颗粒全息测量技术

第1章 导论 自然界有许多物质以颗粒的形式存在，如沙土、灰尘等固体颗粒，雨滴、水雾等液体颗粒，气泡、空穴等气相颗粒及血液细胞等多相颗粒。 在工程应用上，有固体颗粒如燃煤电厂中的煤粉颗粒输运与燃烧、流化床颗粒循环、各种固体颗粒催化剂化工生产、粉末冶金等，有液体颗粒如内燃机喷雾燃烧、液体火箭发动机雾化混合燃烧推进、污染物及粉尘的喷雾脱除等，也有气泡颗粒如沸腾传热传质、轮机叶片空化等。在社会生活中，有面粉和咖啡等食品颗粒、沙尘暴中的风沙颗粒、药品颗粒等。图1-1展示了各领域典型的颗粒。由此可见，颗粒在能源、材料、化工、环境、航天航空等行业以及日常生活的方方面面具有重要应用。 图1-1 颗粒常见场景 在能源科学领域中，固体和液体化石燃料往往通过研磨、雾化等手段破碎成小颗粒，燃烧释放能量。因此，颗粒的研究与应用几乎涉及化石能源利用的每一个步骤，在航空发动机、燃气轮机、汽车内燃机等设备燃烧室中的燃油雾化过程；在超临界燃煤锅炉等能源系统中的煤粉从输运、燃烧到产生的污染物脱除和粉尘排放等过程，都涉及针对颗粒的研究。在各种能源系统中，深入了解能源利用过程中各个环节的机理是开发更高效、更清洁的能源技术与设备的前提，而这主要依赖于实验研究，尤其是对多相流过程的准确测量。近二十年来自然科学和工程技术发展的重要趋势之一是微型化，如目前比较热门的微机电系统。在能源领域，微发动机[1]、微热管[2]、微反应器[3]等也受到了广泛关注，开发适合于微尺度流场的实验测试技术，特别是微流场的三维瞬态测量技术，对于进一步研究复杂微尺度流动现象和流动机理具有重要的推动作用。因此，流场测试技术为深入研究流动、传热等机理的实验研究提供技术支持，同时为工业过程流动参数在线实时监测和优化控制提供测量手段。 颗粒学研究包括各种颗粒的制备、测量，单颗粒、颗粒群以及颗粒群内颗粒的相互作用，颗粒相物质的运动动力学、反应动力学及与周围环境的传热、传质、相变等。本书主要关注颗粒的位置、速度、浓度和粒径等参数的测量。而这些参数的全场、三维、瞬态、实时测量是学术界研究的热点与难点[4]。 1.1 颗粒定义及相关参数 颗粒是处于分割状态下的微小固体、液体或者气体，还包括微生物、病毒、细菌等生命体。由许多个颗粒组成的颗粒群称为颗粒系。颗粒和颗粒系的性质参数，各有不同的术语描述。其中表征单颗粒性质的参数包括粒度、形状(宏观和微观)、表面积(内外表面积)、密度、折射率、硬度、熔点、湿度、光折射和吸收、组分、温度、黏度(液体)、孔隙度等；表征颗粒系性质的参数主要包括粒度分布、表面积、堆密度、真实密度、黏着性、黏着力、表面能、表面电荷、孔隙度、孔径分布、湿含量、导电率、绝缘强度、抗张强度、剪切强度、阻光度等。 其中，颗粒的形状是指一个颗粒的轮廓表面上所有点构成，主要与颗粒材料的结构、产生颗粒的具体过程、颗粒用途有关。颗粒形状可以用语言术语和数学语言两种方法描述，语言术语主要有球形、立方形、薄片形、纤维状、絮状、盘状、链状和不规则状等，数学术语分为形状指数(shape index)和形状系数(shape factor)，前者是各种无因次组合，后者是测量得到的颗粒大小与颗粒的面积或体积之间的关系。常见的形状指数有均齐度、方向比、体积充满度、面积充满度、球形度、圆形度、表面粗糙度等。常见的形状系数有表面积形状系数、体积形状系数、比面积形状系数、表面系数和动力形状系数等。 颗粒的比表面积定义为单位体积物体的表面积。对于表面致密的球形颗粒，颗粒粒度越小，比表面积就越大；对于多孔颗粒，表面积也包括内部孔洞所覆盖的面积，因此尽管某些多孔颗粒，粒径较大，但仍然拥有较大的比表面积。 