1 大连理工大学能源与动力学院, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室, 辽宁 大连 116024
大气压氩等离子体射流是一种非平衡等离子体, 能够产生大量的电子、 离子、 激发态粒子和活性基团, 在燃烧过程中这些粒子的参与能够大大降低化学反应的活化能, 而等离子体射流的动力学效应影响粒子输运过程, 使得等离子体射流具有一定程度的辅助燃烧效果。 本实验通过发射光谱测量, 分别识别出了在非预混和预混的甲烷燃烧过程参与燃烧的中间物种(OH, CH和C2), 测量了这些自由基的发射光谱强度随着外部控制变量(放电电压、 混合当量比)变化的规律。 对于非预混情况, 实验发现随着产生等离子体射流放电电压的增大, 火焰总体长度变短, 火焰面出现褶皱, 火焰根部蓝色区域面积不断扩大, 在22 kV时, 大约占总火焰面积的1/2。 对火焰根部的发射光谱测量结果表明, 当电压达到16 kV时, 发射光谱明显增强, 而当电压进一步增大到22 kV时, 这些自由基粒子的光谱强度却出现下降, 这归因于在等离子体产生的电离风作用下管内气体流速增大, 导致燃烧区发生移动远离喷口, 使采集到的火焰根部区域变小造成的。 另外, 研究了在不同的燃料当量比下等离子体射流对预混气体助燃的过程, 实验发现燃料当量比为2时, OH(A-X)的光谱发射强度随电压的增大而增强而CH(A-X)和C2(d)的发射强度在等离子体射流直接作用的情况下减小, 反映了在氩等离子体射流参与助燃下燃烧变得更加充分了。 实验发现等离子体射流产生大量的自由基以及等离子体电离风对混合过程的影响能够对燃烧过程产生明显影响。
大气压 等离子体射流 助燃 甲烷 发射光谱 Atmospheric pressure Plasma jet Assisted combustion Methane (CH4) Optical Emission spectroscopy (OES) 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3251
中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044
利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子在尺度参数变化范围为0.1～23时(波长0.55 μm对应有效半径为0.01～2 μm)的光学特性,并通过分析比较不同取向数下光学特性的差别,研究取向数对非球形沙尘粒子光学特性的影响。对单分散系,较少的取向数使旋转椭球体沙尘气溶胶粒子的各光学参量对于取向的选取敏感,但随着取向数的增多,沙尘粒子的各光学量逐步趋于一致。对多分散系,受粒子谱分布积分效果的影响,旋转椭球体沙尘气溶胶粒子对取向的敏感度,相比单分散系要稍低一些。粒子的非球形程度对获得随机取向光学特性取向数的选取也有影响,粒子非球形特征越明显,获得随机取向光学特性所需要的取向数越多。以多分散的旋转椭球体沙尘粒子为例,要获得随机取向沙尘粒子的消光效率因子、单次散射反照率和不对称因子(相对偏差在1%以内),轴半径比为16的非球形程度所需的取向数超过500,而轴半径比为2的非球形程度所需的取向数则仅超过100。
光散射 取向数 沙尘气溶胶 旋转椭球体 light scattering orientation number dust aerosol spheriod
中国气象局 气溶胶与云降水重点开放实验室,南京信息工程大学 大气物理学院,南京 210044
利用米散射理论数值计算分析了尺度参数为0.1～100时球形典型气溶胶粒子的散射和吸收特性对复折射率的依赖性关系。气溶胶粒子复折射率的实部和虚部是一个有机的整体, 粒子复折射率的实部和虚部可以分别影响其散射和吸收特性。若实际大气气溶胶粒子大多是成核模态和积聚模态的小粒子, 基于气溶胶的散射和吸收特性可以获得其复折射率的唯一解。但是, 如果大气中存在大量的粗模态粒子时, 气溶胶散射和吸收特性对其复折射率的依赖性较为复杂, 只有选择有限的合适复折射率库区间, 才有可能获得更合适的有效复折射率。
光散射 气溶胶 复折射率 散射和吸收特性 依赖性 light scattering aerosol refractive index scattering and absorption dependency
