基于轨迹图像的煤粉颗粒速度和粒径测量试验研究

摘要

在能源、环境和化工等领域中，颗粒运动参数的在线监测对于多相流和燃烧设备的优化运行具有重要意义。典型的如电厂煤粉参数的实时在线监测，是优化磨煤机出力、优化锅炉燃烧及电厂实现节能减排的重要前提和手段。尽管目前已发展了多种先进的颗粒场测量手段，如PIV、PDA等，但能用于工业现场实时在线测量技术还比较欠缺，尤其是对于结构复杂、光学特性差的煤粉颗粒。为此，本文研究了基于粒子轨迹图像的煤粉速度和粒径的测量方法，有望在电厂煤粉管道的实时在线测量中得到应用。
　　 首先，对煤粉光散射特性进行了实验研究，获得了煤粉颗粒在激光照射下不同方向及不同曝光时间下的成像特点。表明较长曝光时间下的煤粉轨迹图像清晰可辨，弥补了由于煤粉强吸收特性引起的瞬态图像偏暗和模糊的不足，进而提出了利用煤粉颗粒轨迹图像同时测量其速度和粒径的方法。实验拍摄了大量煤粉颗粒轨迹图像，并利用计算机图像处理方法对煤粉轨迹进行识别和计算，获得煤粉颗粒的速度和粒径分布。实验结果与商用PIV系统和Malvern粒度仪所得结果进行了比较，表明所开发的基于粒子轨迹图像的煤粉颗粒测量方法切实可行。
　　 其次，在机理实验台上对影响测量结果的关键参数，包括成像放大倍率和曝光时间，进行了系统研究。获得了实验系统的两个重要系数N和R，其中N可以指导实验或者商用产品选取合理的视场范围，R可以指导实验或者工业应用的合理曝光时间。结果表明：N值大于6，R值在3～7之间测量会有比较好的测量结果。
　　 最后，在系数N和R的指导下，在浙江大学热能工程研究所高温气固两相流风洞试验台上验证测量系统的可靠性。进行了玻璃颗粒的验证试验，在满足系数N和R条件下，本实验系统所测速度与粒径与商用PIV与Malvern粒度仪吻合较好，表明所开发的由廉价工业CCD相机和半导体激光器构成的轨迹图像测试系统可以很好地应用于管内气固两相流颗粒运动参数的实时在线检测。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 粒子参数测量技术现状与进展

1.3 基于成像技术测量方法的研究进展

1.4 本文研究内容及方案

2 轨迹图像法煤粉参数测量原理和测试系统

2.1 轨迹图像法的基本原理

2.2 激光器和CCD相机的选择

2.2.1 激光技术参数

2.2.2 相机技术参数

2.2.3 煤粉的筛选

2.3 系统测量误差影响因素分析

2.3.1 颗粒运动场成像误差

2.3.2 CCD成像能力误差

2.3.3 轨迹图像处理误差

2.4 小结

3 轨迹图像数字处理方法

3.1 数字图像处理的产生和发展

3.2 数字图像处理的目的及主要内容

3.2.1 数字图像处理的目的

3.2.2 数字图像处理的主要内容

3.3 MATLAB图像处理

3.3.1 Matlab的优点

3.3.2 Matlab图像处理工具箱

3.4 图像处理流程

3.4.1 图像处理及二值化模块

3.4.2 形态学处理模块

3.4.3 颗粒粒径，速度技术模块

3.5 轨迹图像处理误差影响因素分析

3.6 小结

4 煤粉颗粒轨迹图像的实验室测试

4.1 轨迹图像测量系统介绍

4.1.1 光学平台实验系统

4.1.2 大恒相机拍摄系统

4.1.3 大恒图像SDK软件开发

4.2 煤粉光散射特性研究

4.2.1 煤粉颗粒瞬时图像特征

4.2.2 煤粉颗粒轨迹图像特征

4.3 轨迹图像法光学平台实验测试

4.3.1 煤粉粒径和速度测量的可行性验证

4.3.2 不同成像放大倍率的影响

4.3.3 不童粒径分布颗粒群测试

4.3.4 不同曝光时间的影响

4.3.5 粒径和速度分析总结

4.4 实验系统误差及不确定度分析

4.5 小结

5 煤粉颗粒轨迹图像的风洞试验台测试

5.1 风洞试验平台

5.1.2 风洞试验台整体布置

s.1.3 风洞实验台操作软控制系统

5.2 轨迹图像法风洞平台实验测试

5.2.2 风洞试验台测量系统布置

5.2.3 轨迹图像法风洞平台实验测试和分析

5.3 影响因素分析

5.4 小结

6 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

参考文献

作者倚历