论文总字数：13102字
目 录
1.绪论……………………………………………………………………１
1.1 研究背景及意义…………………………………………………………………………1
1.2 光学层析技术简介………………………………………………………………………1
1.3 国内外研究现状…………………………………………………………………………2
1.4 本文主要研究工作……………………………………………………………………3
2.偏折层析基础…………………………………………………………3
2.1 理论基础…………………………………………………………………………………4
2.2 条纹信息提取……………………………………………………………………………4
2.3 折射率模型………………………………………………………………………………5
3.温度重建模型的建立及分析…………………………………………6
3.1 温度重建模型的推导……………………………………………………………………6
3.2 理论分析…………………………………………………………………………………7
4.实验分析………………………………………………………………10
4.1 模拟实验………………………………………………………………………………10
4.2 温度重建及适应性分析………………………………………………………………11
5.总结与展望……………………………………………………………12
参考文献…………………………………………………………………13
致谢………………………………………………………………………15
空气中氩弧等离子体射流温度的光学层析诊断研究
贾式钰
，China
Abstract: Optical computerized tomography (OCT) was used to measure the refractive index profile of the measured flow field using light as a carrier, and the 3-D distribution of the key parameters of the measured field can be obtained based on the theory of reconstruction. High temperature and complex flow widely exist in various fields, and the display and diagnosis of the field has not got a good solution now. For example, the plasma sprayed into the air to form a high temperature complex flow field. The contribution of components in the air to the flow field can not be ignored directly. Whether can be ignored needs analyzing. In this paper, the high temperature complex flow field of argon arc plasma will be a typical example. Through a simulation experiment, the OCT technology will be used to diagnose the temperature distribution of complex flow field at high temperature.
Keywords: Optical computerized tomography (OCT); argon arc plasma; refractive index; temperature distribution
1.绪论
1.1 研究背景及意义
随着科学技术的迅猛发展，氩弧等离子体在各个领域都有着广泛的应用，尤其是在金属热处理领域，主要包括氩弧焊、氩弧熔覆技术[[1]]以及氩弧重熔技术[[2]]等。所以，结构可视化和数据诊断对研究和利用等离子体具有很重要的指导作用。光学计算层析（OCT）技术使用光作为载体记录被测流场折射率分布，并基于重建理论得出被测场重要参数的三维分布情况，具有实时、稳定、非接触、可供三维分布等特点。因为这些特点，使得光学计算层析技术在结构可视化方面有着独有的优势，并且可以用于高温复杂流场进行诊断研究。
高温复杂流场在各个领域都有着广泛存在，而且目前此类流场的三维结构显示与数据诊断并没有得到很好的解决。比如，等离子体喷入空气，与空气中各种成分形成高温复杂流场，而且混入空气的比例和分布不一定是已知的，并且对于等离子体是否电离，电离程度如何，电子中子比例如何我们都无法得知，这使得对于此类流场的研究遇到很大难度。并且此类流场并不是仅由等离子体组成，在进行诊断研究时直接忽略其他组成成分对折射率的贡献是不科学的，所以研究时需要考虑其他组成成分对折射率的贡献。
高温复杂流场的三维结构显示和数据诊断在军事，航天以及工业等方面都有重要意义。比如，研究高温复杂流场有助于飞行器的研究和设计；在民用方面，等离子体切割技术对现代切割技术革新具有重要的指导作用。此外，研究高温复杂流场还有助于缓解现代能源压力，不仅可以提高能源的利用率，甚至可以通过此途径开发新能源，是现代能源工业中不可或缺的组成部分。所以，研究高温复杂流场可以为多方面研究提供有效的帮助，这使得高温复杂流场的研究更加意义深刻。
1.2 光学层析技术简介
层析成像技术从广义上来说就是指通过非接触方式获取被测物或者被测场内部特性的一种成像技术[[3]]，在流动显示中，对各种复杂流场的分析和多种参数的测试都有着重要的作用。
