球锥扁椭球冰粒后向散射实验与DDA计算研究

采用实验室观测和 DDA法理论计算 ,分别获得了球锥扁椭球形冰粒对 3 .2、5.6和 1 0 .7cm三种波长极化波的后向散射特性数据。结果表明 ,测量资料和计算数据具有很好的一致性。球锥扁椭球形冰粒的后向散射截面大小不仅依赖于其尺寸 (等容半径 )而且受其形状影响 ,“差反射率因子 ZDR”与粒子形状参数“水平—垂直尺度比”呈很好的线性正相关。

二阶数据近似算法对DDA圆弧插补的改进

通过二阶数据近似算法对DDA圆弧插补优化改进分析,推导DDA圆弧插补及其改进算法的数学表示,证明了二阶数据近似算法对DDA圆弧插补的改进具有简单性和高速性.分析减少DDA圆弧插补径向误差与消除累积误差的有关参数,以进一步提高DDA圆弧插补精度.

干扰气溶胶及火灾烟颗粒光散射特性数值模拟研究

为解决传统光电感烟探测器易受到干扰气溶胶(水蒸气、粉尘等)影响而导致误报率较高的问题,提出1种火灾烟颗粒和干扰气溶胶区分识别方法。根据不同粒径大小、复折射率及形貌特征,建立明火烟颗粒(分形凝聚体)、阴燃/热解烟颗粒(球形)、水滴(球形)、粉尘(椭球)的散射模型,基于离散偶极子近似方法及Mie散射理论,研究其在405 nm波长和870 nm波长下的光散射特性。研究结果表明:火灾烟颗粒与干扰气溶胶在2种波长下的散射光强具有较大区别,尤其在前向散射角度时S 11比值的区别更为明显。研究结果可对传统光电感烟探测器光路结构设计优化改进,降低误报率。

基于离散偶极子近似生物细胞光散射研究

用离散偶极子近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)对生物细胞的光散射特性进行数值模拟,分析讨论了基于生物细胞的相对折射率、散射截面、粒子直径等的光散射图像。分析表明,生物细胞的散射光强随着散射角度和相对折射率的增大而增大,散射的主要能量集中在10°散射角以内。然后设计了用于分析悬浮生物细胞的光散射实验装置,并以悬浮的牛肾细胞作为实验样品,进行实验研究。分析结果显示,模拟数据与实验数据符合较好。为进一步研究生物细胞散射特性以及无损检测提供一种理论和实验方法。

鳞片石墨粒子红外消光性能数值计算

利用离散偶极子近似（DDA）方法计算了圆形鳞片石墨粒子对中远红外消光性能与波长、圆片直径和厚度等的关系，结果表明，片径3～4mm的圆形鳞片石墨粒子（厚度为直径的1/10）对中远红外的消光性能较好，散射作用大于吸收作用，圆片粒子的消光性能明显好于对应有效半径的球形粒子的消光性能，圆片厚度越薄，消光系数越大，并逐渐趋于最大值。

离散大块体断裂破坏分析方法研究

一般离散单元计算方法(包括DDA方法)受离散块体低阶线性位移近似的限制,在模拟开裂过程时,需要将大部分实际上连续的区域离散化,离散方式对分析结果有显著影响。为了建模时利用真实结构面来构造块体系统,提高大块体位移应力分析精度,有必要引进新的位移近似假设。本项研究在块体内引入无网格法位移模式,以离散节点位移自由度代替原基本块体自由度,并在此基础上进行块体内非贯穿裂纹扩展和强度破坏分析。为此建立的无网格法裂纹扩展分析算法,采用满足单位分解条件的特殊增强型函数表达裂纹周围应力场的非连续、奇异特性,将对应的扩展自由度动态映射到裂纹周围的节点上,统一按DDA法隐式迭代方式求解,实现块体裂纹扩展和强度分析,相关算例结果显示该算法是合理有效的。

六角形冰晶的94 GHz毫米波后向散射特性的模拟计算分析

利用离散偶极子近似法(DDA),研究了等效半径Re在0.8 mm范围内的柱状和片状冰晶在不同空间取向、温度和尺度比时,对94 GHz雷达发射的水平偏振波产生的后向散射,并讨论了等效雷达反射率因子Ze随粒子谱中值直径及冰水含量的变化。结果表明,温度对后向散射效率的影响较低,空间取向对后向散射效率的影响与粒子大小和形状有关。当雷达波垂直指向天顶,在冰晶粒子等效半径Re<0.8 mm时,水平取向冰晶的后向散射效率比随机取向大,粒子越偏离球形,差别基本上越大;在同一取向时,粒子越偏离球形,后向散射效率基本上越大。在一定冰水含量下,取向、形状和冰晶谱的形状参数对Ze的影响和粒子谱中值直径有关;对于垂直指向的雷达,如果将六角形冰晶等效为等体积球形冰晶,当粒子较大(0.4 mm<Re<0.8 mm)时,其Ze将被低估。

