基于吸收光譜技術(shù)的燃燒場(chǎng)溫度與濃度層析成像方法研究.pdf

1、可調(diào)諧半導(dǎo)體二極管吸收光譜技術(shù)(TDLAS)具有響應(yīng)速度快、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、測(cè)量范圍廣、設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，適合燃燒等高溫環(huán)境氣體參數(shù)的測(cè)量。一般其測(cè)量值具有路徑積分的特點(diǎn)，測(cè)量結(jié)果為路徑的平均值。然而在燃燒過(guò)程中由于氣流擾動(dòng)、可燃物的不均勻分布等原因，待測(cè)區(qū)域內(nèi)氣體參數(shù)通常呈非均勻分布，路徑的平均值不能準(zhǔn)確的反映燃燒狀況。為獲得燃燒中氣體參數(shù)的空間分布信息，需開(kāi)發(fā)有效的二維診斷技術(shù)。論文以燃燒產(chǎn)物中常見(jiàn)的水蒸氣作為

2、測(cè)量對(duì)象，開(kāi)展了基于吸收光譜技術(shù)的溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)的測(cè)量研究。主要工作與創(chuàng)新點(diǎn)有:
　　搭建了一維溫度、濃度均勻分布的測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了部分點(diǎn)單峰擬合方法測(cè)溫的準(zhǔn)確性。最新的HITRAN2012光譜數(shù)據(jù)庫(kù)在0～25711 cm-1范圍內(nèi)提供了224515條H2O吸收譜線。譜線較多，從中很難選取完全孤立且滿(mǎn)足測(cè)量需求的譜線對(duì)。當(dāng)存在臨近吸收峰的干擾時(shí)，多峰擬合法可獲得準(zhǔn)確的測(cè)量信息。然而該方法擬合時(shí)，自由變量較多，擬合準(zhǔn)

3、確性較低。采用部分點(diǎn)單峰擬合法可有效的提高擬合準(zhǔn)確性。為驗(yàn)證該方法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，選取了7185.59cm-1與7444.36cm-1兩條吸收譜線作為研究對(duì)象，對(duì)不同溫度下的吸光度曲線進(jìn)行擬合計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與設(shè)定值比較。研究結(jié)果表明:利用上述擬合方案，能夠有效的提高計(jì)算速度。且該方法計(jì)算得到的溫度與設(shè)定值基本吻合。為驗(yàn)證該方法用于實(shí)際溫度測(cè)量時(shí)的準(zhǔn)確性，搭建了高溫管式爐測(cè)量系統(tǒng)，并設(shè)定不同的溫度進(jìn)行測(cè)量比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)量結(jié)果

4、與設(shè)定值吻合較好，溫度與濃度測(cè)量誤差均小于3％。
　　改進(jìn)了基于雙譜線重建二維非均勻場(chǎng)的重建算法，并將其用于實(shí)際火焰的測(cè)量。設(shè)計(jì)了用于直聯(lián)式航空發(fā)動(dòng)機(jī)的多光路層析成像測(cè)量系統(tǒng)，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。聯(lián)合代數(shù)迭代算法(SART)在迭代過(guò)程中考慮了同一角度下經(jīng)過(guò)同一網(wǎng)格的所有光路測(cè)量值的影響，具有一定的抗噪聲能力?；谠撍惴ú⒔Y(jié)合實(shí)際的物理吸收過(guò)程，在迭代過(guò)程中加入了非負(fù)性限制以及平滑機(jī)制，進(jìn)一步完善了重建算法

5、。為驗(yàn)證改進(jìn)后算法的有效性，設(shè)定了兩種溫度、濃度分布模型用于重建計(jì)算。并將重建結(jié)果分別與ART算法和傳統(tǒng)SART算法進(jìn)行比較。結(jié)果表明:改進(jìn)后SART算法重建精度優(yōu)于其他兩種算法且抗噪聲能力有了進(jìn)一步的提高。將該算法用于平面火焰爐的測(cè)量，通過(guò)8個(gè)角度，每個(gè)角度38個(gè)位置的投影測(cè)量值重建了38×38網(wǎng)格下火焰的溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)，重建的溫度分布與熱電偶測(cè)量結(jié)果吻合較好。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)直聯(lián)式航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口燃?xì)獾臏y(cè)量，設(shè)計(jì)了多光路測(cè)量系統(tǒng)

6、，并在發(fā)動(dòng)機(jī)上對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變?nèi)剂系挠蜌獗?，?duì)五種不同的燃燒狀態(tài)下的溫度與水蒸氣濃度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。重建結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映峰位置和波動(dòng)，驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。
　　提出了半線性交替迭代法用于求解溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)重建的非線性不適定問(wèn)題，可以充分利用多條譜線的測(cè)量信息。首先對(duì)濃度的計(jì)算提出線性方案，半線性化原問(wèn)題，弱化原問(wèn)題的非線性。其次對(duì)待測(cè)溫度場(chǎng)、濃度場(chǎng)提出了交替迭代的方案，固定其中一個(gè)未知變量，更新另一個(gè)變

7、量。這一技術(shù)可以降低數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，每一步迭代降低一半的未知變量個(gè)數(shù)，使得該算法適用于大規(guī)模未知量的計(jì)算。最后為了保證迭代解收斂于精確解，引入懲罰項(xiàng)克服重建過(guò)程的病態(tài)性，每一步迭代自動(dòng)調(diào)整正則化參數(shù)。為驗(yàn)證方案的有效性，設(shè)定了單峰與雙峰溫度、濃度分布模型，并將上述算法與模擬退火算法進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩種算法均能夠獲得較準(zhǔn)確的溫度場(chǎng)與濃度場(chǎng)重建結(jié)果，然而交替迭代算法的計(jì)算耗時(shí)明顯較少。為檢驗(yàn)算法的抗干擾能力，使用疊加了不同等級(jí)高斯白噪聲