基于有限元的爐膛溫度場聲波傳播特性數(shù)值研究.pdf

1、聲學測溫技術(shù)作為一種新型的高效、低成本、非接觸測溫技術(shù)，具有良好的應(yīng)用前景。國際上聲學測溫技術(shù)已應(yīng)用于監(jiān)測電站及工業(yè)鍋爐爐膛溫度。除可靠的溫度場重建算法外，準確重建爐內(nèi)溫度場有兩個關(guān)鍵的因素，其一是聲波傳播時間的精確獲取，其二，由于聲波在爐內(nèi)溫度梯度場中的傳播路徑是彎曲的，溫度場重建算法須考慮聲波路徑的“折射效應(yīng)”。本文從聲傳播基礎(chǔ)理論出發(fā)，模擬研究聲波法測量爐內(nèi)溫度場的正問題，即聲波在溫度梯度場中的傳播特性，并得出聲波在溫度場中的傳播

2、時間和傳播路徑，為聲波法重建溫度場提供基礎(chǔ)參考。
　　基于有限元多物理場分析軟件COMSOLMultiphysics及波動方程建立了聲波在溫度場中傳播模型。構(gòu)建合理聲源以模擬和優(yōu)化實際中脈沖聲信號;采用不同的邊界條件，以研究實際爐膛壁面對聲傳播和聲速的影響。基于聲源發(fā)射點和接收點的聲壓信號，采用互相關(guān)函數(shù)法求出聲波在場內(nèi)的傳播時間。分別模擬了一脈沖聲波在爐內(nèi)典型的單峰及火山口狀斷面二維溫度場條件下的傳播過程，獲得了聲波波陣面及路徑

3、彎曲的可視化結(jié)果，表明聲波路徑背向高溫區(qū)彎曲且溫度梯度越大彎曲越劇烈。
　　為驗證模擬結(jié)果，建立了基于費馬原理的聲線方程理論模型，積分求出其聲傳播時間，與前述COMSOL模擬的聲傳播時間比較，二者偏差在1％以內(nèi)。分析了兩種方法結(jié)果存在誤差的原因，即數(shù)值模擬中聲源點聲壓信號向前偏移造成的，其中聲源處網(wǎng)格尺寸越小、溫度越高，向前偏移越多，相應(yīng)模擬結(jié)果誤差越大。最后研究了模型寬度和邊界對聲速的影響，在一定范圍內(nèi)，模型寬度越小，聲速變化越