【摘要】：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(chǎn)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(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)進入肺中,嚴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,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(shù)值重建工作以及實驗驗證,具體來說,本文做的主要工作有:推導了火焰中彌散介質(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)的輻射特性進行數(shù)值計算,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)。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。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行重建計算,比較兩種方法的重建結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),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(shù)為6-11。之后以非對稱火焰為目標,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。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(shù)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(xiàn)LSQR算法的求解結(jié)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算,且計算證明測量所用的最佳波長數(shù)為5。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(nèi),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(nèi)的三維溫度場和煙黑體積濃度場進行重建,將重建結(jié)果與熱電偶和激光消光法測量結(jié)果進行對照,結(jié)果表明重建結(jié)果與驗證結(jié)果吻合程度較高。通過添加空氣射流的方法制造了非對稱形狀的乙烯層流擴散火焰,使用四個視角下的多光譜火焰圖像對目標區(qū)域內(nèi)的三維溫度場和煙黑體積濃度場進行重建,觀察高度方向各截面的重建參數(shù)分布形狀后發(fā)現(xiàn)與火焰形狀相吻合。此外通過分析高度方向上的溫度和煙黑體積濃度變化趨勢可以發(fā)現(xiàn)與對稱火焰中的變化趨勢保持一致,這也可以證明非對稱火焰實驗重建結(jié)果的合理性。
【圖文】：

圖１．２邋２００ＭＷ燃煤鍋爐爐膛Ｌｉ等阿］采用了邋一種便攜式的ＣＣＤ成行溫度二維分布重建，通過兩個橫截面上的是否正常。劉林華，談和平等使用離敵坐標一種共壚梯度法來求解福射反問題，通過驗福射強度測量值之間誤差的最小值，，從出復雜幾何系統(tǒng)內(nèi)的３維源項分布和溫度燃煤NB焰中的二維溫度場和煙黑濃度場進Ｈｏｓｓａｉｎ等［５７］使用基于ＣＯＭＯＳ傳感器的器中的火焰王維溫度分布進行了測量，在測目標火焰不同角度的圖像，通過互個Ｒ型行對比，驗證了溫度重建結(jié)果的準確性，

＾邋Ｉ邋ｍ邋Ｐ逡逑ｍ邋Ｗ邋＾邋ＩＩ逡逑圖１．２邋２００ＭＷ燃煤鍋爐爐膛內(nèi)溫度分布重建結(jié)果逡逑Ｌｉ等阿］采用了邋一種便攜式的ＣＣＤ成像系統(tǒng)對一臺６７０ｔ化的煤粉燃燒鍋爐進逡逑行溫度二維分布重建，通過兩個橫截面上的溫度分布情況來判斷爐內(nèi)的燃燒狀態(tài)逡逑是否正常。劉林華，談和平等使用離敵坐標法［５２］來計算福射傳遞方程，并提出了著逡逑一種共壚梯度法來求解福射反問題，通過該方法來求解出口福射強度計算值與實逡逑驗福射強度測量值之間誤差的最小值，從而在福射特性參數(shù)臣知的情況下，重建逡逑出復雜幾何系統(tǒng)內(nèi)的３維源項分布和溫度分布【５３－５５］。Ｌｕ，Ｙａｎ［Ｗ等使用雙色法對逡逑燃煤NB焰中的二維溫度場和煙黑濃度場進行重建，溫度重建的最大誤差為１．８３％。逡逑Ｈｏｓｓａｉｎ等［５７］使用基于ＣＯＭＯＳ傳感器的ＲＧＢ相機對燃氣輪機中巧向旋流燃燒逡逑器中的火焰王維溫度分布進行了測量，在測量過程中設置了四條成像光纖來得到逡逑目標火焰不同角度的圖像
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：X932

【參考文獻】

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本文編號：2529895