破碎波卷入瞬变微气泡羽流测量方法和实验研究

Heat flux and water-air exchange flux produced by bubble plumes in breaking waves are the important component of the air–sea interface fluxes. The dual-tip optical fiber probe (D-OFP) is the most promising method for measuring transient micro bubbles in breaking waves due to expensive cost and technical defects of existing techniques. However，the measuring errors of D-OFP is large because of the ineffective signal processing，the large amount of missing bubbles , lacking of velocity vector. In order to improve the precision of D-OFP, the measuring errors of D-OFP is analyzed and the model of multi-tip optical fiber probe(M-OFP) is built by the Monte Carlo simulation，and the sapphire optical fiber shaping process based on laser grinding and circuit design with sensible frequency response and low noise parameters is proposed , and then the experiment used to make bubble size measurements with M-OFP is preformed, the signal processing based on wavelet threshold and clustering algorithm will be applied to identify bubble’s parameters accurately and efficiently. Finally, a synchronize photographic experimental investigation will be conducted in order to evaluate the use of M-OFP for measuring the size distribution of transient micro bubble plumes. The research will provide high temporal-spatial resolution data to heat flux and water-air exchange flux.

碎波卷入气泡羽流产生的热通量和水汽通量是海-气界面通量的重要组成部分，瞬变微气泡羽流的观测受限于观测成本和观测技术。双针光纤探头(D-OFP)是捕获瞬变微气泡数据的最有效方法，但仍存在逃逸气泡数量过多、气泡运动速度矢量参数缺失、气泡信号处理方法误差大等缺点。为提高瞬变微气泡羽流的观测精度，项目拟通过分析D-OFP的观测误差，采用蒙特卡罗仿真技术建立多针光纤探头(M-OFP)的测量模型；提出基于蓝宝石光纤激光研磨工艺和基于高频率响应低噪声电路设计的技术设想，设计M-OFP传感器；并设计M-OFP观测实验，考虑其输出信号数据量大、非平稳的特点，拟设计基于小波阈值和聚类识别算法的气泡信号处理方法，以提高信号的处理精度和处理速度；最后比对M-OFP捕获的气泡信号与图像法采集的气泡信号，验证和评估M-OFP的观测性能。研究有望为海-气界面热通量和水汽通量模型提供更高分辨率的气泡体积含量数据。

针对现有图像法、声学法等观测方法无法观测时空变化速率快、粒径小的破碎波卷入瞬变微气泡羽流的限制，采用多针光纤探针侵入式测量方法进行观测。主要研究成果如下：（1）从理论上验证了多针光纤探针（M-OFP）可提高瞬变微气泡羽流的观测精度。以补偿双针光纤探针测量气泡羽流的速度参数误差为目标，选定四针光纤探针为模型，完成M-OFP传感器的建模研究，得出M-OFP可测量气泡运动速度、气泡数量、气泡卷入深度等多维度信息的结论。（2）研究了传输介质、物理特性与M-OFP传输性能间的关系。开展了不同传输介质（蓝宝石、石英、玻璃、塑料）、不同物理特征（圆锥形、球形、锥球形、抛物线形和椭球形）条件下光纤探针性能仿真实验，以探头照度峰值、回光总功率等指标为优化目标，得出圆锥形蓝宝石光纤与石英光纤可作为光纤探针试制原型的理论。（3）完成了M-OFP原型试制研究。基于单片机的光纤成型系统构建了蓝宝石多针光纤探头试制平台，试制了蓝宝石型和石英型M-OFP传感器，并利用嵌入式技术完成了传感器处理电路设计，验证了具有ARM内核的嵌入式控制器在M-OFP传感器输出脉冲信号采集、滤波、整形等方面的独特优势（功耗低、实时行强、成本低）。（4）利用水箱、自制传感器原型、流量计、空气泵等构建了基于多个试制光纤探针为核心的气泡羽流观测平台，开展气泡羽流实验室观测研究，得到了传感器输出信号与气泡数量、气泡粒径、气泡卷入深度、空隙率间的关系。（5）开展了基于图像法的气泡羽流观测比对实验，验证了光纤探针可测量小尺寸气泡羽流的可行性。利用多针光纤探针开展瞬变微气泡羽流测量研究具有低成本、低功耗、安全等优点，项目研究成果可为复杂海况下形成的高密集气泡羽流观测提供更准确的原位观测数据，为海气通量计算、海洋仪器布设等提供基础验证数据,为研制新型气泡羽流传感器（如大面积气泡羽流观测传感器）、水下攻击武器设计(如大气泡能武器)等提供了理论和技术支撑。