中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,南京信息工程大学大气物理学院,南京 210044
利用离散偶极子近似法分析了一种随机取向旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1～23时(波长0.55 μm对应有效半径为0.01～2 μm)的光学特性,研究了沙尘粒子非球形性程度对其光学特性的影响,并考察了非球形粒子的随机取向能否用等体积球体来代替。就随机取向单分散和多分散旋转椭球体沙尘气溶胶而言,粒子非球形特征越明显,消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率基本上偏离其等体积球体越大;对于相同的非球形,不对称因子偏离其等体积球体的相对偏差要比消光效率因子和单次散射反照率要大。非球形粒子的随机取向并不能使其光学特性严格等效为其等体积球体的光学特性。如果粒子形状偏离球体较小,则非球形粒子的随机取向的平均效果能使其消光效率因子、不对称因子和单次散射反照率近似用等体积球体的对应光学参量来等效;而如果粒子形状偏离球形较大,仅有单次散射反照率可以近似用等体积球体的单次散射反照率来等效,例如,轴半径比为16的旋转椭球体沙尘粒子的单次散射反照率偏离其等体积球体仅在3%以内。
光散射 沙尘气溶胶 随机取向 旋转椭球体 light scattering dust aerosol orientation-averaged spheroid
南京信息工程大学大气物理学院中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 江苏 南京 210044
利用离散偶极子近似法研究了旋转椭球体沙尘气溶胶粒子模型在尺度参数变化范围为0.1~23时(波长0.55 μm对应有效半径为0.01~2 μm)的线退偏比特性。通过分析比较不同轴半径比时线退偏比特性的差别，研究了粒子非球形性程度对单分散和多分散沙尘气溶胶粒子退偏比特性的影响。对单分散系，旋转椭球体沙尘气溶胶的线退偏比在瑞利散射区和米散射区随散射角的变化有不同的分布特征；在瑞利散射区，散射角分别为0°和180°的前后向散射方向，线退偏比较小，其值在1%的量级，而在散射角为90°附近的侧向，线退偏比有最大值，可达100%；在米散射区，线退偏比则无明显的极值分布，但有明显的后向增强；单分散沙尘粒子明显的非球形性特征，会增加在瑞利散射区的线退偏比，但却不会明显增加米散射区的线退偏比。而对多分散系，除了出现线退偏比最大值的侧向附近(80°~100°)之外，沙尘粒子非球形性特征越明显，其线退偏比越大。
散射 沙尘气溶胶 线退偏比 旋转椭球体
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院大学, 北京 100049
气溶胶单粒子的光学特性对于大气辐射过程的精确模拟至关重要。利用离散偶极子近似法，研究了一种硫酸盐包裹黑碳的非对称双成分气溶胶粒子模型在尺度参数为0.1~25时的光学特性，通过改变黑碳的位置分析了内部结构对内混合粒子光学特性的影响。黑碳位置对整个内混合体的消光、散射、后向散射效率因子、不对称因子、消光后向散射比和单次散射反照率有重要影响，在瑞利散射区影响较小，而在米氏散射区影响较大。黑碳位置仅对瑞利散射区的散射相函数和瑞利散射区中除了0°和180°附近之外散射角方向的影响较小。黑碳越小，其位置对内混合体的消光、散射和后向散射效率因子的影响越小。同一尺度参数下，黑碳离球心越近，内混合体单次散射反照率越小，而吸收效率因子则越大，存在明显的透镜效应。黑碳越小，透镜效应越明显；内混合体尺度参数越大，透镜效应也越明显。
大气光学 气溶胶粒子 光散射 内部结构 透镜效应 光学学报
2013, 33(11): 1101001
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所 大气成分与光学重点实验室， 合肥 230031
2 中国科学院大学， 北京 100039