随机取向六角形冰晶粒子的散射特性研究

利用离散偶极子近似方法研究卷云中随机取向六角形冰晶粒子的取向比对散射特性的影响,数值计算了在小尺度范围内随机取向六角形冰晶粒子的散射特征量,包括散射相函数、消光效率因子、不对称因子、单次散射反照率和线偏振度。研究表明:取向比对随机取向六角形冰晶粒子散射特征量的影响比较明显,并且此影响随着粒子尺度参数的变化而变化,与入射波长无关;相同尺度参量和不同取向比粒子的散射相函数的角分布曲线均有一个交点,并且随着粒子尺度参量的增加,交点所对应的散射角度值逐渐向小角度方向移动。此研究结果为气溶胶粒形检测和识别提供了理论依据。

基于不对称比的火灾烟雾探测器散射角优化

为提升基于不对称比的火灾烟雾探测器的性能,优化散射角,通过对火灾烟雾粒径信息的收集,建立光散射物理模型,再采用离散偶极子近似(DDA)方法,计算一定粒径分布火灾烟雾的散射光强角分布,探讨颗粒形貌和尺寸参数对于散射特征的影响。计算结果表明:散射光强随观察角的增加在整体上呈现先下降后上升的趋势,散射光强最小值对应的角度随尺寸参数变化;基于不对称比的烟雾探测器散射角的优化设计关键在于后向散射角的选取,当尺寸参数较小时,后向散射角应选择110°,当尺寸参数较大时,后向散射角应选择135°。

石墨烯红外波段复折射率及消光性能研究

石墨烯是一种新型二维纳米碳材料,在红外干扰方面具有很大的潜在应用价值,其红外消光特性值得深入研究。文中利用红外椭偏仪测量了石墨烯压片在红外波段的椭偏参数,计算得到其红外波段的复折射率,采用离散偶极近似(DDA)方法计算了石墨烯在2~14μm波段的效率因子、消光系数与入射波长、粒子直径和厚度的关系。计算结果表明,石墨烯在2~14μm波段具有优异的红外消光性能,其消光性能主要取决于材料的吸收性能,吸收作用大于散射作用,同时粒子对近、中红外辐射的消光性能明显好于远红外波段;消光效率因子和消光系数随波长增加逐渐减小;消光效率因子随粒子直径的增加而增大,近、中红外波段的消光系数大于远红外波段,其中直径0.25~1μm粒子的消光系数最大,直径1~4μm粒子的消光系数随直径增加逐渐减小,直径大于4μm的粒子对各波段红外的消光能力受粒度变化的影响很小;消光效率因子随粒子片层厚度的增加逐渐增大,近、中红外波段的消光系数随厚度的增加有所减小,而远红外波段的消光系数受粒子厚度变化影响不大。

单一金纳米棒的光学及折射率传感特性研究

基于贵金属纳米粒子在折射率传感及探测中的应用,本文运用离散偶极近似,模拟计算了单一金纳米棒的远场消光光谱,研究了其偶极局域表面等离子体共振波长的可调性及折射率的传感特性。研究表明,通过调控金纳米棒的长径比,纳米棒的局域表面等离子体共振波长在可见至近红外波长范围内广泛可调;在可见与近红外波长范围内,该共振波长及对应的折射率灵敏度对纳米棒长径比的响应皆分别呈现出二次与线性的分段特征。此外,利用金介电函数虚部随入射光波长的变化关系,揭示了金纳米棒表面等离子体所对应的半高宽随该共振波长的变化规律;并利用长径比对金纳米棒的品质因子进行了优化,得到了优化的长径比。本文的研究结果对未来设计和制造性能优异的基于局域表面等离子体共振的传感/探测基底和元器件具有重要的理论指导意义。

等体积不同纵横比水滴粒子的光学特性计算

不同重力场环境中水滴粒子的形状会偏离球形,为了研究水滴粒子非球形化程度对其光学特性的影响,本文计算了不同方向取向下,等体积不同纵横比水滴粒子在3.0~5.0 μm波段的光学特性。研究发现虽然不同纵横比水滴粒子的光学特性在3.0~5.0 μm波段的变化趋势相似,但具体数值仍然明显依赖于水滴粒子的空间取向和偏离球形程度。总体而言,水滴粒子的吸收截面只在方位角θ较小和波长较短时随其纵横比显著变化;而散射截面、不对称因子和散射相函数则在任意方位角和波长下都对水滴粒子的纵横比有较明显的依赖。因此,由于光学特性对水滴粒子的纵横比有较强的依赖性,由水滴粒子所组成的水雾的辐射传输特性会强烈依赖于水滴粒子的形状。

