基于高光譜成像系統(tǒng)的火焰三維溫度場和煙黑濃度場重建研究.pdf

1、燃燒作為一種化學(xué)反應(yīng)，其過程十分復(fù)雜，包含各種基團(tuán)之間的連鎖反應(yīng)。因此，對燃燒過程中的溫度分布，及一些化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測對于設(shè)備的安全運(yùn)行和節(jié)能減排具有非常重要的意義。煙黑顆粒物是一種典型的燃燒產(chǎn)生的固體顆粒，它們的粒徑一般在0.1μm以下，可以由人體的呼吸系統(tǒng)進(jìn)入肺中，嚴(yán)重影響人的身體健康。本文以基于液晶可調(diào)濾波片（LCTF）的高光譜火焰成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立了一個碳?xì)浠鹧嫒S溫度場和煙黑體積濃度場重建模型，做了大量的數(shù)值重

2、建工作以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴推導(dǎo)了火焰中彌散介質(zhì)的輻射傳遞方程，通過HITRAN數(shù)據(jù)庫查詢?nèi)紵a(chǎn)生的幾種典型氣體產(chǎn)物的譜線后發(fā)現(xiàn)在650-1100nm的工作波段內(nèi)可以忽略其輻射作用。利用MIE計(jì)算程序?qū)熀陬w粒、炭粒和飛灰在650-1100nm范圍內(nèi)的輻射特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出結(jié)論：在考慮煙黑的輻射特性時，可以忽略其散射作用，只考慮其吸收；相反地，考慮飛灰粒子的輻射特性時，可以忽略其吸收作用，而只考慮散射；炭粒

3、的吸收作用和散射作用都需考慮，然而其散射系數(shù)略大于吸收系數(shù)。⑵解釋了輻射反問題的定義，并使用三種不同的計(jì)算方法，分別為Tikhonov正則化算法、截?cái)嗥娈愔捣纸猓═SVD）法和最小二乘QR分解（LSQR）法，對三維溫度場求解模型進(jìn)行計(jì)算，從重建誤差和重建時間兩個方面綜合考慮，認(rèn)為LSQR算法更適合應(yīng)用于求解復(fù)雜的輻射反問題。⑶提出了基于多波長輻射光譜法的碳?xì)浠鹧嫒S溫度場和煙黑體積濃度場重建模型，以對稱分布火焰為算例，在添加不同信噪比下

4、使用多波長法和傳統(tǒng)的雙色法對重建模型內(nèi)的三維溫度場和煙黑體積濃度場進(jìn)行重建計(jì)算，比較兩種方法的重建結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)測量系統(tǒng)信噪比為54dB時，雙色法的溫度重建平均誤差為0.4806％，煙黑體積濃度重建誤差為8.003％；而多波長法的溫度重建平均誤差為0.2401%，煙黑體積濃度重建誤差為3.17%。顯然多波長發(fā)射光譜法具有更強(qiáng)的抗噪性。同時考慮重建誤差及計(jì)算效率，最終確定多波長發(fā)射光譜法選取的最佳波長數(shù)為6-11。之后以非對稱火焰為目標(biāo)

5、，使用多波長發(fā)射光譜法對火焰內(nèi)的三維溫度場和煙黑體積濃度場進(jìn)行重建，同樣得到了滿意的結(jié)果，說明該重建模型同樣適用于非對稱形狀的火焰。⑷提出了多波長發(fā)射光譜法測量火焰中顆粒粒徑分布的計(jì)算模型，為了驗(yàn)證該計(jì)算模型的可行性，分別對單峰分布和雙峰分布的顆粒分布形式進(jìn)行數(shù)值重建計(jì)算，使用兩種算法來求解包含粒徑分布的線性方程組，發(fā)現(xiàn)LSQR算法的求解結(jié)果較為準(zhǔn)確。另外從方程組中各方程之間的相關(guān)性考慮，提出了一種等間隔波長選取法來進(jìn)行顆粒粒徑分布的計(jì)

6、算，且計(jì)算證明測量所用的最佳波長數(shù)為5。⑸使用基于液晶可調(diào)濾波片（LCTF）的高光譜火焰成像系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小型乙烯層流擴(kuò)散火焰試驗(yàn)臺，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)重建工作之前，使用標(biāo)準(zhǔn)黑體爐在650nm-950nm的波長范圍內(nèi)，對高光譜CCD相機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定。首先以對稱的乙烯層流擴(kuò)散火焰為測量對象，使用一個視角下的多光譜火焰圖像對目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的三維溫度場和煙黑體積濃度場進(jìn)行重建，將重建結(jié)果與熱電偶和激光消光法測量結(jié)果進(jìn)行對照，結(jié)果表明重建結(jié)果與驗(yàn)證