固液折射率匹配度量化技術(shù)
作者：周睿楊，張禹 水利水電工程系
指導(dǎo)老師：徐夢(mèng)珍，張晨笛 水利水電工程系
關(guān)鍵詞：復(fù)雜邊界 河床透視 折射率匹配
摘要
基于折射率匹配的河床透視技術(shù)為突破傳統(tǒng)水沙運(yùn)動(dòng)測(cè)量的局限提供了可能方案。折射率匹配技術(shù)需確保體系內(nèi)固液折射率相同，使光線穿過(guò)體系時(shí)不發(fā)生偏折。此時(shí)用激光打亮體系內(nèi)的任一剖面可觀察內(nèi)部顆粒排列結(jié)構(gòu)，配合經(jīng)典粒子測(cè)速法測(cè)量剖面的顆粒運(yùn)動(dòng)及局部流場(chǎng)信息。成像和測(cè)量效果對(duì)固液相折射率差值十分敏感，但現(xiàn)有精確度量固液折射率差值的手段非常有限，因此我們?cè)O(shè)計(jì)并開發(fā)了一種固液折射率匹配度量化方法及配套裝置?；驹頌楣饩€經(jīng)過(guò)固液混合物的成像差隨溶液折射率的變化呈現(xiàn)先減小再增大的特征。我們首先建立理論模型，分析通過(guò)不同折射率固液體系時(shí)的光線成像特征，然后進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證模型結(jié)果，并確定合適的量化指標(biāo)，最終得到基于單顆粒試驗(yàn)的固液折射率匹配度量化技術(shù)和裝置。
理論模型
我們假設(shè)固體為折射率1.474的透明玻璃球，讓一束光線部分經(jīng)過(guò)顆粒（如圖1），建立了光線成像的二維和三維理論模型，探究光線通過(guò)不同折射率固液體系時(shí)的成像特點(diǎn)。模型表明，當(dāng)液體折射率小于固體時(shí)，光線會(huì)發(fā)生間斷，具體成像如圖2(a)、(b)所示，而液體折射率大于固體時(shí)，被球折射的光線會(huì)散射到未經(jīng)過(guò)球的光線，使其變寬，如圖2(c)、(d)。
圖1 一束部分經(jīng)過(guò)顆粒的光線
圖2 雙球情況下模擬的光線成像
試驗(yàn)研究
理論模型分析后，我們使用線激光器、高速相機(jī)、接收板和固液體系（高硼硅玻璃球和碘化鈉溶液）搭建了匹配度量化裝置，分別測(cè)試了固相為單球、多球的成像特點(diǎn)，并與理論模擬結(jié)果對(duì)比。之所以分兩種情況，是因?yàn)閷?shí)際使用折射率匹配技術(shù)時(shí)，激光需穿過(guò)多層玻璃球。結(jié)果表明最佳匹配折射率并不隨球的層數(shù)增加而顯著變化，而光線穿過(guò)固液混合物和純?nèi)芤盒纬傻墓獍呙娣e差可以精確度量固液相折射率匹配程度。
圖3 試驗(yàn)裝置俯視圖
圖4 拍攝的部分圖像：a)單球情況；b)多球情況
圖5 單球試驗(yàn)中光斑面積差與液體折射率的關(guān)系
圖6 多球?qū)嶒?yàn)中未經(jīng)過(guò)球的光線寬度與液體折射率的關(guān)系
結(jié)論
我們開發(fā)了一套結(jié)果可重復(fù)、便于操作、成本較低的折射率匹配度量化裝置，能快速確定固液匹配最優(yōu)折射率。
物理試驗(yàn)結(jié)果顯示，固體的標(biāo)稱折射率未必準(zhǔn)確，進(jìn)行折射率匹配仍需要嚴(yán)格確定最優(yōu)折射率。
基于理論模型和物理試驗(yàn)結(jié)果，論證了一般加工工藝的固體顆粒層數(shù)增加并不會(huì)引起最優(yōu)匹配折射率變化。
