4煤粉颗粒流全息试验及结果分析.docVIP

颗粒场数字全息 吴，吴，岑可法 （浙江大学能源清洁利用国家重点实验室，杭州 310037） Expansion of measurement area of Digital in-line holography for particle field measurement 摘要： 关键字：数字全息大流场 Abstract：The diffraction fringes in the Airy Disk can extract particle information, reducing the spatial resolution requirement of CCD. Particles scattering were simulated based on Mie scattering theory. Holograms were obtained in forward recording configuration with CCD enlarged, and reconstructed and analyzed by the MATLAB program based on wavelet. Results show that measurement of three-dimensional position and size distribution of particles was reliable with an amplification of CCD. 4.0 cm×4.0 cm coal powder flow field was measured, showing that 3D measurement of relative large-scale flow field by digital in-line holography with CCD enlarged is feasible. Keyword: digital in-line holography, particle measurement, large-scale flow 引言 光学测量技术如颗粒图像测速[1-3]（article image velocimetry, PIV）、相位多普勒[4-5]（hase Doppler anemometer, PDA）等由于具有高精度非接触性等优点广泛应用于测量领域然而仅局限于流场空间局部点、线或面的测量无法满足三维空间全场瞬态测量要求[6]得到了较快发展，并成功应用于颗粒场的三维瞬态测量，但是其系统的高度复杂性限制了其广泛应用。激光数字全息技术由于具有三维、瞬态以及多参数（颗粒速度、粒径和浓度等）测量的特点在多相流流场诊断领域具有巨大的应用潜力[7-9]激光数字全息技术用激光照射被测颗粒场用CCD记录颗粒的全息干涉图像然后通过数学重建方法再现被测颗粒场图像[10-11]与传统的光学全息技术相比激光数字全息技术避免了繁复费时的光学重现过程有利于现场化和实时化[12-19]。 从目前的研究报道来看，研究者们利用数字全息系统测量颗粒场横截面的尺度通常为1 cm×1 cm[12, 15, 20-22]。由于他们的测量系统中，CCD芯片直接记录颗粒散射光和参考光的干涉光场，因此其尺寸（通常为1 cm2）直接决定了被测流场的截面尺寸。更深层次的原因是CCD分辨率与全息干涉条纹空间频率的匹配问题。干涉条纹的空间频率ff由颗粒散射光与参考光的夹角θ和激光波长λ有关，为ff=sinθ/λ。为了不失真地记录全息干涉条纹，要求CCD的空间频率fCCD≥2ff，因此在现有CCD分辨率有限的情况下限制了测量截面尺度。然而这个尺度常规气固多相流流场如煤粉射流、喷雾、流化床等 扩大测量横截面尺度的最有效方法就是使用高分辨率的CCD相机，如5000×5000像素CCD，其芯片尺寸可达9 cm2。但带来的问题是全息图重建计算量的大幅攀升，增加了实时测量的难度。基于上述考虑，本文主要 颗粒散射特性理论分析 颗粒散射光主要以衍射光为主，根据朗和费圆孔衍射理论，颗粒的前向散射光强角半径θ0=1.22λ/dp的爱里斑内集中了颗粒83.78%的散射光强。θ0与颗粒粒径成反比，如图1所示，颗粒粒径越小，θ0越大，颗粒的散射光强分布越平滑，颗粒粒径越大，散射光强越向中心集中。以粒径100 μm的颗粒为例，其爱里斑角半径仅为0.37o，所能形成的有效干涉条纹的最小间距为81.97 μm。此时为了能不失真地记录爱里斑范围内散射光形成的全息干涉条纹，所要求的CCD像素尺寸dpix≤40.98 μm。而目前CCD芯片单像素的尺寸通常为6-10 μm，因此可以通过成像放大方法把CCD芯片放大6.8-4倍，从而实现在CCD芯片分辨率不变的情况下使测量横截