两相流中颗粒的运动速度、粒径分布和体积分数是非常重要的参数。本文介绍了一种基于透过率起伏相关频谱测试技术的光学测量装置，并采用该装置实现了颗粒运动速度、粒径分布和体积分数的同时测量。该测试装置具有结构简单、易实现和便于安装维护等特点，有望应用于两相流的在线实时测量。实验结果与标称直径、其他测量方法所得结果相符并具有较好的重复性，证明了测试装置的可行性。

提出了一种基于Fraunhofer衍射理论的燃烧颗粒粒径在线测量方法。根据固体推进剂药条燃烧火焰辐射光谱特性,选取450 nm蓝紫光激光器为光源,采用450 nm滤波探测方式消除固体推进剂燃烧的自发光辐射影响,搭建了固体推进剂药条燃烧颗粒粒径的在线测量系统。并利用10.9 μm标准颗粒、160 μm标准颗粒、及混合标准颗粒系对该系统开展粒径测量验证。燃烧实验的结果表明,固体推进剂药条燃烧颗粒的粒径约为10 μm和160 μm,呈双峰分布特征,数目分布主要集中在160 μm左右,随着药条燃烧时间增加,10 μm附近颗粒数量增多,160 μm附近颗粒数量减少。对于同一燃速下的固体推进剂,初始测量高度越高,燃烧颗粒的粒径越小。在初始测量高度相同时,不同燃速下燃烧颗粒的平均粒径相差不大。这些结果为固体推进剂燃烧过程研究提供了参考。

提出一种高斯光束照射下颗粒后向散射光信号的测试方法,对悬浮于流体中不同粒径的玻璃微珠进行了测量,并对测得的脉冲波形进行分析。结果发现,采集的波形基本上符合高斯分布,且波形峰值与粒径有较好的线性关系。对不同颗粒数浓度的粒径为19.2 μm的标准玻璃微珠的信号波形进行实时采集,得到了浓度与脉冲数的对应关系。研究结果表明,所提出的测试方法可以得到颗粒粒径和浓度信息,有望应用于后续激光放大器的腔内检测。

颗粒粒径和颗粒折射率是光散射颗粒测量技术中的重要参数。为了实现颗粒粒径的测量及其分档, 在广义Mie理论基础上, 分析了颗粒粒径及折射率对后向散射光能分布的影响, 并得到了后向散射光能分布随颗粒粒径及折射率呈周期变化规律。实验验证结果表明, 后向散射光能与颗粒粒径及颗粒浓度有关。研究结果可为后续的颗粒测量研究提供参考。

为实现雾化过程中局域内单液滴的测量, 采用德拜级数展开研究了高斯光照射下球形液滴一阶彩虹区域的散射光强分布, 以及高斯光束腰大小对光强分布峰值角度的影响.根据德拜级数展开计算的散射光强分布反演液滴的折射率和粒径,证明了根据高斯光的彩虹散射反演液滴信息的可行性.基于广义洛伦兹-米氏理论计算一阶彩虹区域的总光强分布, 根据总光强分布反演液滴折射率和粒径, 讨论了高斯光束位置对反演液滴信息的影响.对于半径在200~1 000 μm区间的液滴, 高斯光束位于中心入射时, 反演折射率的误差小于2.38×10-4, 粒径的相对误差在-3.31%~3.31%之间.与采用平行光彩虹技术相比, 采用高斯光束为入射光可以得到较高的光能聚集区, 较好地定义测量区大小,既可以有效避免多个液滴同时出现在测量区的情况、减小颗粒之间复散射的影响, 又可以提高信号强度.

基于矢量光线追踪(VRT)模型, 研究了均匀椭球形液滴三阶和四阶彩虹区域的光学焦散结构, 详细探究了光学焦散结构的演化过程, 得到了三阶彩虹条纹的模拟结果、条纹曲率以及三阶彩虹和双曲脐条纹尖点焦散位置与椭球度的关系。

反演算法是光散射颗粒测试技术中的关键问题之一，以Tikhonov正则化方法为代表的单参数正则化算法被广泛应用于激光粒度仪颗粒粒径分布函数(PSD)的反演计算中。该算法的缺点之一是所得到的反演解呈现出振荡特征,并伴随负值。为改善这一状况，提出了一种多参数正则化算法。通过构建一个由多个参数控制的带通滤波函数，分别控制正则化解的振荡程度和解的高度，并对正则化解进行非负约束。模拟计算和实验研究结果表明，对多参数进行优化后能够降低正则化算法带来的振荡和负值。此外，所提出的算法具有较好的多峰识别能力，可实现颗粒粒径分布的有效重建。

以前向光散射颗粒测试技术中的反演问题为研究对象, 将颗粒粒径分布函数表示为一系列B-spline函数的线性组合以降低反演问题的病态性。模拟计算与实验表明: 采用基函数形式的Tikhonov正则化方法可减少传统Tikhonov正则化反演带来的振荡, 使其更加光顺。