激光照射纳米流体形成散斑的特性及应用研究

论文摘要

纳米流体由于其优良的导热特性极有可能成为新一代传热工质,即使纳米流体中纳米粒子的体积百分比很小以至可以忽略不计,其导热系数也比基液提高很多。纳米粒子的运动是导致纳米流体导热系数显著提高的主要因素之一,但是目前尚无探测流体中动态纳米粒子的方法。本文从理论、数值模拟和实验三个方面研究了激光照射纳米流体形成散斑的机理及散斑的特性,并提出利用激光散斑测速法(Laser SpeckleVelocimetry,简写为LSV)测量定向纳米流体中纳米粒子的运动,进而构建实验装置进行了测量。在分析纳米粒子光学特性的基础上,提出利用激光散斑测速法测量纳米流体中纳米粒子的运动。针对纳米粒子的光学特性,对传统的LSV系统进行了改进,即改用平行面光源照射流场、高速CCD正对入射光方向记录散斑图像的方式,使之具备了测试纳米流体中纳米粒子运动的特性。为对改进后的测试方法进行论证,从实验和数值模拟两个方面证实了激光照射纳米流体确能形成散斑。其中通过静态实验确定激光照射含有合适体积百分比纳米粒子的纳米流体可以形成清晰的散斑图;基于光的波粒二象性,分别根据光的波动性和粒子性建立了“经典散射模型”和“光子——粒子随机碰撞模型”,基于这两个模型分别对激光照射纳米流体形成散斑的过程进行了数值模拟,并对散斑的形成机理进行了解释。根据实验装置建立了层流物理模型,基于散斑的统计特性,通过数学推导得到了结论:在菲涅尔衍射区域,纳米粒子的运动速度等于接收屏上散斑的运动速度。进而构建了定向纳米流体实验装置,获得了时间间隔很短的序列散斑图。对相邻两幅散斑图进行图象处理和信息提取,得到了纳米粒子运动矢量图。首先对图象进行同态滤波和二值化等图像处理;然后结合全局搜索算法和各种块匹配算法对两幅散斑图进行图象相关处理,得到了运动矢量图;进而引入了亚像素算法,利用曲面插值拟合,使散斑位置精度达到0.1个像素,得到了散斑运动矢量。本文研究结果可为进一步研究激光散斑法测量纳米流体中纳米粒子的运动,以及开发新的动态纳米粒子光测方法提供理论和实验依据。

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摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 研究背景和研究意义

1.2 纳米科技发展概况

1.3 纳米测量技术

1.4 纳米粒子的特性

1.4.1 纳米粒子的基本性质

1.4.2 纳米粒子的光学特性

1.5 纳米传热学和纳米流体

1.5.1 纳米流体的概念

1.5.2 纳米流体的制备及稳定性

1.5.3 纳米流体的导热特性

1.5.4 纳米流体的导热机理

1.6 散斑计量术及其在流体测速中的应用

1.6.1 散斑现象及起因

1.6.2 散斑计量术

1.6.3 散斑计量术在流体测速中的应用

1.7 本文主要工作

2 LSV测量纳米流体中纳米粒子运动的可行性分析和系统组成

2.1 LDV、PIV和LSV的分析比较

2.1.1 示踪粒子的选择标准

2.1.2 LDV、PIV和LSV测量纳米粒子运动的可行性分析

2.2 LSV系统组成

2.2.1 传统LSV系统组成

2.2.2 针对纳米流体的LSV系统组成

2.3 本章小结

3 激光照射纳米流体形成散斑的实验及数值模拟研究

3.1 激光照射纳米流体形成散斑的实验

3.1.1 实验装置

3.1.2 透射比实验

3.1.3 散斑图像

3.2 数值模拟

3.2.1 计算模型

3.2.2 Rayleigh经典散射模型模拟

3.2.3 光子——粒子随机碰撞的Monte Carlo模拟

3.3 本章小结

4 层流纳米流体中纳米粒子散斑运动的对应关系

4.1 激光照射纳米流体形成的散斑的统计特性

4.1.1 正态散斑复振幅的一阶统计特性

4.1.2 正态散斑光强与位相的一阶统计特性

4.2 层状物理模型的建立

4.2.1 纳米流体在管道中的流动特性

4.2.2 层状物理模型

4.3 激光照射纳米流体衍射屏形成散斑的空间-时间相关性

4.4 本章小结

5 定向纳米流体实验和散斑图像处理

5.1 定向纳米流体实验

5.1.1 实验装置

5.1.2 散斑图

5.2 图像的预处理

5.2.1 频域低通滤波——同态滤波

5.2.2 图像二值化——Otsu算法

5.3 图象相关

5.3.1 空域中的互相关处理方法

5.3.2 运动估计中的块匹配算法

5.4 亚像素算法

5.4.1 高斯曲面插值法

5.4.2 抛物面插值法

5.4.3 二次曲面拟合法

5.4.4 亚像素算法的验证

5.5 错误矢量的剔除

5.6 测量误差分析及处理

6 总结

致谢

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参考文献

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