基于可调谐半导体激光谱技术的燃烧场气体分布重建的研究

摘要

燃烧环境中气体分布的实时精确测量是控制燃料燃烧，优化燃烧过程，降低污染物排放，提高能源利用率的有效途径。因此研究一种适用于燃烧环境气体分布反演的可行方法是非常重要的。
　　可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)具有低探测极限、非侵入、无污染、响应时间快和多气体成分联合测量等优点，已被广泛应用。单条光路传统的TDLAS测量系统也被用于工业燃烧中气体温度和浓度的测量，但只能得到测量路径上温度和浓度的平均值，要实现燃烧过程中气体断面分布的在线光谱测量，需要将TDLAS技术与计算机断层重建技术(CT)结合起来，形成可调谐半导体激光吸收光谱层析成像技术(TDLAT)。
　　本文通过TDLAT对实现燃烧场气体分布重建的理论进行研究，以燃烧过程中丰富的副产物H2O作为目标分子，利用“谱线群对”的思想获取所选谱线的光谱信息，并将所选的谱线，通过正交方向和多角度平行光束两种光路布置方式用TDLAT技术实现燃烧场气体温度和浓度分布的二维仿真重建，对重建结果和误差进行分析确定了其方法的正确性。为了进一步研究其正确性，对不同峰值位置、不同峰值大小的分布模型进行了模拟重建，并对重建结果进行了分析。最后研究了不同相对灵敏度的谱线群对对温度分布重建误差大小的影响。上述的模拟研究将为TDLAT技术实现燃烧场气体分布重建提供一定的理论基础。
　　实验中，通过搭建单光路气体温度测量实验平台，对7164.6cm1-7166.4cm-1波长范围内的水蒸气测温谱线群在待测温度范围进行R(T)曲线标定。并将标定过的谱线对用于平面火焰炉的燃烧温度场、水蒸气浓度场重建，通过获得炉面上方一定高度平面内两个正交方向上10条光路的光谱吸收信号，借助CT算法进行断面燃烧温度场、水蒸气浓度场的分布重建。由于探测器大小的限制，在探测器紧密排列的情况下，上述5*5的光路布置方式下总的重建区域为250mm×250mm，重建区域覆盖了直径为60mm的平面火焰炉燃烧区域。为了检验重建的可行性和合理性，本文也对平面火焰炉处于待重建区域不同位置的分布情况进行了重建。同时又改变光路数和改变火焰炉中的气体流量比，分别对气体分布进行了重建。最后在上述研究的基础上，利用实时采集的多组实验数据对燃烧火焰炉的稳定性进行了一定的分析。从实验的结果来看，其重建出来的位置和温度浓度范围与实际实验环境具有一定的一致性，确定了基于可调谐半导体激光吸收光谱与计算层析断层扫描相互结合实现燃烧场燃烧副产物水汽温度和浓度二维分布重建的可行性。

目录

摘要

1．绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文主要研究内容及文章结构

2．基于TDLAS的气体分布重建理论

2．1 TDLAS测量温度和浓度的基本原理

2．1．1 Beer法则

2．1．2 线强

2．1．3 线型函数

2．1．3 气体浓度测量原理

2．1．4 气体温度测量原理

2．1．5 直接吸收光谱技术

2．2 计算断层重建技术(CT)概述

2．2．1 代数迭代算法(ART)算法的介绍

2．2．2 最小二乘QR分解(LSQR)介绍

2．3 本章小结

3．燃烧场气体分布的模拟重建

3．1 气体温度和浓度分布仿真模型的建立

3．2 模拟重建前光谱参数的获得

3．3 模拟重建过程

3．3．1 重建算法迭代初始值的介绍

3．3．2 温度和浓度分布同时重建

3．4 不同气体分布模型重建

3．5 多角度平行束投影模拟重建

3．6 谱线对的灵敏度对温度分布重建的影响

3．7 本章小结

4．测量系统设计及实验设备

4．1 气体单路的温度测量系统

4．1．1 单路温度测量系统

4．1．2 主要实验设备介绍

4．1．3 实验步骤

4．2 气体分布重建实验装置

4．2．1 实验系统的设计

4．2．2 主要的实验设备

4．2．3 实验的过程

4．3 本章小结

5．实验结果分析

5．1 单路温度的测量

5．1．1 R(T)曲线测量实验结果

5．1．2 实验的误差分析

5．2 燃烧场气体分布重建

5．2．1 不同位置的平面火焰炉重建结果

5．2．2 通入不同空气量时燃烧场气体分布的重建

5．2．3 八条光路的燃烧场气体分布的重建

5．3 燃烧场实时采集结果及误差分析

5．3．1 燃烧场实时采集数据结果

5．3．2 燃烧场气体分布重建误差分析

5．4 本章小结

6．全文总结与展望

6．1 全文总结

6．2 本文成果

6．3 研究展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

参与科学研究项目

致谢

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