火灾烟颗粒散射光线偏振度研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：094193 火灾烟颗粒散射光线偏振度研究 张启兴1，张青2 ，李耀东2 ，邓小玖2 ，张永明1 （1 中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥 230027 2 合肥工业大学物理系，合肥 230009） (Tel:0551-3601649, Email:zhangym@ustc.edu.cn) 摘要：颗粒散射光的线偏振度特性在颗粒性质反演方面有着重要的应用价值。本文通过分析SEM 图像 的方法，建立正庚烷明火燃烧烟颗粒的分形形貌模型，利用离散偶极子数值方法计算得到火灾烟雾单 颗粒模型的散射光线偏振度随散射角的分布。通过实验分别测量了正庚烷明火燃烧烟颗粒和棉绳阴燃 烟颗粒的单次散射光线偏振度随散射角的变化，并与单颗粒的数值计算结果进行了初步的比较。计算 结果表明，在一定的粒子尺度因子范围内，颗粒散射光线偏振度分布特征受到颗粒形貌、折射率的影 响；实验测量发现不同燃烧情况下烟颗粒群的散射光线偏振度分布有着明显的差异。 关键词：烟； 散射； 偏振 0 前言 火灾烟雾是一种可燃物燃烧产生的气溶胶，是火灾早期重要的特征参量。对火灾中 产生的各种烟雾的物理特性，尤其是光散射特性进行深入研究是火灾探测、卫星遥感、 [1，2] 环境监测等领域中的重要基础研究内容 。 散射光线偏振度是反映散射光偏振特性的一个十分重要的参量，利用散射光线偏振 度信息反演颗粒性质，需要研究颗粒各参数对散射光偏振度的影响及敏感性。针对火灾 烟雾散射光线偏振度特性，美国国家标准技术研究所的 Weinert[3]和瑞士西门子建筑技 术公司的Loepfe[4] [5] 与Keller 等人分别进行了类似的实验测量。但由于烟颗粒为不规则 非球形粒子，而不规则非球形粒子的光散射一直是一个十分复杂的问题[6]，因此缺乏有 效的模型来解释烟颗粒光散射的测量结果，从而无法准确地反映颗粒的性质。本文首先 利用分形模型通过数值计算的方法研究了不同烟颗粒参数下的散射光偏振度，通过实验 分别测量了正庚烷明火和棉绳阴燃产生的烟颗粒群的偏振度随散射角分布，并与计算结 果进行了初步的比较分析。 1 光散射MULLER 矩阵与线偏振度 在数学上可以用Stokes 向量完整地描述光波的强度和偏振状态，Stokes 向量包含 4 个参数(I ,Q, U, V) ,代表不同状态的偏振光，定义如下： 基金项目：国家自然科学基金面上项目（批准号）和高等学校博士学科点专项科研基金（批 准号：20060358018 ）  I =E 2 (t ) +E 2 (t )   x y  2 2 Q =E (t) −E (t) S  x y  （1） U 2 = E (t) E (t) cos[δ (t) −δ (t)]  x y y x  V 2 = E ( t) E ( t) sin[δ ( t) −δ ( t)]   x y y