固液折射率匹配度量化技術
作者：周睿楊，張禹 水利水電工程系
指導老師：徐夢珍，張晨笛 水利水電工程系
關鍵詞：復雜邊界 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為突破傳統(tǒng)水沙運動測量的局限提供了可能方案。折射率匹配技術需確保體系內(nèi)固液折射率相同，使光線穿過體系時不發(fā)生偏折。此時用激光打亮體系內(nèi)的任一剖面可觀察內(nèi)部顆粒排列結構，配合經(jīng)典粒子測速法測量剖面的顆粒運動及局部流場信息。成像和測量效果對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，因此我們設計并開發(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，分析通過不同折射率固液體系時的光線成像特征，然后進行相應的試驗驗證模型結果，并確定合適的量化指標，最終得到基于單顆粒試驗的固液折射率匹配度量化技術和裝置。
理論模型
我們假設固體為折射率1.474的透明玻璃球，讓一束光線部分經(jīng)過顆粒（如圖1），建立了光線成像的二維和三維理論模型，探究光線通過不同折射率固液體系時的成像特點。模型表明，當液體折射率小于固體時，光線會發(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，被球折射的光線會散射到未經(jīng)過球的光線，使其變寬，如圖2(c)、(d)。
圖1 一束部分經(jīng)過顆粒的光線
圖2 雙球情況下模擬的光線成像
試驗研究
理論模型分析后，我們使用線激光器、高速相機、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，分別測試了固相為單球、多球的成像特點，并與理論模擬結果對比。之所以分兩種情況，是因為實際使用折射率匹配技術時，激光需穿過多層玻璃球。結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 單球試驗中光斑面積差與液體折射率的關系
圖6 多球實驗中未經(jīng)過球的光線寬度與液體折射率的關系
結論
我們開發(fā)了一套結果可重復、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。
物理試驗結果顯示，固體的標稱折射率未必準確，進行折射率匹配仍需要嚴格確定最優(yōu)折射率。
基于理論模型和物理試驗結果，論證了一般加工工藝的固體顆粒層數(shù)增加并不會引起最優(yōu)匹配折射率變化。
