Mie理论不同介质环境下颗粒散射相函数计算(2)
随着国民经济的迅猛发展，我国对电力的需求量与日俱增，并且，以煤为燃料火力发电为主的发电结构将在今后文持相当长的一段时间。长期以来，锅炉炉膛的热力计算都存在有难以避免的误差，设计出来的锅炉在实际运用中也体现出了各种不够完善的运行状况。在煤粉燃烧室内，火焰成分具有较强的吸收和发射特性，煤粉与空气构成的弥散颗粒系的辐射传热问题是影响煤粉燃烧和燃尽过程的关键因素之一。锅炉炉膛中流动着多相、不均匀、有吸收、发射、散射的弥散颗粒介质，想要准确的了解炉内燃烧情况，就必须完善辐射传热的模型和有关参数的测算[2]。而对于燃烧产物的颗粒辐射特性，国内外长久以来有着广泛的重视以及大量的研究，但是现有的研究局限于固定常见的几种煤粉、碳粒、碳灰，并且不同学者所得出的数据结论有着相当大的异同。而在锅炉炉膛中，颗粒对辐射的影响更是相当明显，大型电站锅炉炉内辐射所迫切需要解决的问题之一即是颗粒辐射特性。
除了工业生产中对颗粒辐射特性的需求，大气科学的问题中也涉及了颗粒辐射。我们知道地球大气中除了大气气体之外还存在一种十分重要的颗粒物质，也就是大气气溶胶颗粒。气溶胶就是悬浮在大气中的直径在几纳米到十几微米之间的固体颗粒和液滴，来源非常广泛。对流层气溶胶的重要成分之一是沙尘气溶胶，大气沙尘气溶胶中的沙尘来源主要是沙漠、戈壁等荒漠化土地。大气沙尘气溶胶能够散射、吸收太阳辐射， 增加大气与地面的热辐射，从而破坏大气与地面的辐射传输平衡，继而影响区域乃至全球的气候变化[3]。根据相关报告，气溶胶所造成的两极地地区冰川和高海拔地区冰雪融化的加速程度甚至可能与二氧化碳等温室气体所造成的温室效应相当。由此可见，研究大气气溶胶粒子的辐射特性具有非常实际的意义。大气气溶胶中有一种成分叫黑炭气溶胶，一但它降落在冰雪中，会减小冰表面的反照率，从而使地表吸收更多的太阳辐射，所产生的热量会使冰雪加快融化，进而对地区的气候和环境产生影响，甚至造成洪涝、雪崩等自然灾害。
1869年，Tyndall发现悬浮于气体中的细小微粒在光照下产生散射现象。1871年，Rayleigh详细研究了Tyndall发现的现象并研究提出了瑞利散射。1890年和1908年，Lorenz和Mie分别利用麦克斯韦方程，通过求解各向同性的均匀球形粒子对平面电磁波的散射而提出了L-M散射理论，粒子辐射理论从此步入新领域。1909年，德拜（Debye）用质点模型计算了电磁波的散射，形成经典的Mie散射理论，指出了瑞利散射的适用范围以及Mie理论适用于任何大小的球形粒子。1922年和1928年，布里渊和拉曼把光散射理论从弹性散射宽展到非弹性范围，使人们对光与物质相互作用的认识得到又一次新的突破。继后，范得胡斯特（Van de Hulst）给出了吸收与非吸收物质的球状粒子的详细计算。1983年，图恩（Toon）和波登（Bohren）等人建立了计算大尺寸球粒散射的一种数值方法[1]。
目前，用Mie理论对于球形、均质粒子的辐射特性研究已较为完善，本章所运用的就是该套成熟的理论方法。然而，实际颗粒并非球形均质，近年来不少学者发现非球形粒子的辐射特性大大区别于球形粒子。如今，光散射研究的逐加深，在工业、生活等领域体现了重要的价值，我国已有越来越多的学者投入到该学科的建设发展与应用当中。目前，不规则粒子的辐光散射问题已成为国际上研究领域的焦点问题之一。
1.2 课题研究方法
本课题研究目标颗粒设定为碳颗粒，并令碳颗粒在空气、水、冰中分别计算其散射相函数。选用碳颗粒的优点：1、该粒子广泛存在于工业生产生活中，是动力、冶金、航空航天以及大气科学中重要存在粒子。2、该粒子光学特性参数的测量较为完备，波长宽度广，数据较为准确。为了增大介质环境的光学特性区别，介质环境设定为空气、水、冰，三种介质分别为气体、液体、固体。这三者光学特性较为典型，且有大量学者曾多次测量计算与修正其特性参数，提供了较为完备的数据参考。