激光诱导荧光（LIF）技术是一种主动式的遥感光学探测技术。土壤是常见的天然多孔介质，与石油混合后油滴会进入其孔隙内部，其独特的结构可以使光线发生多次反射和吸收，这种现象导致LIF探测土壤石油污染物获得的荧光分布具有差异性。笔者根据土壤含油量的多少以及分布特点，将土壤石油污染物分为油泥与含油土壤，基于蒙特卡罗方法和多孔介质的隐函数表示法，分别建立油泥和含油土壤的荧光仿真模型，采用荧光转换效率（接收荧光功率与发射激光功率的比值）表征荧光强度，从不同出射方向分析发射出土壤的荧光分布情况。通过模拟不同油品污染的油泥和含油土壤在不同入射天顶角、孔隙率、孔隙密度下的荧光转换效率，分析不同油品、LIF系统参数和土壤因素对荧光分布的影响。仿真结果表明：对于同种石油污染的油泥和含油土壤，油泥因较高的含油量导致荧光信号强于含油土壤；当激光垂直入射时，LIF系统收集的荧光信号强度最高，入射角度增大会导致荧光信号强度逐渐减弱；土壤石油污染物的荧光强度会随着孔隙率的增大而增大，随着孔隙密度的增大而减小；在激光照射下，轻质原油污染的土壤由于吸收系数较低，产生的荧光信号要弱于重质石油污染的土壤。本研究为LIF探测陆地溢油污染提供了理论和技术支持。

红外热成像技术是一种应用广泛、发展较快的新型数字化无损检测技术, 但其目前仍存在测量精度较低、图像噪声影响较大、数据量巨大等缺点。本文利用红外热成像技术, 在孔隙尺度下对多孔材料内石蜡和水的相变过程进行了表征, 并对红外热成像测温精度和相界面的表征进行了优化。首先通过添加反射表面(褶皱的铝箔)获取测试过程中环境反射温度, 以修正目标物体温度; 同时通过引导滤波和主成分热像法( Principal component thermography, PCT)对红外热成像图片降噪, 提高红外热像仪对温度场及相界面的检测精度。实验结果表明: 环境反射温度修正法可以排除测试环境温度变化对红外测温结果的影响; 引导滤波法选取合适的滤波半径和滤波参数后相界面轮廓更加清晰, 并取得较好的降噪效果; 主成分热像法除了降噪效果好, 使相界面更清晰, 并使处理数据量减少了 4个量级。上述 3种优化方法为红外热成像技术在孔隙尺度下多孔介质相变过程表征中的应用提供了技术支持。

为研究回热器中填充结构的微观结构特征，基于多孔介质分形理论，使用压汞法对回热器孔隙分布情况及分形维数进行研究。回热器是微型斯特林制冷机的关键部件，使用不锈钢网片或不锈钢毡填充制备的回热器是一种典型的多孔介质。采用压汞法对回热器进行微观结构测试，得出回热器内部孔隙分布范围。结合多孔介质分形分析的基础理论，计算得出回热器分形维数，说明了回热器具有分形特征，得出回热器的分形维数区间。

研制了一种适用于板状燃料堆芯的黄玉改色装置, 并对辐照装置的物理安全特性及结构安全特性进行了分析。利用CFD多孔介质模型, 获得了改色装置的流场和温度场, 确定了功率限制因素, 并对装置进行了优化, 增强了中子选择材料的冷却能力, 结果表明, 优化后可在额定功率下进行黄玉改色试验。开展了改色装置的堆外水力学特性实验及冲刷试验, 装置工作压差附近的流量试验数据与理论模拟结果差别为-3.6%~1.9%, 二者一致, 冲刷试验表明, 装置对黄玉残渣有很强的包容、收集效果, 不会导致燃料元件流道堵塞。

细胞培养是进行细胞研究的基础, 为了在细胞体外培养时提供一种近似于体内的微环境, 设计了一种可供细胞三维动态培养的微器件。首先设计了用于输运流体的微通道网络, 培养池对称布置于微通道网络中, 通过一系列“多进多出”型微通道分别与进样口和出样口相连。利用Comsol软件中的层流物理场和多孔介质物理场耦合对培养池内的流场进行仿真, 通过比较流场的均一性和稳定性优化微通道网络结构。然后, 采用静电直写技术在培养池内集成聚己内酯(PCL)三维支架, 构建细胞三维培养空间。最后, 封合微器件, 检测微器件培养池内的流体流动情况, 并进行细胞实验。实验结果表明, “2×2”型微器件培养池内的流体稳定性和均一性较好; PCL三维支架的纤维间距400 μm, 纤维直径80 μm, 孔隙率64%, 细胞存活率达到90%以上。该细胞三维动态培养微器件更好地模拟了生物体内细胞生存所需的微环境, 培养池内的细胞生长良好, 满足设计要求。

采用国内自主开发的高分辨率显微CT设备, 对岩芯样本进行图像采集, 运用数字图像分析方法获得图像中的岩芯孔隙目标, 并以此为基础重建三维模型。然后基于分形理论, 分别从二维图像和重建的三维模型角度计算孔隙的分形维数。最后, 再采用基于多孔介质的分形模型对岩芯孔隙分形特征进行验证, 得出岩芯的二维分形维数和三维分形维数之间的差值均值为1.000 3, 最大偏差为0.004, 很好地满足多孔介质分形模型中关于二维和三维分形维数的关系。

受化学氧碘激光器(COIL)高效率小型化及新型压力恢复技术发展的推动，考虑COIL中气体氧的低温吸附问题。从质量守恒观点出发考察了气体流过沸石多孔床的压力与速度的关系，建立了吸附剂吸收的物质与气流中物质关系的吸附平衡方程。由吸附物较少的特点，得出在确定的压力梯度下速度为常数的近似。由吸附平衡方程与吸附速率方程，构成低温吸附模型方程，其中，亨利等温线方程作为辅助关系。对低温吸附模型方程作数值求解，得到了气流中氧质量浓度及吸收的氧质量浓度随时间变化的规律，以及这些质量浓度分布的长时间渐近特征。

研究了用少数激光束对低密度结构吸收体的靶有效、对称压缩的可能性。提出了考虑纳秒级高功率激光脉冲吸收特点的多孔介质状态方程。表明,这种靶的开放型方案可使用普通高斯光束,不要求吸收体表面特殊成型。确定了只用两激光束(或两组光束)有效压缩这种靶所必须的条件。计算表明,激光脉冲能量2.1MJ时,该靶的增益系数达到7。

介绍了用He-Ne激光测试多孔介质中CO2的露点的技术，并给出实验结果。