【摘要】：燃燒廣泛存在于冶金、航空航天和鋼鐵等工業(yè)生產(chǎn)過程中,火焰溫度是探究燃燒過程的重要參數(shù),進(jìn)行火焰溫度測(cè)量,無論對(duì)燃燒過程的理論基礎(chǔ)性研究,還是為開發(fā)設(shè)計(jì)新的燃燒設(shè)備以及對(duì)于研究燃燒經(jīng)濟(jì)性、清潔性、安全性和穩(wěn)定性等都具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)目前火焰溫度測(cè)量系統(tǒng)及方法在模型精確性和工業(yè)適用性等方面的不足,提出了一種基于光場(chǎng)成像的火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量方法,開展了光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定與溫度場(chǎng)重建技術(shù)研究。耦合光場(chǎng)成像與火焰輻射傳輸模型,建立了火焰輻射光場(chǎng)成像數(shù)學(xué)模型,介紹了輻射傳輸方程求解算法(LSQR算法和Tikhonov正則化算法)的基本原理,并針對(duì)實(shí)際火焰吸收系數(shù)未知的問題,提出了一種可以同時(shí)重建火焰溫度和吸收系數(shù)的Tikhonov-LMBC混合算法。進(jìn)行了光場(chǎng)成像火焰三維溫度場(chǎng)重建問題求解的數(shù)值模擬,結(jié)果表明Tikhonov正則化算法重建結(jié)果優(yōu)于LSQR且具有更好的穩(wěn)定性�；鹧鏈囟戎亟ńY(jié)果最大相對(duì)誤差在3%以內(nèi),吸收系數(shù)重建結(jié)果最大相對(duì)誤差在2.5%以內(nèi)。證明了Tikhonov-LMBC混合算法可以同時(shí)重建火焰溫度和吸收系數(shù),且具有較好的精確性和魯棒性。針對(duì)傳統(tǒng)相機(jī)標(biāo)定方法的不足,提出了一種聚焦光場(chǎng)相機(jī)的幾何參數(shù)標(biāo)定方法,建立了基于原始光場(chǎng)圖像的聚焦光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定模型,利用Levenberg-Marquardt算法求解標(biāo)定模型,進(jìn)一步結(jié)合光場(chǎng)相機(jī)F數(shù)匹配特性計(jì)算了待標(biāo)定參數(shù)值。為了驗(yàn)證所提標(biāo)定方法的精確性,利用Raytrix R29型相機(jī)開展了實(shí)驗(yàn)研究,并將標(biāo)定結(jié)果與利用全聚焦圖像得到的標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明原始光場(chǎng)圖像和全聚焦圖像虛擬像點(diǎn)的重投影誤差分別在17個(gè)和13個(gè)像素以內(nèi),原始光場(chǎng)圖像像點(diǎn)的重投影誤差在3個(gè)像素以內(nèi),證明了提出的聚焦光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定方法的可行性和可靠性。利用黑體爐開展了聚焦光場(chǎng)相機(jī)成像探測(cè)器輻射強(qiáng)度標(biāo)定研究,針對(duì)子圖像選取了有效的標(biāo)定區(qū)域以消除漸暈效應(yīng)的影響,得到了三通道(R、G、B)輻射強(qiáng)度值與灰度值之間的擬合關(guān)系,同時(shí)利用同流燃燒器和光場(chǎng)成像火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng),開展了非對(duì)稱乙烯層流擴(kuò)散火焰實(shí)驗(yàn)研究,利用熱電偶對(duì)Tikhonov-LMBC混合算法重建結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明:火焰溫度重建結(jié)果與熱電偶溫度測(cè)量結(jié)果吻合較好,兩種測(cè)量結(jié)果最大相差187.6 K,證明了利用Tikhonov-LMBC混合算法進(jìn)行光場(chǎng)成像火焰三維溫度場(chǎng)重建的可行性和可靠性。
【圖文】：

圖 1-1 火焰溫度測(cè)量方法1.2.1 接觸式測(cè)溫法接觸式測(cè)溫法需要將測(cè)溫元件與被測(cè)目標(biāo)直接接觸，根據(jù)熱平衡原理，當(dāng)敏感的測(cè)溫件通過熱量傳遞與被測(cè)目標(biāo)達(dá)到熱平衡時(shí)，就可以認(rèn)為測(cè)溫元件與被測(cè)目標(biāo)具有相同的溫目前，接觸式測(cè)溫法包含熱電式測(cè)溫法（如 P-N 結(jié)溫度計(jì)和熱電偶）、熱電阻式測(cè)溫法（括半導(dǎo)體熱敏電阻溫度計(jì)和金屬熱電阻溫度計(jì)）和膨脹式測(cè)溫法（包括壓力式溫度計(jì)、固和液體膨脹式溫度計(jì)）。熱電阻式測(cè)溫法和膨脹式測(cè)溫法不受火焰黑度及熱物性參數(shù)等其他因素的影響，對(duì)環(huán)要求不高，具有操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，然而這兩種方法測(cè)溫元件較大且無法用于高火焰溫度測(cè)量。熱電偶測(cè)溫法是一種發(fā)展較早且簡(jiǎn)單成熟有效的火焰測(cè)溫方法，具有測(cè)溫件體積小，測(cè)量可靠的優(yōu)點(diǎn)。目前，在國內(nèi)外火焰溫度測(cè)量中仍有較多應(yīng)用，例如盧晶等[使用熱電偶進(jìn)行了乙烯非預(yù)混火焰的煙黑的容積份額和溫度場(chǎng)分布測(cè)量；蔣利橋等[14]使絲徑為 50μm 的熱電偶進(jìn)行了預(yù)混甲烷火焰的溫度場(chǎng)測(cè)量；Nadir Yilmaz 等[15]研究了熱電用于動(dòng)態(tài)火焰的溫度場(chǎng)測(cè)量。然而，熱電偶測(cè)溫法也存在一些無法避免的缺點(diǎn)：（1）在實(shí)燃燒過程中，某點(diǎn)火焰的溫度隨時(shí)間不斷變化，而熱電偶具有一定的熱容，因此在測(cè)量過中會(huì)有一定的滯后時(shí)間，不能及時(shí)地反映火焰的真實(shí)溫度，尤其是在著火和熄火溫度變化烈階段[16]。（2）熱電偶與被測(cè)火焰的接觸會(huì)影響火焰的溫度場(chǎng)分布。（3）由于受到熱電

置圖（引自文獻(xiàn)[40]） （b）測(cè)量原理示意圖 1-1 基于光學(xué)層析的雙色法火焰三維溫度場(chǎng)測(cè)量基本原理是利用迭代重建和代數(shù)重建聯(lián)合算法和的投影圖像，重建火焰各橫截面的灰度分布，然后研究工作使得雙色法測(cè)溫的適用性和精確性得到型，如圖 1-2 所示，其投影模型滿足下式，，( ), deg x y s輻射強(qiáng)度分布函數(shù)，其大小滿足式（1.2），(θ, t)
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK311

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本文編號(hào)：2648185