颗粒的密度分为表观密度、堆积密度或容积密度。表观密度定义为材料的质量与表观体积之比，其中表观体积为颗粒的实体积加闭口孔隙体积。表观密度是针对单个颗粒而言的，受颗粒结构影响大。颗粒的表观密度并不等于母体材料的密度，如中空颗粒的表观密度将远远小于其母体材料的密度。堆积密度或容积密度定义为单位填充体积中颗粒的质量，是针对颗粒群而言的。堆积密度与颗粒的形状、粒度、堆积方式等许多因素有关。 颗粒的粒度定义为颗粒所占据空间大小的尺度。颗粒的粒度范围很广，跨度可从零点几纳米到几千微米。表征颗粒粒度的方法很多，对于光滑的球形颗粒而言，粒度即是它的直径；对不规则的颗粒物，其粒径常根据不同的测定方法而有不同的定义。一般把非规则颗粒物的粒径称为当量粒径(等效粒径)。非球形颗粒的当量粒径的确定方法一般可以分为两类，**类是由通过颗粒中心，连接颗粒表面上两点间直线段的大小确定，此时确定的直径不是单一的，而是一个分布，按此定义的当量直径只能是这些直径的一个统计平均值；第二类是根据颗粒的某种物理性质，如颗粒在流体中沉降速度、密度等来确定颗粒的当量粒径，大致可分成相当球直径、相当圆直径、统计直径等几类。相当于球直径的有阻力直径、自由沉降直径、斯托克斯直径等。相当于圆直径的有筛分直径、投影面积直径等。而相当于统计直径的有定向直径和定向等分直径等。表1-1列出了各种粒径的定义方式。 表1-1 粒径定义 静止空气中，与被测颗粒具有相同沉降速度，且密度为1000kg/m3的球直径颗粒群或颗粒系是由许多颗粒组成的，如果组成颗粒群的所有颗粒均具有相同或近似相同的粒度，则称该颗粒群为单分散的，当颗粒群由大小不一的颗粒组成时，则称为多分散的。颗粒群尺寸或粒径分布指组成颗粒群的所有颗粒尺寸大小的规律。实际颗粒群的颗粒粒度分布严格讲是不连续的，但当测量的数目很大时，可以认为是连续的。由不同大小的颗粒组成的多分散颗粒系的尺寸分布有单峰分布和多峰分布等形式。 颗粒群的平均粒径是用一个设想的尺寸均一的颗粒群来代替原有的实际颗粒群，而保持颗粒群原有的某些特性不变。*常用的平均粒径有索特平均直径(Sauter mean diameter，SMD)、质量中位直径(mass median diameter，MMD)、体积中位直径(volume median diameter，VMD)、数目中位直径等。 1.2 颗粒的光学测量现状 多相流中颗粒相的测量参数主要有三类，**类为几何参数，如颗粒粒径、形貌、三维位置等；第二类为运动参数，如颗粒平动、转动速度及其相应的加速度等，运动参数为矢量场；第三类为热力学参数，如颗粒温度、组分等，热力学参数为标量场。本书所针对的颗粒参数主要为**类几何参数与第二类运动参数，较少涉及第三类热力学参数。 多年来，针对多相流中颗粒的速度、粒径、浓度及温度和组分等参数所开展的测量研究得到了长足的发展，这类技术在工业应用及科学研究场合有迫切的应用需求。多相流中颗粒场的测试技术主要可以分为接触式机械方法、非接触式电磁学方法、超声波方法及光学方法。从发展趋势来看，经历了从接触式、离线、单参数、单点测量到非接触式、在线、多参数和多维瞬态测量的过程。传统机械方法多为侵入式测量方法[5]，如热电偶测量温度、瞬时取样法测量颗粒浓度等。这些方法操作简单，但是机械装置与流场接触会影响多相流中颗粒场结构，再加上测量方法本身的误差和应用范围的局限性，目前已经逐步被非接触式方法所取代。非接触式的方法不会对测量区域造成明显的干扰，至少其设备硬件不会直接接触测量对象，如静电法[6，7]、电容法[8，9]，甚至用X射线测量多相流中颗粒场[8]。