【摘要】：現(xiàn)代生活與工業(yè)生產中,多相氣體流動過程廣泛存在。隨著生產工藝和設備結構的復雜化,以及對能源轉換效率、安全性能、環(huán)境保護的重視,生產過程中參數(shù)的實時監(jiān)測尤為重要。如電站鍋爐爐膛中實時監(jiān)測CO2、NO等氣體濃度溫度,或航天飛行器氧氣發(fā)生裝置中檢測混合氣體成分,以保證設備安全穩(wěn)定運行。但流動過程中由于流動狀態(tài)的變化、熱量的交換、流體壓縮等因素,導致流場復雜,多參數(shù)變化時更加難以實時監(jiān)測。超聲波檢測作為一種無損檢測技術,具有非接觸、成本低、速度快等優(yōu)點。目前,學者主要研究聲速測溫。但聲速與混合氣體溫度濃度均相關,濃度也是多相氣體流動分析中的重要參數(shù)。為得到更加準確的參數(shù),本文采用聲速和相關研究較少的聲弛豫衰減聯(lián)合測量。聲弛豫衰減具有頻率特性,可以得到多相氣體的各相濃度信息。這里的相指氣體的不同種類。本文還提出了新的重建算法,解決聲學CT中像素數(shù)過多時成像困難的問題,實現(xiàn)了較高精度的聲速-溫度層析成像、聲速-濃度層析成像,創(chuàng)新性的開展并實現(xiàn)了聲弛豫衰減-濃度層析成像。論文主要研究內容如下:1、聲學基礎理論研究,重點研究超聲波弛豫衰減理論。本文研究了超聲波的基本理論,給出了多相氣體聲速的計算公式。經(jīng)典衰減部分主要給出粘滯衰減和熱傳導衰減的計算公式。聲弛豫衰減部分研究了衰減機理,氣體分子的外部能和內部能以及分子碰撞能量轉移模型,推導出適用于多相氣體的弛豫衰減系數(shù)計算公式。其中,弛豫時間是較難推導的重要參數(shù),計算過程中重點推導了分子碰撞能量轉移概率,通過L-J和帶偏置的指數(shù)函數(shù)匹配,迭代得到能量轉移概率中的重要參數(shù),推導出具體可用于計算的迭代公式。在弛豫衰減系數(shù)計算的過程中,推導出振動溫度微分方程的矩陣求解公式,并用平面波的形式求解出最終的弛豫衰減系數(shù),為聲學層析成像打下基礎。2、聲學層析成像原理及重建算法研究。本文研究了基于聲速和聲弛豫衰減的層析成像方法和重建算法,其中聲弛豫衰減層析成像為本文創(chuàng)新點。在成像原理部分,設計并闡述了聲學層析成像的硬件系統(tǒng),分別推導了聲速和聲弛豫衰減層析成像的正問題和反問題計算公式。計算了不同像素的敏感場矩陣,并對其距離網(wǎng)格線較近或位于網(wǎng)格線的傳播路徑做了處理,可以減小模型本身的誤差,且傳感器可以布置在任意位置。在重建算法部分,提出了基于鄰域約束的M矩陣構造算法。聲學CT中敏感場為稀疏矩陣,且要求像素數(shù)少于傳播路徑數(shù),成像極其困難。本文提出的算法很大程度上提高了解的精度,像素個數(shù)可以遠超傳播路徑數(shù),且M矩陣不受被測空間影響,可以較容易的通過仿真計算獲得正則化參數(shù),計算得到模型的誤差估計,并實現(xiàn)快速在線計算。可以普適性的應用于聲速、聲弛豫衰減層析成像、光學層析成像中,具有較強的實用價值。3、對多相氣體的聲速及聲弛豫衰減進行仿真計算。本文分別仿真了聲速-溫度層析成像,聲速-濃度層析成像和聲弛豫衰減-濃度層析成像。采用常用算法和基于鄰域約束的M矩陣構造算法,分別對不同像素重構圖像,對比說明新算法的成像效果很好,并選擇出最佳的像素個數(shù)。仿真計算聲弛豫衰減中不同種類混合氣體的各項參數(shù),并分別計算出CO,H2O,CO2三種氣體濃度的聲弛豫衰減頻譜,得到有效弛豫頻率,選擇最佳的頻率用于成像計算。以兩組多相氣體為例,仿真計算單濃度變化時聲弛豫衰減系數(shù)重建圖像。根據(jù)聲弛豫衰減的頻率特性,給出多相氣體中多濃度變化時的檢測方案。最后,對聲速與聲弛豫衰減的解耦進行仿真。聲弛豫衰減層析成像與聲速層析成像相結合,可以得到更加全面準確的多相氣體溫度和組分信息。仿真結果表明,采用新算法進行聲速和聲弛豫衰減層析成像,均能得到精度極高的重建圖像。該方法的實現(xiàn)為聲學檢測提供了更多的可能性,具有重要的意義。4、開發(fā)了基于FPGA的聲學檢測系統(tǒng)實驗臺并進行了實驗設計。本文設計并搭建了基于FPGA的聲學檢測系統(tǒng)實驗平臺。設計了以FPGA為中央處理單元,分別控制檢測系統(tǒng)發(fā)射部分及接收部分(放大、濾波、模數(shù)轉換)的電路,制作出PCB板。采用VHDL語言編寫了 FPGA中的控制程序等,以實現(xiàn)多路同時測量。用C語言編寫了多路數(shù)據(jù)讀取的串口程序及界面交互程序,以實現(xiàn)上位機與核心板的通信。最后,設計了檢測聲速和聲弛豫衰減的實驗方案,進行了相關的實驗平臺測試。證明了該實驗平臺可用于檢測多相氣體的流動過程。本文實現(xiàn)了基于聲速及聲弛豫衰減層析成像方法檢測多相氣體的溫度和組分。并提出了新的重建算法,解決了聲學層析成像技術中的關鍵問題。聲弛豫衰減層析成像方法開辟了聲學CT的新領域。
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB126;TB553
【圖文】：

