论文总字数：19407字

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文主要研究工作 3

第二章 固体可燃物及光散射理论 4

2.1固体可燃物 4

2.2烟雾颗粒 5

2.3光散射 6

2.4光散射的分类及其模型 7

2.4.1光散射的分类 7

2.4.2光散射的模型 8

2.5 Mie散射理论 9

2.5.1 Mie散射的基本公式 9

2.5.2散射角函数和的计算 12

2.5.3散射系数和的计算 13

2.6小结 13

第三章 散射参量计算的模拟仿真研究 15

3.1木材明火燃烧结果与分析 15

3.2棉绳阴燃结果与分析 17

3.3聚氨酯明火燃烧结果与分析 19

3.4正庚烷明火燃烧结果与分析 21

3.5优缺点分析及改进措施 23

3.5.1优点 23

3.5.2缺点 24

3.5.3改进措施 24

3.6小结 24

第四章 结论与展望 25

参考文献 26

致谢 27

不同擦料燃烧产生烟雾颗粒的散射特性研究

周嘉铧

物理与光电工程学院，江苏，南京

摘要：燃烧与火是最常见的自然现象之一，可燃物燃烧生成的烟雾颗粒还是空气污染源的一部分，开展烟雾颗粒的光学性质的研究对多个领域都具有非常重要的意义。本文着重整理分析了国内外关于不同的可燃物材料燃烧所产生烟雾颗粒的研究状况与探测方法，结合实际应用环境，开展了烟雾颗粒的光学散射特性的模拟仿真研究。首先分析了常见可燃物产生烟雾颗粒的燃烧过程和特点，在Mie散射理论基础之上，分别讨论了木材、棉绳、聚氨酯、正庚烷四种材料燃烧产生烟雾颗粒的Mie散射光强的变化特征，并利用Matlab软件进行了模拟仿真计算研究，对仿真结果进行了详细的对比分析。

关键词：烟雾颗粒；光散射；不同材料

Scattering characteristics of smoke particles produced by different rubbing combustion

Jiahua Zhou

School of Physics and Optoelectronic Engineering, NUIST, Nanjing,China

Abstract: the combustion and fire is one of the most common natural phenomena, combustible

part of smoke particles generated or air pollution sources, to carry out the study on the optical

properties of smoke particles are of great significance to many fields. This paper analyzed the

domestic and foreign about the smoke generated by combustion of combustible materials with

different particle the research status and exploration method, combined with the actual application

environment, carried out the simulation study on the optical scattering of smoke particles. The

first analysis of the combustion process and characteristics of smoke particles of common

combustible materials, based on the Mie scattering theory, discuss wood, cotton rope,

polyurethane, positive The characteristics of Mie scattering intensity of smoke particles produced

by four kinds of materials burning by heptane are studied. The simulation and research are carried

out by using Matlab software, and the simulation results are compared and analyzed in detail.

Keywords: smoke particles; light scattering; different materials

第一章 绪论

1.1研究背景和意义

近几年，我国经济建设飞速发展，火灾产生的原因不断增加，火灾的形势越来越严峻。火灾的危险性随时代进步而增大。尽管随着国民经济的快速发展、科学技术的日益进步，人们对于火灾的防范措施越来越多，随着中国城市化的不断推进，城市高楼大厦、大型商务办公楼、写字楼、各种大型制造业企业、高层住宅等各种大型建筑的大量涌现，新型装饰材料、新型设备、新工艺的广泛使用，全国范围内用火用电量激增，火灾发生的概率明显增加。

燃烧与火是最常见的自然现象之一，从本质上讲，火是一种燃烧现象。燃烧是指可燃物与氧化剂发生的氧化还原反应，它不仅遵循化学热力及动力学定律，还遵循其他的自然定律，如能量守恒定律和质量守恒定律，但是它和一般的氧化还原反应不同，因为在燃烧过程中会产生火焰、烟雾、光和热等特征现象。烟雾颗粒生成的多少是衡量火灾环境的基本因素之一。有焰燃烧、燃料的热解和阴燃等都会产生烟雾颗粒，产生的烟雾颗粒中包括完全燃烧产物和不完全燃烧产物，如CO、气态及液态碳氢化合物，碳粒以及醇类、醛类、酮类、酸类和其他类化学物质。

可燃物燃烧生成的烟雾颗粒还是空气污染源的一部分，北京的雾霾天气很大一部分是由大量的汽车尾气排放造成的，所以研究日常生活中常用材料燃烧生成的烟雾颗粒的性质对于环境保护还有重大意义，可用于环境监测、污染物的控制等。不仅在科技减灾、安全减灾、环境保护方面，在军事领域中的远程精确打击方面的应用也具有重要的意义。目前美国已经从理论上解决了烟雾颗粒等具有一系列复杂结构的凝聚微粒的消光问题，编写出了多套针对烟幕消光进行数值模拟的计算机程序。总之，开展烟雾颗粒的光学性质的研究对多个领域都具有非常重要的意义。

