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、燃燒作為一種化學反應，其過程十分復雜，包含各種基團之間的連鎖反應。因此，對燃燒過程中的溫度分布，及一些化學反應的產物進行實時在線監(jiān)測對于設備的安全運行和節(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)進入肺中，嚴重影響人的身體健康。本文以基于液晶可調濾波片（LCTF）的高光譜火焰成像系統(tǒng)為基礎，建立了一個碳氫火焰三維溫度場和煙黑體積濃度場重建模型，做了大量的數值重

2、建工作以及實驗驗證。
　　本研究主要內容包括：⑴推導了火焰中彌散介質的輻射傳遞方程，通過HITRAN數據庫查詢燃燒產生的幾種典型氣體產物的譜線后發(fā)現在650-1100nm的工作波段內可以忽略其輻射作用。利用MIE計算程序對煙黑顆粒、炭粒和飛灰在650-1100nm范圍內的輻射特性進行數值計算，得出結論：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，然而其散射系數略大于吸收系數。⑵解釋了輻射反問題的定義，并使用三種不同的計算方法，分別為Tikhonov正則化算法、截斷奇異值分解（TSVD）法和最小二乘QR分解（LSQR）法，對三維溫度場求解模型進行計算，從重建誤差和重建時間兩個方面綜合考慮，認為LSQR算法更適合應用于求解復雜的輻射反問題。⑶提出了基于多波長輻射光譜法的碳氫火焰三維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的三維溫度場和煙黑體積濃度場進行重建計算，比較兩種方法的重建結果可以發(fā)現，當測量系統(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)射光譜法具有更強的抗噪性。同時考慮重建誤差及計算效率，最終確定多波長發(fā)射光譜法選取的最佳波長數為6-11。之后以非對稱火焰為目標

5、，使用多波長發(fā)射光譜法對火焰內的三維溫度場和煙黑體積濃度場進行重建，同樣得到了滿意的結果，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算模型，為了驗證該計算模型的可行性，分別對單峰分布和雙峰分布的顆粒分布形式進行數值重建計算，使用兩種算法來求解包含粒徑分布的線性方程組，發(fā)現LSQR算法的求解結果較為準確。另外從方程組中各方程之間的相關性考慮，提出了一種等間隔波長選取法來進行顆粒粒徑分布的計

6、算，且計算證明測量所用的最佳波長數為5。⑸使用基于液晶可調濾波片（LCTF）的高光譜火焰成像系統(tǒng)，搭建了實驗室規(guī)模的小型乙烯層流擴散火焰試驗臺，在進行實驗重建工作之前，使用標準黑體爐在650nm-950nm的波長范圍內，對高光譜CCD相機進行了標定。首先以對稱的乙烯層流擴散火焰為測量對象，使用一個視角下的多光譜火焰圖像對目標區(qū)域內的三維溫度場和煙黑體積濃度場進行重建，將重建結果與熱電偶和激光消光法測量結果進行對照，結果表明重建結果與驗證