水中湍流对光传输影响的光线追迹算法的研究

论文摘要

湍流又称紊流，是一种很不规则的流动现象。它是一种变折射率的介质。光波在湍流中传输时，会受到湍流效应的作用，对光的传输和成像造成影响。通过对其进行研究，可以对光成像进行补偿或矫正，提高光学的成像质量。本论文选择RNG k-模型作为湍流模型，利用计算机流体动力学（CFD）中的FLUENT软件对圆柱绕流进行了详细的模拟，得到了湍流的压强的分布，发现湍流的压强在圆柱的展向上呈现对称性的规律。在现有的数据的基础上我们通过查表的方式结合所得到的湍流压强值得到了湍流的折射率的分布，发现湍流实质上是一种变折射率介质，因此光在湍流中的传输就转化为在变折射率介质中的传输。随后采用光线追迹算法作为计算光在变折射率介质中传输的算法。对常用的光线追迹中光线方程的数值计算方法进行了比较，选择泰勒级数展开法作为本论文的算法。最后针对水中湍流对光传输的影响，从湍流影响光强的变化、入射点和出射点的位置的改变、以及参数的变化对光强的分布和光线轨迹的影响等四部分进行了讨论，发现光束通过湍流后光束的强度降低了，而且光束发生了变形；随着光在湍流中的传输距离的增加，光线越来越偏离理想的光线轨迹；另外当参数的数量级在10-3到10-6之间变化时参数不会影响光束的强度分布以及光线的轨迹。研究表明，光束在湍流中传输时会受到湍流效应的影响，导致光束的强度降低，光束的波形发生变形。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 研究内容
• 2 模型建立与算法
• 2.1 CFD 理论与 FLUENT 软件简介
• 2.2 模型的建立
• 2.3 光线跟踪算法
• 2.4 本章小结
• 3 湍流中光传输的计算模型的建立
• 3.1 湍流的压强分布
• 3.2 湍流的折射率分布
• 3.3 计算模型的建立
• 3.4 本章小结
• 4 湍流对光传输的影响
• 4.1 从光束的角度分析
• 4.2 从光线的角度分析
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表论文目录
• 附录 2 TT 数据