩相流測量結(jié)果分析的模型。
　　 3)本文研究了顆粒的粒徑和顆粒的相對介電常數(shù)對氣固兩相流固相濃度的測量產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明，在稠密相氣固兩相流中顆粒粒徑對基于衰減模式或基于

6、時(shí)間延遲模式的測量方法不產(chǎn)生明顯的影響。但是顆粒的相對介電常數(shù)會對基于衰減模式和基于時(shí)間延遲模式的測量方法產(chǎn)生明顯的影響。當(dāng)顆粒材料的相對介電常數(shù)的虛部較大時(shí)，基于衰減模式的測量方法的誤差也會相對較大；當(dāng)顆粒材料的相對介電常數(shù)的實(shí)部較大時(shí)，基于時(shí)間延遲模式的測量方法的誤差相對較小。
　　 4)針對太赫茲光譜對極性氣體分子的變化極為敏感的特點(diǎn)，提出了基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的分子振動-轉(zhuǎn)動光譜的雙光譜火焰溫度測量新方法。該方法不依賴

7、于火焰燃燒組分并且不干擾燃燒的流場。同時(shí)，根據(jù)HITRAN分子數(shù)據(jù)庫提供的光譜數(shù)據(jù)，建立太赫茲波段雙譜線測溫法中雙譜線的選擇準(zhǔn)則。
　　 5)基于雙譜線測溫方法提出了一種基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的燃燒溫度場重建新方法。選取了三對太赫茲波段的水分子譜線，利用ART算法對溫度場進(jìn)行了重建。同時(shí)，本文分析了溫度場重建過程中，譜線強(qiáng)度比值和譜線強(qiáng)度比值的相對靈敏度變化對溫度場重建產(chǎn)生的影響。根據(jù)靈敏度變化的范圍，給出了不同譜線對的有效測溫

8、區(qū)間。提出了選用大轉(zhuǎn)動量子數(shù)和大能級差的分子譜線對來提高測溫精度的方法。研究結(jié)果表明，基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的溫度場重建結(jié)果與實(shí)際燃燒情況一致，是一種可行的溫度場重建方法。
　　 6)對太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用于燃燒溫度場和濃度場的重建進(jìn)行了研究。提出了一種基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的燃燒溫度場和濃度場同時(shí)重建的新方法。研究結(jié)果表明，本文所提出的基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的溫度場和濃度場同時(shí)重建的方法是有效的，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可以為燃燒溫度