基于DDA的弹性力学全高阶多项式位移逼近方法及其实例验证

基于维尔斯特拉斯多项式函数的逼近定理,通过DDA高阶全多项式位移函数条件下的弹性力学推导,提出了一个逼近弹性力学连续位移函数真解的全多项式位移函数逼近方法.该方法采用完整的高阶多项式位移函数,以不同阶次条件下的多项式系数为未知数,以单纯形积分为解析积分方法,通过建立和求解平衡方程,逐步逼近弹性体真解.在对单纯形积分计算过程研究的基础上,给出了三维空间单纯形计算图解法,该图解法诠释了三维空间单纯形积分公式中各变量间的逻辑关系及计算过程的图形表达.基于上述方法,编写了相应计算程序,并以一个三维简支梁受均布荷载及一个四周固定的弹性薄板受集中力作用两算例为实例,验证了所提方法的可行性.实例计算结果表明,随着逼近函数阶次的提高,数值方法获得的多项式函数计算值均单调地逐步逼近解析解.在文中所用的6阶多项式函数逼近中,简支梁实例位移计算误差小于0.2%,弹性薄板实例位移误差小于0.91%,并且,两算例与解析解位移差值都在微m级.

分形凝聚粒子的光散射特性研究

粒子的形状和凝聚对光散射特性有着很大的影响。基于分形生长的受限扩散(DLA)模型,模拟了凝聚粒子的三维空间分形结构,并采用回转半径法计算了凝聚粒子的分形维数。利用离散偶极子近似(DDA)方法研究了纳米石墨凝聚粒子的光散射特性,对于原始粒子数不同的凝聚粒子及分形结构不同的凝聚粒子,数值计算了散射强度和偏振度随散射角的分布规律。结果表明凝聚粒子的散射特性与包含的粒子数目、入射波长和分形维数有关,与等体积球的散射特性也存在很大的差异。

随机取向烟尘团簇粒子激光散射特性研究

利用蒙特卡罗方法根据团簇-团簇凝聚(CCA)模型对由球形原始粒子凝聚而成的烟尘团簇粒子进行了模拟,用离散偶极子近似(DDA)方法研究了烟尘团簇粒子随机取向时的激光散射特性,并与等效球形粒子的激光散射特性进行了比较。结果表明,等效球形粒子的激光散射特性与随机取向烟尘团簇粒子的激光散射特性存在着明显差别,不能用等效球形粒子来代替随机取向的团簇粒子;随机取向的烟尘团簇粒子的激光散射特性受基本粒子数量和粒径的影响比较大。该结果将为进一步研究随机取向团簇粒子的形成机理、形态特性以及激光在其中的传输特性提供了一种理论方法。

Au纳米粒子二维周期阵列的LSPR消光特性分析

采用离散偶极子近似(DDA)方法,对不同间距的Au纳米粒子阵列在不同介质情况下的消光特性进行仿真分析。分析结果表明,消光峰值波长和强度随纳米粒子间距的减小而增大,但在间距较大的情况下折射率灵敏度基本不变。实验测量结果也表明,不同的密度分布的Au纳米球阵列对应了基本相同的折射率灵敏度。因此,在纳米粒子间距较大时,纳米粒子阵列局部分布的不均匀不会改变整体的折射率灵敏度,相同的消光峰值波长红移量对应相同的介质折射率变化量。

非球形冰晶的毫米波k-Z_e关系研究

针对毫米波雷达处理数据的实际需要,应用离散偶极子近似法DDA,获得了非球形冰晶的后向散射及衰减截面并进行了参数化,并主要基于细化的冰云模型,假设冰晶粒子谱为Γ分布,通过模拟取样各1330次(代表1330种粒子分布),分别计算得到了W波段(94 GHz)与Ka波段(35 GHz)毫米波雷达探测的冰云衰减系数k及雷达反射率因子Z e,而且利用数值模拟的方法,建立了k-Z e关系的具体表达式。计算表明,非球形和非瑞利散射对W波段毫米波雷达衰减的影响较大,而且在同样滴谱分布条件下,W波段毫米波雷达的衰减比Ka波段毫米波雷达的大几倍,此外细化的冰云模型对k-Z e关系具有影响。本研究对中纬度非降水性冰云的毫米波雷达的衰减订正具有参考价值,并对中国的毫米波雷达应用具有借鉴作用。

各向异性对随机多孔涂层辐射特性的影响研究

本文基于对空气等离子喷涂(APS)多孔热障涂层的实际微观结构的分析,首次研究了其辐射特性的各向异性性质。建立了考虑涂层中非球形孔隙及其朝向分布的微结构模型,采用离散偶极子算法(DDA)求解了该多孔微结构在不同辐射热流传输方向的辐射特性分布。为了精确研究微纳结构辐射特性的各向异性对宏观热流传输的影响,本文提出了一种各向异性随机行走方法,推导了相应的宏观传输特性参数,并与传统基于各项同性介质的结果进行了对比。结论表明,涂层辐射特性的各向异性对涂层辐射热流传输有一定影响,实际计算与设计中必须加以考虑。