基于高光谱成像系统的火焰三维温度场和烟黑浓度场重建研究

摘要

燃烧作为一种化学反应，其过程十分复杂，包含各种基团之间的连锁反应。因此，对燃烧过程中的温度分布，及一些化学反应的产物进行实时在线监测对于设备的安全运行和节能减排具有非常重要的意义。烟黑颗粒物是一种典型的燃烧产生的固体颗粒，它们的粒径一般在0.1μm以下，可以由人体的呼吸系统进入肺中，严重影响人的身体健康。本文以基于液晶可调滤波片（LCTF）的高光谱火焰成像系统为基础，建立了一个碳氢火焰三维温度场和烟黑体积浓度场重建模型，做了大量的数值重建工作以及实验验证。
　　本研究主要内容包括：⑴推导了火焰中弥散介质的辐射传递方程，通过HITRAN数据库查询燃烧产生的几种典型气体产物的谱线后发现在650-1100nm的工作波段内可以忽略其辐射作用。利用MIE计算程序对烟黑颗粒、炭粒和飞灰在650-1100nm范围内的辐射特性进行数值计算，得出结论：在考虑烟黑的辐射特性时，可以忽略其散射作用，只考虑其吸收；相反地，考虑飞灰粒子的辐射特性时，可以忽略其吸收作用，而只考虑散射；炭粒的吸收作用和散射作用都需考虑，然而其散射系数略大于吸收系数。⑵解释了辐射反问题的定义，并使用三种不同的计算方法，分别为Tikhonov正则化算法、截断奇异值分解（TSVD）法和最小二乘QR分解（LSQR）法，对三维温度场求解模型进行计算，从重建误差和重建时间两个方面综合考虑，认为LSQR算法更适合应用于求解复杂的辐射反问题。⑶提出了基于多波长辐射光谱法的碳氢火焰三维温度场和烟黑体积浓度场重建模型，以对称分布火焰为算例，在添加不同信噪比下使用多波长法和传统的双色法对重建模型内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建计算，比较两种方法的重建结果可以发现，当测量系统信噪比为54dB时，双色法的温度重建平均误差为0.4806％，烟黑体积浓度重建误差为8.003％；而多波长法的温度重建平均误差为0.2401%，烟黑体积浓度重建误差为3.17%。显然多波长发射光谱法具有更强的抗噪性。同时考虑重建误差及计算效率，最终确定多波长发射光谱法选取的最佳波长数为6-11。之后以非对称火焰为目标，使用多波长发射光谱法对火焰内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建，同样得到了满意的结果，说明该重建模型同样适用于非对称形状的火焰。⑷提出了多波长发射光谱法测量火焰中颗粒粒径分布的计算模型，为了验证该计算模型的可行性，分别对单峰分布和双峰分布的颗粒分布形式进行数值重建计算，使用两种算法来求解包含粒径分布的线性方程组，发现LSQR算法的求解结果较为准确。另外从方程组中各方程之间的相关性考虑，提出了一种等间隔波长选取法来进行颗粒粒径分布的计算，且计算证明测量所用的最佳波长数为5。⑸使用基于液晶可调滤波片（LCTF）的高光谱火焰成像系统，搭建了实验室规模的小型乙烯层流扩散火焰试验台，在进行实验重建工作之前，使用标准黑体炉在650nm-950nm的波长范围内，对高光谱CCD相机进行了标定。首先以对称的乙烯层流扩散火焰为测量对象，使用一个视角下的多光谱火焰图像对目标区域内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建，将重建结果与热电偶和激光消光法测量结果进行对照，结果表明重建结果与验证结果吻合程度较高。通过添加空气射流的方法制造了非对称形状的乙烯层流扩散火焰，使用四个视角下的多光谱火焰图像对目标区域内的三维温度场和烟黑体积浓度场进行重建，观察高度方向各截面的重建参数分布形状后发现与火焰形状相吻合。此外通过分析高度方向上的温度和烟黑体积浓度变化趋势可以发现与对称火焰中的变化趋势保持一致，这也可以证明非对称火焰实验重建结果的合理性。

目录

声明

致谢

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 课题研究的背景及意义

1.3 温度测量方法介绍及火焰可视化研究现状

1.4 烟黑测量方法研究现状

1.5 本文的主要内容和创新点

第二章 弥散介质辐射传递过程及高光谱成像光学模型

2.1引言

2.2 火焰内弥散介质辐射传递方程

2.3 弥散介质辐射特性

2.4 高光谱火焰成像的光学模型

2.5 本章小结

第三章 辐射反问题求解算法研究和比较

3.2辐射反问题的求解方法和数值重建

3.3正则化参数的选择方法

3.4 不同算法的数值重建结果比较

3.5 本章小结

第四章 扩散火焰中三维温度场及烟黑浓度场同时重建的数值研究

4.1 引言

4.2 碳氢层流扩散火焰温度场和烟黑浓度场重建模型

4.3 对称火焰数值重建结果与分析

4.4 非对称火焰数值重建结果与分析

4.5 本章小结

第五章 多波长发射光谱法测量颗粒粒径分布的数值重建研究

5.1 引言

5.2 颗粒粒径分布测量方法介绍

5.3 多波长发射光谱法测量颗粒粒径分布原理

5.4 单峰分布颗粒群的粒径分布反演

5.5 双峰分布颗粒群的粒径分布反演

5.6 测量波长选取方法及最佳波长数的确定

5.7 本章小结

第六章 乙烯扩散火焰试验台介绍及多波长下高光谱 CCD相机的标定

6.1 引言

6.2 小型乙烯层流扩散火焰试验台介绍

6.3 高光谱成像系统标定

6.4 本章小结

第七章 乙烯层流扩散火焰的三维温度场和烟黑体积浓度场实验重建

7.1 引言

7.2 乙烯层流扩散火焰中烟黑的生成机理及其TEM图像分析

7.3 对称乙烯层流扩散火焰的三维温度场和烟黑体积浓度场实验重建

7.4 乙烯对称层流扩散火焰实验重建结果的验证

7.5 非对称乙烯层流扩散火焰的三维重建实验

7.6 本章小结

第八章 全文总结及工作展望

8.1 全文总结

8.2 主要创新点

8.3研究内容展望

参考文献

作者简历及攻读博士期间的研究成果