固液折射率匹配度量化技术

作者：周睿杨，张禹 水利水电工程系

指导老师：徐梦珍，张晨笛 水利水电工程系

关键词：复杂边界 河床透视 折射率匹配

摘要

基于折射率匹配的河床透视技术为突破传统水沙运动测量的局限提供了可能方案。折射率匹配技术需确保体系内固液折射率相同，使光线穿过体系时不发生偏折。此时用激光打亮体系内的任一剖面可观察内部颗粒排列结构，配合经典粒子测速法测量剖面的颗粒运动及局部流场信息。成像和测量效果对固液相折射率差值十分敏感，但现有精确度量固液折射率差值的手段非常有限，因此我们设计并开发了一种固液折射率匹配度量化方法及配套装置。基本原理为光线经过固液混合物的成像差随溶液折射率的变化呈现先减小再增大的特征。我们首先建立理论模型，分析通过不同折射率固液体系时的光线成像特征，然后进行相应的试验验证模型结果，并确定合适的量化指标，最终得到基于单颗粒试验的固液折射率匹配度量化技术和装置。

理论模型

我们假设固体为折射率1.474的透明玻璃球，让一束光线部分经过颗粒（如图1），建立了光线成像的二维和三维理论模型，探究光线通过不同折射率固液体系时的成像特点。模型表明，当液体折射率小于固体时，光线会发生间断，具体成像如图2(a)、(b)所示，而液体折射率大于固体时，被球折射的光线会散射到未经过球的光线，使其变宽，如图2(c)、(d)。

图1 一束部分经过颗粒的光线

图2 双球情况下模拟的光线成像

试验研究

理论模型分析后，我们使用线激光器、高速相机、接收板和固液体系（高硼硅玻璃球和碘化钠溶液）搭建了匹配度量化装置，分别测试了固相为单球、多球的成像特点，并与理论模拟结果对比。之所以分两种情况，是因为实际使用折射率匹配技术时，激光需穿过多层玻璃球。结果表明最佳匹配折射率并不随球的层数增加而显著变化，而光线穿过固液混合物和纯溶液形成的光斑面积差可以精确度量固液相折射率匹配程度。

图3 试验装置俯视图

图4 拍摄的部分图像：a)单球情况；b)多球情况

图5 单球试验中光斑面积差与液体折射率的关系

图6 多球实验中未经过球的光线宽度与液体折射率的关系

结论

我们开发了一套结果可重复、便于操作、成本较低的折射率匹配度量化装置，能快速确定固液匹配最优折射率。

物理试验结果显示，固体的标称折射率未必准确，进行折射率匹配仍需要严格确定最优折射率。

基于理论模型和物理试验结果，论证了一般加工工艺的固体颗粒层数增加并不会引起最优匹配折射率变化。