微流体流动和传热关键参量三维、实时和瞬态测量方法研究

微尺度流体流动和传热研究是当前流体力学和传热学领域的重大学科前沿，具有重要的学术探索价值和广阔的工业应用前景。微流体流动和传热关键参量实验测量技术，尤其是非接触、三维、实时和瞬态测量方法是实验研究微流体的重要手段，对于微流体流动和传热机理研究具有重要的推动作用。为此，本项目拟对微流体流动关键参量速度场和传热关键参量温度场的三维同步测量方法进行研究，提出采用温度敏感的磷光颗粒作为示踪粒子，基于先进数字显微全息获得磷光颗粒的三维空间分布和三维速度场，基于磷光强度分布获得二维温度场，并结合颗粒三维空间分布还原三维温度场，从而实现微流体三维速度场和三维温度场的同步测量。本项目主要对所提出的微流体速度场和温度场三维测量系统的光路布置、信息处理和识别、系统的可靠性和测量精度展开研究，同时也利用所提出的测量系统对典型微尺度流体的流动和传热传质过程进行研究。

微流体流动和传热研究是当前流体力学和传热学领域的重大学科前沿，具有重要的学术探索价值和广阔的工业应用前景。微流体流动和传热关键参量实验测量技术，尤其是非接触、三维、实时和瞬态测量方法是实验研究微流体的重要手段，对于微流体流动和传热机理研究具有重要的推动作用。项目对基于数字显微全息和激光诱导荧光/磷光的微流体三维速度、温度场同时测量方法进入了深入研究，获得了一系列成果。在全息理论方面，利用广义洛伦兹-米理论（GLMT )建立了有形高斯光束条件下的颗粒散射精确模型；利用标量衍射理论和ABCD矩阵光学研究了有形光束照明条件下的管内颗粒全息图特性，适用于微通道内示踪粒子的有像差全息成像。全息重建方面，提出了用分数傅里叶变换、非对称小波重建、改进的卷积重建等方法，实现有像差全息图的重建，为微通道内示踪粒子的定位和速度测量奠定了基础。在颗粒三维定位和速度场重建方面，提出了以亮度梯度方差为聚焦判据，相比强度聚焦判据，z轴定位精度提高10倍以上；首次使用聚焦函数互相关算法计算颗粒z轴方向速度，比以往方法精度大大提高。温度场测量方面，研究了不同荧光和磷光物质的测温效果，比较了磷光材料ZnS:Eu和荧光材料罗丹明B，磺基罗丹明101组合，单一荧光测温材料吡咯597-8c9在三维速度、温度场同时测量中的应用。分析了荧光颗粒在离焦条件下的成像特性；在此基础上提出了离焦双色荧光测温方法，模拟和实验证明该方法成功将以往的双色荧光测温法从聚焦平面扩展到三维离焦空间，测温范围为20~70℃。实现了微流体三维速度场、温度场同时测量。项目研究成果对微流体流动测量起到了积极推进作用，为微流体典型传热传质提供了有效的实验测量手段。本课题研究过程中发表论文20余篇，其中SCI论文17篇，EI论文20篇；培养1人晋升教授，毕业博士1名，硕士4名，在读博士3名，硕士3名。