超声波方法是利用多相流对超声波的吸收、散射等效应来测量多相流[10，11]，具有良好的穿透性，能够对密闭空间内的对象开展非接触式测量。 本部分着重介绍的光学测量方法也属于一种典型非接触测量技术。其具有精度高、实时快速、多参数和多维测量等特点，所以在多相流测量应用中展现出了巨大的应用优势和发展潜力。目前常用流场光学测试技术主要有阴影法[12] (shadow graph)、纹影法[12](schlieren particle analyzer)、显微成像[13]、米散射技术[8]、相位多普勒粒子分析仪[14](phase Doppler anemometry，PDA)、激光干涉液滴成像技术[13，15](interferometric laser imaging droplet sizing，ILIDS)、彩虹折射仪[16-20] (rainbow refractometry，RR)、粒子图像测速[21，22](particle image velocimetry，PIV)技术、粒子轨迹测速[23](particle tracing velocimetry，PTV)技术、激光散斑测速[24](laser speckle velocimetry，LSV)、数字全息技术[25](digital holography，DH)、激光诱导炽光法[26，27](laser induced incandescence，LII)、平面激光诱导荧光[28，29](planar laser induced fluorescence，PLIF)法、激光诱导击穿光谱[30，31](laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)法等。表1-2给出了部分方法能够测量的参量。总体而言，现如今基于光学方法的多相流参数测量技术逐渐向着全场三维空间、三维方向(矢量场)、时间分辨的方向发展。 表1-2 多相流中颗粒相光学测量 1.3 三维场光学测量技术概述 空间瞬态三维场测量是光学测量技术中一个主要的大类，经常在诸如多相流诊断等测量场景中使用。下面简单介绍几种目前主流的空间瞬态三维场光学方法。 图1-2示出了几种典型瞬态三维场光学测量技术的系统示意图，包括断层扫描技术、层析成像技术、离焦干涉成像技术、全息技术等。其中，断层扫描技术(optical scanning technology)[32]是在光路上布置一个旋转的反射镜，通过旋转反射镜使得照明流场的片光源扫描三维流场，可以实现3D-2C(3 dimensional-2 component)测量。该技术与PIV、PLIF等平面测量技术结合，可以形成扫描PIV、扫描PLIF，能够应用在稳态或近似稳态的标量场(如温度、组分等)测量。但该类方法无法对矢量场的三维分量进行测量(如速度)。层析成像(tomography)技术[33]利用透射波记录物体的阵列投影信息，进而通过重建得到三维物体。在多相流测量中，比较典型的应用如电容层析成像测量管内流动，基于辐射图像的三维温度场检测[34]。层析技术也非常易于与其他技术进行结合，如层析PIV(tomo-PIV)[35]，层析PIV的出现意味着经典的2D-PIV技术和体视PIV技术能够完成三维空间测量[35]，如图1-2(b)所示。它已被成功应用于湍流场三维涡结构等复杂流动的可视化研究[35，36]。但层析方法普遍需要采用多个相机，光学系统复杂，对标定的准确 图1-2 典型的瞬态三维场光学测量技术示意图[32，35，41]