针对不同比例的灰尘和海盐团簇自然气溶胶，利用离散偶极子近似(DDA)法，通过考察成分的影响，使用波长为0.55 μm，尺度参数变化范围为0.1~25时，研究了散射相函数和激光雷达比的影响，结果表明二者的变化趋势大体相同。尺度参数为13~24时，团簇自然气溶胶散射相函数有明显的后向散射加强，其中尺度参数为18附近，后向散射加强效应最明显。灰尘比海盐对散射相函数影响更大，二者的影响主要集中在尺度参数为15~25范围内，但除了散射角为180°附近的后向外，影响的散射角方向略有不同。不同比例下的团簇自然气溶胶激光雷达比在尺度参数为3左右有最大值，其值约为180。在尺度参数为0.2~25范围内，成分对激光雷达比的影响不大，相对偏差小于10%，特别是尺度参数为0.5~2时的影响可以忽略，相对偏差小于1%。
大气自然气溶胶 团簇 散射相函数 激光雷达比 atmospheric natural aerosol particles aggregates scattering phase function lidar ratio
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 合肥 230031
2 中国科学院研究生院, 北京 100039
使用离散偶极子近似算法DDSCAT7.1与米散射理论算法MIEV0研究复杂成分混合体等效性时, 由于两者为不同的原理和实现算法, 考察DDSCAT7.1和MIEV0所计算出的相同光学量的相对偏差将非常必要。通过比较两种算法所计算出的球形散射型粒子海盐和吸收型粒子含碳气溶胶的光学量的相对偏差, 结果表明: 两种算法所计算的非散射角函数光学量的相对偏差较小; 在瑞利散射区, 散射相矩阵分量M1和S21的相对偏差较小, 而M2和D21只在一定的散射角范围内相对偏差较小; 在米散射区, M1、M2、S21在有限的散射角范围内相对偏差较小, 而D21的相对偏差则普遍较大。在光散射等效性判据选取时, 非散射角函数光学量适合用来研究内混合体的等效性, 而散射相函数则不太适合用来研究内混合体等效性, 除非综合考虑粒子尺度参数以及选择合适的散射角等因素。在光散射技术中对粒子谱分布和折射率相当敏感的D21, 比较难以用在以两种方法为基础的内混合体等效性研究中。
光散射 等效判据选取 离散偶极子近似法 米散射 light scattering parameter selection for equivalence discrete-dipole approximation mie scattering theory
1 中国科学院 安徽光学精密机械研究所, 大气成分与光学重点实验室， 合肥 230031
2 中国科学院 研究生院， 北京 100039
利用离散偶极子近似法计算分析了随机取向团簇自然气溶胶(包含灰尘和海盐)在等效半径变化范围为0.01～2 μm(波长为0.55 μm时对应尺度参数为0.1～23)时的光学特性。通过考察成分和形状的影响，计算结果表明：成分对团簇自然气溶胶的散射、后向散射效率因子,不对称因子,以及米散射区范围内的消光效率因子的影响均较小，其中对尺度参数为9～23时的消光效率因子和尺度参数小于2.3时的不对称因子几乎没有影响; 成分对瑞利散射区范围内的消光效率因子及吸收效率因子的影响相对较大。形状对团簇自然气溶胶在尺度参数小于0.7时的消光、吸收、散射效率因子及后向散射效率因子的影响可以不计; 当尺度参数大于4.6时，粒子的内在对称性和表面的突变会带来明显的影响。另外，团簇自然气溶胶在米散射区内、尺度参数较大时，散射相函数有明显的后向散射加强效应。
大气自然气溶胶 团簇 随机取向 光学特性 atmospheric natural aerosol aggregates random orientation optical properties 强激光与粒子束
2012, 24(10): 2441
1 中国科学院安徽光学精密机械研究所中国科学院大气成分与光学重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院研究生院, 北京 100049
以包含灰尘、黑碳和水三种成分的单分散内混合初次气溶胶为例，利用消光、吸收、散射效率因子和不对称因子，探讨了以等效折射率描述具有不同成分的内混合气溶胶粒子系统的适用性。结果表明，在尺度参数为0.1~25时不同半径比下，消光、吸收和散射效率因子的等效性较好，相对误差分别在3%、3%和4%以内；不对称因子的等效性相对稍差，相对误差在13%以内。当半径比a/b小于1/5，即内混合体中所含灰尘和黑碳较少时，等效折射率实部和虚部值基本可以确定，而不必考虑尺度参数的影响。用除散射相函数之外的其他光学量来等效时，较为容易找到等效的气溶胶粒子。
散射 大气光学 气溶胶粒子 等效性 内混合
