基于吸收光谱技术的燃烧场温度与浓度层析成像方法研究

发布时间：2018-04-01 20:19

本文选题：可调谐二极管吸收光谱　切入点：联合代数迭代算法　出处：《东南大学》2016年硕士论文

【摘要】：可调谐半导体二极管吸收光谱技术(TDLAS)具有响应速度快、环境适应性强、测量范围广、设备结构简单、能够实现非接触式测量等优点,适合燃烧等高温环境气体参数的测量。一般其测量值具有路径积分的特点,测量结果为路径的平均值。然而在燃烧过程中由于气流扰动、可燃物的不均匀分布等原因,待测区域内气体参数通常呈非均匀分布,路径的平均值不能准确的反映燃烧状况。为获得燃烧中气体参数的空间分布信息,需开发有效的二维诊断技术。论文以燃烧产物中常见的水蒸气作为测量对象,开展了基于吸收光谱技术的温度场与浓度场的测量研究。主要工作与创新点有：搭建了一维温度、浓度均匀分布的测量系统,通过仿真与实验,验证了部分点单峰拟合方法测温的准确性。最新的HITRAN2012光谱数据库在0～25711cm-1范围内提供了224515条H2O吸收谱线。谱线较多,从中很难选取完全孤立且满足测量需求的谱线对。当存在临近吸收峰的干扰时,多峰拟合法可获得准确的测量信息。然而该方法拟合时,自由变量较多,拟合准确性较低。采用部分点单峰拟合法可有效的提高拟合准确性。为验证该方法测量结果的准确性,选取了7185.59cm-1与7444.36cm-1两条吸收谱线作为研究对象,对不同温度下的吸光度曲线进行拟合计算,并将计算结果与设定值比较。研究结果表明：利用上述拟合方案,能够有效的提高计算速度。且该方法计算得到的温度与设定值基本吻合。为验证该方法用于实际温度测量时的准确性,搭建了高温管式炉测量系统,并设定不同的温度进行测量比较。实验结果表明,测量结果与设定值吻合较好,温度与浓度测量误差均小于3%。改进了基于双谱线重建二维非均匀场的重建算法,并将其用于实际火焰的测量。设计了用于直联式航空发动机的多光路层析成像测量系统,并通过现场实验验证了测量系统的可靠性和准确性。联合代数迭代算法(SART)在迭代过程中考虑了同一角度下经过同一网格的所有光路测量值的影响,具有一定的抗噪声能力。基于该算法并结合实际的物理吸收过程,在迭代过程中加入了非负性限制以及平滑机制,进一步完善了重建算法。为验证改进后算法的有效性,设定了两种温度、浓度分布模型用于重建计算。并将重建结果分别与ART算法和传统SART算法进行比较。结果表明：改进后SART算法重建精度优于其他两种算法且抗噪声能力有了进一步的提高。将该算法用于平面火焰炉的测量,通过8个角度,每个角度38个位置的投影测量值重建了38×38网格下火焰的温度场与浓度场,重建的温度分布与热电偶测量结果吻合较好。在此基础上,针对直联式航空发动机燃烧室出口燃气的测量,设计了多光路测量系统,并在发动机上对该测量系统进行测试。实验中通过改变燃料的油气比,对五种不同的燃烧状态下的温度与水蒸气浓度场进行测量。重建结果能够准确反映峰位置和波动,验证了测量系统的可靠性和准确性。提出了半线性交替迭代法用于求解温度场、浓度场重建的非线性不适定问题,可以充分利用多条谱线的测量信息。首先对浓度的计算提出线性方案,半线性化原问题,弱化原问题的非线性。其次对待测温度场、浓度场提出了交替迭代的方案,固定其中一个未知变量,更新另一个变量。这一技术可以降低数据的存储空间,每一步迭代降低一半的未知变量个数,使得该算法适用于大规模未知量的计算。最后为了保证迭代解收敛于精确解,引入惩罚项克服重建过程的病态性,每一步迭代自动调整正则化参数。为验证方案的有效性,设定了单峰与双峰温度、浓度分布模型,并将上述算法与模拟退火算法进行比较。结果表明,两种算法均能够获得较准确的温度场与浓度场重建结果,然而交替迭代算法的计算耗时明显较少。为检验算法的抗干扰能力,使用叠加了不同等级高斯白噪声的测量值进行场重建。重建结果表明该算法具有较强的抗噪声能力。将交替迭代算法用于实际火焰的温度场与浓度场重建,通过时分复用技术测量了10条吸收谱线在两个正交方向的积分吸光度。重建温度分布与修正后的热电偶测量值吻合较好。该方法更适用于航空发动机等空间光路布置受限条件下的温度场与浓度场的测量。
[Abstract]:In order to verify the accuracy of the method , it is difficult to measure the accuracy of the temperature field and the concentration field . In order to verify the accuracy of the method , the method can effectively improve the accuracy of the measurement . A semi - linear alternating iterative method is proposed to solve the problem of non - linearity of temperature field and concentration field reconstruction .

【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231.2

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