激光散斑空间滤波法测量纳米流体速度的研究

摘要

纳米流体作为一种新型的传热介质，其导热系数要比基液高很多，至今对其导热机理的研究仍是该领域的研究热点之一。目前大多数研究者认为，纳米粒子的运动是提高流体导热系数的一个重要原因。因此研究纳米粒子的运动状态对于研究纳米流体的导热机理具有重大的意义。本文通过理论和实验相结合，研究了基于激光散斑的空间滤波速度测量方法，并对定向流动的纳米流体速度测量进行了实验验证研究。
　　首先在理论上分析了纳米流体的特性，对纳米流体的稳定性和导热机理进行了探讨，继而又在理论上分析了激光散斑的形成机理和散斑场的统计特性，对散斑计量技术（包括散斑干涉计量技术和散斑照相计量技术）作了简单介绍。分析了纳米流体作定向运动时，动态激光散斑的运动速度与纳米流体运动速度之间的关系。
　　在空间滤波速度测量原理的基础上，提出了一种基于面阵CCD空间滤波效应的流体速度测量新方法。其实现的基本过程为:利用高速CCD获取纳米流体运动图像，将散斑图像转换为灰度值矩阵，选取图像的光敏感区域，对光敏感区域进行隔行采样以模拟光栅的空间滤波特性，进而获得隔行采集的原始灰度信号，通过频谱分析和频谱图趋势项的提取，获得信号尖峰频率，即可计算出纳米流体速度。
　　在测量原理研究的基础上，设计了实验方案、搭建了纳米流体流动实验台，进行了激光照射纳米流体形成散斑的实验。获得了静止时和不同运动速度下所形成的散斑图像，并分析了影响散斑图像因素。在不同流量下，利用高速面阵CCD拍摄了纳米流体流动的序列散斑图，利用空间滤波测速原理进行隔行采样和频谱分析处理，最终得到了纳米流体不同流量下的速度，测量相对误差优于6.5％，验证了该方法的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题的提出

1．3 流体速度测量方法简介

1．4 空间滤波速度测量研究现状

1．5 本文主要内容

第二章 纳米流体特性及激光散斑基本理论

2．1 纳米流体基本特性

2．1．1 纳米流体制备方法简述

2．1．2 纳米流体悬浮稳定性

2．1．3 纳米流体导热机理

2．2 激光散斑形成机理

2．2．1 散斑的概念

2．2．2 散斑形成条件

2．2．3 激光散斑成因分析

2．3 激光照射纳米流体形成散斑场的光强统计特性

2．3．1 光场复振幅实部和虚部联合概率密度

2．3．2 散射光场的强度和相位联合概率密度

2．4 激光散斑计量技术

2．4．1 散斑干涉计量技术

2．4．2 散斑照相计量技术

2．5 纳米流体动态散斑与纳米颗粒运动的关系

2．6 小结

第三章 基于面阵CCD空间滤波器的纳米流体速度测量方法

3．1 数字图像相关法

3．2 空间滤波测速原理

3．2．1 基于光栅的空间滤波测速基本原理

3．2．2 采样频率fs的确定

3．3 基于面阵CCD空间滤波器速度测量方法

3．3．1 CCD的特点及CCD空间滤波器的优点

3．3．2 基于面阵CCD空间滤波器的速度测量方法

3．3．3 空间滤波器参数的选择

3．4 频谱特性曲线峰值的确定

3．4．1 频谱特性曲线趋势项的提取方法

3．4．2 频谱特性曲线峰值位置分辨率的影响

3．5 纳米流体激光散斑空间滤波法测速的流程

3．6 小结

第四章 纳米流体激光散斑特性与速度测量实验研究

4．1 实验装置

4．1．1 激光器的选择

4．1．2 电荷藕合器件的选择

4．1．3 其他器材的选择

4．2 实验条件分析

4．3 纳米流体散斑实验

4．3．1 实验步骤

4．3．2 静态散斑实验

4．3．3 动态散斑实验

4．4 散斑图像的影响因素分析

4．5 纳米流体速度测量结果及分析

4．6 基于粒子图像的空间滤波速度测量实验

4．6．1 实验装置

4．6．2 实验结果与讨论

4．7 小结

第五章 总结与展望

5．1 本文总结

5．2 研究展望

参考文献

致谢

研究生期间发表论文