多相流中跨尺度气泡群多特征参量瞬态光检测理论与关键技术

为满足化学工程中与泡群及其周围流场测试相关的科学研究和生产应用的迫切需要，构建目前跨尺度气泡群多特征参量瞬态检测技术所缺乏的支撑理论和关键技术。拟通过气泡的全域光散射、光相位数字位成象、光全息干涉理论和实验的研究，分析单气泡、泡群和光场的作用机理，提出泡群信息集成系统的概念，探索尚未掌握的信息及其与泡群的关系，融入已知信息和关系，整合一个可全面反映泡群多物理特征参量的信息系统；根据光场与流场中泡群的作用机理特征，从理论上创建一个由该信息系统可反演出气泡群多物理特征量分布的方法；根据多元光信息系统信息谱、图的特征分析，技术上提出一种可行的反演算法和计算机处理流程；基于全域光学参量的特点，从实验上开发出一种基于本理论方法的多元光信息集成采集和分析的关键技术平台。最终形成一个多相流中跨尺度泡群多特征物理参量瞬态光检测理论及其关键技术的科学成果。可望给气泡群行为的检测理论和技术带来一个全新的突破。

为满足化学工程中与泡群及其周围流场测试相关的科学研究和生产应用的迫切需要，构建目前跨尺度气泡群多特征参数的瞬态检测技术所缺乏的支撑理论和关键技术是具有重要意义的。本课题通过分析个体气泡、泡群与光场作用的机理，实现了个体气泡及简单泡群的全场相位成像及全域光散射的仿真模拟实验，研究了个体气泡、泡群的相位分布及光散射分布特征，探索了特征信息与个体气泡形态大小及泡群中气泡数目与分布情况等信息的关系。结果表明：个体气泡的相位信息反映其形貌，在光轴向无重叠的情况下气泡群中个体气泡的相位成像相互独立，且相位图再现了气泡群中的个体气泡相貌及个体气泡之间的相对位置；不同大小球形气泡随着气泡半径的增大其前向散射和后向散射中心主极大的角宽度都会而变小，而整体振荡频率都在增大，不同形态个体气泡的散射分布也不相同，具有各自的特征；气泡群的前向散射分布会随着气泡群中气泡个数和分布情况变化而变化。考虑到生物细胞与气泡的相似性，本课题把研究扩展到了细胞的检测研究中，发现相同形态和大小气泡和细胞的光散射幅值分布特征是相同的，解包相位分布特征在气泡相位符号取反的情况下也是相同的。同时，本课题建立了五类白细胞的光相位模型并对其进行了相位成像研究，结果表明有核细胞的相位分布不仅仅与干涉相位成像相关，而且与核的散射有关系。本课题还提出了基于普通光学显微镜的数字相位显微方法，设计了加载装置，实现了标准聚苯乙烯小球及气泡的实验相位检测。本课题的研究工作成果有望推动化学工程中气泡行为及其流场特征的检测技术和科学研究工作的发展，同时有助于推进相关光检测科学技术水平的提升。