光学计算层析技术以光波为载波，以光波折射率为参量对流场进行诊断，具有实时、稳定、非接触、可供三维分布等特点，已在各种流场的可视化诊断中得到充分的应用，拥有其他方法不能代替的地位。光学计算层析成像技术包括阴影法，纹影法，干涉层析和莫尔层析，主要应用于热流场显示领域和流动显示技术，是用光学手段来重建被测场。其实质就是先确定被测场的折射率变化，再推导各待测物理量与折射率间的关系，从而确定被测场中的各种重要参量，进而得到流场特性。
1. 阴影法
阴影法主要使用阴影仪进行测量，阴影仪由透镜，光源和投影等组成，由光源射出的光线通过透镜折射成平行光，如果测试区域内组分的折射率不是均匀分布，投射光线将会发生不定向的偏折。没有发生偏折的部分在投影仪上形成阴影，偏折光线到达的区域变亮，形成不均匀的灰度分布。阴影法形成的图像只能表明折射率的二阶导数是不均匀的[[4]]，这种方法经常用于密度变化较大的地方。同时，这种技术也适用于物理量变化范围较大的流场测量，而且光学装置简单。
但由于复杂流场的各组分对光线的吸收特性不同，这就使得依靠投影屏上阴影分布无法得出准确的分布特征，所以阴影法很少用于做定量的研究。
2. 纹影法
纹影法利用光在被测场中的折射率梯度和流场的气流密度是正比关系进行测量，同时也是实现将位相分布转换为强度分布的方法。
1995年P.S.Greenberg 等人改变了只用明暗条纹测量的方法，将色彩成分加入了偏折层析投影装置[[5]]，使成像不再是单一的黑白元素。因此，相较之前的方法而言，可以克服复杂流场各组分吸收光的能力强弱带来的影响[[6]]。
这种层析方法的装置相对简单，不需要大型的复杂的测量设备；其次，对其他条件的敏感度适中，如果测量条件变化较小，可能无法测量出准确的数据；另外对环境条件要求比较低，可以在流场合适的位置安装设备，不必考虑太多的环境因素，适合测量一些物理数据波动较大的流场。
如今，纹影法已经在温度场的诊断研究与结构重建中[[7]]得到了充分应用。但是它与阴影法类似，同样要获取投影的对比度，所以很难用于精确测定，只能定性的研究流场参数。
3. 干涉层析技术
干涉层析使用干涉条纹的投影方式，与纹影法使用光的方法是不同的，其结果是沿射线路径方向上的相位差的叠加，而不是根据投影对比度来获取数据。此种方法在测量时灵敏度和分辨率极高[[8]]，一点微小的变化就会在结果中体现出来，所以这种方法能够在很多方面得到充分应用。H.M.Herts、R.Snyder 等人从投影数据的采集，投影数据的获取和关键参数重建等方面进行研究[[9]]。如今，无数的学者将其在多方面广泛应用，除了物理学，在医学等其他学科都有应用。
然而，这种方法也并非完美，也有其局限性，这源于其获取结果的方式是相位差的叠加。比如，干涉层析无法波动范围极大的流场中得到很好的应用。例如，若是流场的折射率分布急剧变化并且变化范围较大，就会得到有较大的跨越的相位差分布，在进行实验时，无法较为有效地获得准确的干涉条纹；假若测量环境比较恶劣，震动较大，那就不适合使用干涉层析技术。
4. 莫尔层析技术
莫尔层析是基于光线通过介质时发生偏移，使莫尔条纹变形，以此反映折射率的折射梯度变化。通过莫尔条纹偏移，可以得到光线经过折射率场的偏折角，由此推理可以得到光程差。
在莫尔层析系统中，从数学角度解释，需要将被测场函数垂直射线方向求一阶导数，而投影是其积分[[10]]。所以相比于阴影法，莫尔层析技术更加精确，并且还有着分辨率高的优势。同时，莫尔层析系统相比于其他方法而言，设备简单，不需要复杂的装置，安装简便；机械要求的稳定性不高，即使环境震动，只要不超出其界定范围，对测量结果影响也不大，于是在测量如高温复杂流场等环境恶劣的流场时，莫尔层析技术就体现出了其明显的优势[[11]]。
1.3 国内外研究现状
国内外相关研究表明，光学层析技术在各个领域都有着突出的贡献，并有着重要的地位。而且，其在高温流场三维结构重建和数据重建方面贡献巨大。
在高温流场温度分布测量研究方面，1964年，G.D. Kahl[[12]]针对组成成分单一的高温流场进行了诊断研究，并将G-D公式进行了推广性应用，没有研究组成成分复杂时的高温流场诊断情况；1987年，G. W.Faris[[13]]将成功在火焰[[14]]、直流电弧射流等离子体等高温流场的诊断中应用了光偏转系统，但研究的是组分比例已知时的情况，没有研究组分比例不同时的情况；C.H. Chang.[[15]]研究了研究等离子体混入气体形成复杂流场的情况，考虑了混合气体的贡献，但未对混入气体贡献做具体分析，也没有考虑外界环境对流场的影响。在国内，1963年，王洪章等人运用光学技术对氩弧等离子体喷焰的温度进行了测量[[16]]，但只对单一等离子体温度进行了测量研究，并为研究加入其他组成成分对温度分布的影响；1979年，胡桅林等人[[17]]将谱线测温度的方法运用到了氩弧等离子射流温度的测量工作中，但其结果只是在理论方面为温度测量提供了支持，其实验中并未考虑组分是否单一的问题，也没有考虑组分的贡献；1981年，韦福水[[18]]将光谱技术运用到了电弧等离子温度的测量中，为电弧等离子温度测量提供了理论依据和技术方法，但未对温度分布情况做具体的分析，同样没有研究多组分时的情况；同年，赵裕铃等人[[19]]对等离子体射流径向、轴向温度进行了测量，但没有对温度分布做具体的说明。此后，胡桅林等人对氩弧等离子体射流温度分布进行了研究，并且测得了在复合局部热力学平衡条件下的氩弧等离子射流温度的分布情况[[20]]，但仍然没有考虑组分的问题；2007年，贺安之[[21]]等人提出了高温复杂流场的密度重建方法，为温度重建提供了一定的参考；2011年，陈云云[[22]]对高温流场的诊断做了具体的详细的分析，分析了外界压强和组成成分对流场折射率的影响 。
剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：13102字
相关图片展示：
该课题毕业论文、开题报告、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找;