1.2国内外研究现状

对于不同的可燃物材料燃烧所产生的烟雾颗粒的光散射特性，中外学者都做了大量的研究。

1909年，德拜（Debye）通过运用质点模型计算了电磁波的散射^[1]从而提出了经典的Mie散射理论，这个理论的适用范围是任何大小的均匀球形粒子，德拜同时还提出了Rayleigh散射是用来针对处理一些独立的、相互距离较远的一些光学各向同性的比入射光波长要小的微粒。1922年和1928年，布里渊（Brillouin）和拉曼（Raman）把光散射理论从弹性光散射扩展到了非弹性光散射范围，使得人们对光与物质相互作用的认识得到了又一次突破^[2]。1944年，德拜将瑞利散射扩展运用到了高分子溶液中，进而使得光散射技术得到了快速的发展^[3]。继后，范德胡斯特（Van de Hulet）^[4]给出了由吸收和非吸收物质构成的球状粒子的详细计算。同时，由于通过散射光的测量可以了解散射颗粒的浓度、大小、形状及取向等特征，光散射理论应用技术的开发研究也应运而起。1989年，T.Kourti研究出了微小颗粒粒径在2~3以下的测量方法，并且在他的博士论文中提出和解决了光全散射法在测量颗粒粒径分布时存在的问题，推动了运用光全散射法测量颗粒粒径分布的进步和发展^[5]，Kenneth^[6]等人应用三波长光散射测量腔体内木材明火燃烧产生烟雾颗粒的d₃₂等效光学粒径，得到烟雾颗粒的体积-表面积平均粒径。Snegirev^[7]等人验证了烟雾颗粒平均粒径的变化对烟雾颗粒光散射、吸收和消光系数的影响。瑞士的A.Keller^[8]等人对几种火灾产生的烟雾颗粒及干扰源颗粒的光散射Muller矩阵元素F11、F12、F34进行了测量，并利用Lorenz-Mie散射理论拟合了测量的数据，得到了烟雾颗粒的粒径分布与折射率。

在国内，中国科学技术大学的张启兴通过测量获得的木材阴燃、棉绳阴燃、木材明火、聚氨酯明火、正庚烷明火等五种试验火烟雾颗粒532nm各归一化光散射矩阵元素随散射角的分布，用反演获得了粒径分布和折射率参数，发现两种阴燃烟雾颗粒的光散射可以用Lorenze-Mie理论很好的描述。同时也讨论了Lorenz-Mie理论描述三种明火烟雾颗粒光散射的适用性^[9]。合肥工业大学的张青利用DDA方法计算了随机取向的火灾烟雾颗粒的光散射Muller矩阵，得出了烟雾颗粒模型的归一化矩阵元素随散射角的分布情况存在显著差异，通过这种差异可以有效区分烟雾颗粒和其他干扰颗粒^[10]。黄朝军等人利用离散偶极子近似（DDA）方法计算了单个烟雾颗粒的光散射特性，得到了烟雾颗粒的散射截面、不对称因子以及吸收截面随入射角的变化关系，给出了在不同入射角情况下烟雾颗粒光散射矩阵元素的角分布^[11]。疏学明等人对几种试验火烟雾颗粒在三个不同波长入射的情况下，散射光强度随散射角的分布特征进行了测量，并利用Mie散射理论对烟雾颗粒的粒径进行了估算^[12]。谢启源等人对火灾烟雾颗粒的光散射模型进行了研究，根据扫描电镜图像提出烟雾颗粒的形貌应该为分形凝聚体结构，并提出了利用旋转椭球体模型来模拟烟雾颗粒的非球形形貌特征，采用T-Matrix方法对单分散和一定粒径分布的烟雾颗粒的光散射参量进行数值计算，并利用光散射矩阵测量系统对几种试验火烟雾颗粒在波长为635nm的入射光的照射下的光散射矩阵进行了测量^[13]。

1.3本文主要研究工作

本论文分成四章，每章的研究内容有：

第一章为绪论，简要介绍了课题的研究背景、国内外研究现状以及本文的研究内容和具体章节安排。

第二章主要介绍了固体可燃物的分类及燃烧特点、烟雾颗粒和光散射理论，并重点阐述了光散射理论中的Mie散射理论。

第三章利用matlab程序计算了在几种不同情况下木材、棉绳、聚氨酯、正庚烷这四种材料燃烧产生烟雾颗粒的散射光强随散射角的变化关系。并对结果进行了对比分析，最后对分析了本论文的优缺点，并提出了改进措施。

第四章对本文的研究内容作了总结。

第二章 固体可燃物及光散射理论

2.1固体可燃物

燃烧是可燃物与氧化剂相互作用而发生的发光放热反应，通常伴随产生的现象是发烟、发光和产生火焰。因此，“燃烧”包含了各种类型的氧化反应、分解放热反应以及和氧化相似的反应等。燃烧过程很复杂，包括流体运动、传热传质和化学反应及其相互作用。

物质燃烧过程的产生和发展，必须具备以下四个充分条件和三个必要条件，四个充分条件是：一定的点火能量、一定的氧气含量、一定的可燃物浓度和未受抑制的链式反应。三个必要条件是：温度（点火源）、氧化剂和可燃物。

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