光场相机标定及火焰三维温度场重建方法研究

发布时间：2020-05-04 05:44

【摘要】：燃烧广泛存在于冶金、航空航天和钢铁等工业生产过程中,火焰温度是探究燃烧过程的重要参数,进行火焰温度测量,无论对燃烧过程的理论基础性研究,还是为开发设计新的燃烧设备以及对于研究燃烧经济性、清洁性、安全性和稳定性等都具有重要的意义和应用价值。本文针对目前火焰温度测量系统及方法在模型精确性和工业适用性等方面的不足,提出了一种基于光场成像的火焰三维温度场测量方法,开展了光场相机标定与温度场重建技术研究。耦合光场成像与火焰辐射传输模型,建立了火焰辐射光场成像数学模型,介绍了辐射传输方程求解算法(LSQR算法和Tikhonov正则化算法)的基本原理,并针对实际火焰吸收系数未知的问题,提出了一种可以同时重建火焰温度和吸收系数的Tikhonov-LMBC混合算法。进行了光场成像火焰三维温度场重建问题求解的数值模拟,结果表明Tikhonov正则化算法重建结果优于LSQR且具有更好的稳定性。火焰温度重建结果最大相对误差在3%以内,吸收系数重建结果最大相对误差在2.5%以内。证明了Tikhonov-LMBC混合算法可以同时重建火焰温度和吸收系数,且具有较好的精确性和鲁棒性。针对传统相机标定方法的不足,提出了一种聚焦光场相机的几何参数标定方法,建立了基于原始光场图像的聚焦光场相机标定模型,利用Levenberg-Marquardt算法求解标定模型,进一步结合光场相机F数匹配特性计算了待标定参数值。为了验证所提标定方法的精确性,利用Raytrix R29型相机开展了实验研究,并将标定结果与利用全聚焦图像得到的标定结果进行了对比。结果表明原始光场图像和全聚焦图像虚拟像点的重投影误差分别在17个和13个像素以内,原始光场图像像点的重投影误差在3个像素以内,证明了提出的聚焦光场相机标定方法的可行性和可靠性。利用黑体炉开展了聚焦光场相机成像探测器辐射强度标定研究,针对子图像选取了有效的标定区域以消除渐晕效应的影响,得到了三通道(R、G、B)辐射强度值与灰度值之间的拟合关系,同时利用同流燃烧器和光场成像火焰三维温度场测量系统,开展了非对称乙烯层流扩散火焰实验研究,利用热电偶对Tikhonov-LMBC混合算法重建结果进行了验证。结果表明:火焰温度重建结果与热电偶温度测量结果吻合较好,两种测量结果最大相差187.6 K,证明了利用Tikhonov-LMBC混合算法进行光场成像火焰三维温度场重建的可行性和可靠性。
【图文】：

温度场分布,火焰温度测量,方法,测温法

图 1-1 火焰温度测量方法1.2.1 接触式测温法接触式测温法需要将测温元件与被测目标直接接触，根据热平衡原理，当敏感的测温件通过热量传递与被测目标达到热平衡时，就可以认为测温元件与被测目标具有相同的温目前，接触式测温法包含热电式测温法（如 P-N 结温度计和热电偶）、热电阻式测温法（括半导体热敏电阻温度计和金属热电阻温度计）和膨胀式测温法（包括压力式温度计、固和液体膨胀式温度计）。热电阻式测温法和膨胀式测温法不受火焰黑度及热物性参数等其他因素的影响，对环要求不高，具有操作简单、经济实用等优点，然而这两种方法测温元件较大且无法用于高火焰温度测量。热电偶测温法是一种发展较早且简单成熟有效的火焰测温方法，具有测温件体积小，测量可靠的优点。目前，在国内外火焰温度测量中仍有较多应用，例如卢晶等[使用热电偶进行了乙烯非预混火焰的烟黑的容积份额和温度场分布测量；蒋利桥等[14]使丝径为 50μm 的热电偶进行了预混甲烷火焰的温度场测量；Nadir Yilmaz 等[15]研究了热电用于动态火焰的温度场测量。然而，热电偶测温法也存在一些无法避免的缺点：（1）在实燃烧过程中，某点火焰的温度随时间不断变化，而热电偶具有一定的热容，因此在测量过中会有一定的滞后时间，不能及时地反映火焰的真实温度，尤其是在着火和熄火温度变化烈阶段[16]。（2）热电偶与被测火焰的接触会影响火焰的温度场分布。（3）由于受到热电

光学层析,投影成像,火焰,双色法

置图（引自文献[40]）（b）测量原理示意图 1-1 基于光学层析的双色法火焰三维温度场测量基本原理是利用迭代重建和代数重建联合算法和的投影图像，重建火焰各横截面的灰度分布，然后研究工作使得双色法测温的适用性和精确性得到型，如图 1-2 所示，其投影模型满足下式，，( ), deg x y s辐射强度分布函数，其大小满足式（1.2），(θ, t)
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK311

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