如溫度、濃度、流速等［９Ｇ］。逡逑聲學層析成像檢測系統(tǒng)包括三個模塊．？傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、逡逑主控計算機，結構示意圖如圖３－１。逡逑傳感器邋檢p區(qū)域逡逑／ｉＶｖ邋／［逡逑ｔ邋ＡｌＴ＾Ｔ邋，邐、數(shù)據(jù)采集與逡逑？邐ｔ邋＾邐１邐＾處理系統(tǒng)逡逑／＼Ｊ邐ｉｘ逡逑邐ＬＩ邐邐邐Ｕ邋邐逡逑激勵單亓邐｜主控ｉ十算機（圖彳象重建逡逑、￣￣邋和物理場參數(shù)提�。╁义蠄D３－１聲學層析成像系統(tǒng)構成圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．３－１邋Ｄｉａｇｒａｍ邋ｏｆ邋ａｃｏｕｓｔｉｃ邋ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑下面分別介紹系統(tǒng)各部分功能。逡逑（１）傳感器系統(tǒng)逡逑當主控計算機對激勵單元發(fā)出控制指令時，傳感器系統(tǒng)接受激勵信號，并由逡逑發(fā)射端傳感器發(fā)射起聲波信號，接收端接收超聲波信號，并將其轉換為電壓值傳逡逑輸至數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)中。逡逑本文采用收發(fā)一體的超聲波傳感器，并根據(jù)應用環(huán)境和檢測要求選擇合適的逡逑類型，傳感器本身就帶有將電功率和機械功率（超聲波）轉換的功能，也因此稱逡逑為超聲波換能器。也有學者米用收發(fā)分開的傳感器，認為收發(fā)一體會存在信號千逡逑擾。但傳感器分開布置會導致傳感器個數(shù)翻倍，而采集設備的通道數(shù)量有限，只逡逑３０逡逑

聲學法更有可能求得準確的解，這也是聲學法測量的優(yōu)勢。逡逑以１２個超聲波換能器為例，進行聲學的敏感場仿真計算。將傳感器均勻的逡逑布置成環(huán)形，如圖３－２所示：逡逑：pc嫌逡逑＊５邋ｏ＊ｍ邋ｆｔｉ＂邋ｏｉｓ邋＂ｏｊ邋０２５邋ｏＴａ邋0＊？＂逡逑圖３－２傳感器位置圖逡逑Ｆｉｇｕｒｅ．３－２．邋Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ邋ｏｆ邋ｓｅｎｓｏｒｓ逡逑３５逡逑

分成水平穴個網(wǎng)格，豎直反個網(wǎng)格，總共ｎ邋＝邋５ｘ６個像素網(wǎng)格，用下標ｙ？表示。網(wǎng)逡逑格排列順序從原點附近開始，從左至右，再從下到上，依次排列。則敏感場ＳＡＸ）逡逑表示第／條聲波路徑在第Ｊ個網(wǎng)格內的長度，如圖３－２所示。逡逑當像素數(shù)較少時，我們可以將傳感器布置在非網(wǎng)格線的位置。隨著像素數(shù)的逡逑增多，傳感器不可避免的會落在網(wǎng)格線上。這時，傳播路徑無法判斷是在哪個網(wǎng)逡逑格內。因此，本文針對這種情況對敏感場矩陣做了特殊處理，使得傳感器的布置逡逑位置不受限制。處理方法如下：逡逑重建算法中，是將被測空間分為一定數(shù)量的像素網(wǎng)格，認為每個像素內的物逡逑理參數(shù)均勻，以網(wǎng)格中心點的參數(shù)值作為該網(wǎng)格的參數(shù)值。但實際的多相氣體流逡逑動空間中，溫度濃度等參數(shù)是連續(xù)變化的，每個像素內的參數(shù)并不均勻，這樣的逡逑替代方式會導致模型本身就存在誤差，網(wǎng)格數(shù)越少誤差越大。但有限元法就是將逡逑空間分成有限個區(qū)域

【參考文獻】

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本文編號：2793592