基于辐射成像的火焰温度场重建模拟研究

摘要

能源在21世纪已经成为人们赖以生存和发展的重要物质基础，同时它也关系到国民经济的发展和全球化的可持续发展。目前，以燃煤为主的火力发电机组在我国能源供给中占据着重要地位，并且这种趋势在很长一段时间内不会改变。电站锅炉的基本要求是炉膛内的火焰燃烧始终保持稳定、均匀的状态，而大型锅炉内煤粉的燃烧是一种非常复杂的具有热辐射交换的物理化学过程。因此，实时获取炉膛火焰温度信息，对于保证锅炉可靠、安全和经济的运行十分重要。本课题主要从数值模拟和实验两方面探究了锅炉炉膛火焰的二维温度场重建。
　　文章在数值模拟部分共采用三种不同的辐射逆问题求解算法并针对不同算法建立了不同的求解模型，随后对单峰对称和双峰偏置两种温度分布形态进行数值模拟研究。第一种方法采用蒙特卡洛法结合Tikhonov正则化算法，首先用蒙特卡洛方法求得模型中的READ数，接着用Tikhonov正则化方法重建二维温度场;第二种方法是SVD算法，该算法已广泛应用于声学法重建温度场中，本课题在使用该方法之前详细研究了已有声学模型和本文建立的光学模型之间的共通点，合理处理参数，最终重建出较为精确的温度场;第三种方法是粒子群算法，本文在原始粒子群算法的基础上进行改进，提出两群替代随机粒子群算法，加速了种群的收敛，避免了陷入局部最优解的情况，提高了重建精度。重建模拟结束后，以相对误差作为各离散单元的评价标准，以均方根误差作为总体重建区域误差的评价标准，对三种算法的重建精度进行了分析和比较，结果表明在合理的建立重建模型的基础上，各算法均能较好的还原温度场，且形态较为简单的单峰对称温度场的重建效果要好于形态较为复杂的双峰偏置温度场。
　　文章实验部分主要研究了黑体炉标定CCD相机的方法。为了获得图像灰度值与光谱辐射能之间的对应关系，提出通过有限标定点来获得拟合函数的方法。实验获得三种波长下的标定数据，采用多项式拟合方法获得各波长下灰度与辐射强度的三阶拟合曲线，为今后温度场重建实验研究奠定基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 常见火焰检测方法及燃烧诊断技术

1．2．1 接触式测温方法

1．2．2 非接触式测温方法

1．2．3 基于图像处理的可视化方法

1．3 国内外发展现状

1．4 本文研究内容

1．5 本文章节安排

第2章 CCD测温原理及辐射逆问题

2．1 CCD的测温原理

2．2 辐射逆问题

2．3 逆问题的求解方法

2．3．1 迭代法

2．3．2 半迭代法

2．3．3 非迭代法

2．4 本章小结

第3章 火焰二维温度场重建数值模拟研究

3．1 基于Monte Carlo法的温度场重建

3．1．1 Monte Carlo法计算原理

3．1．2 正问题模型建立

3．1．3 重建温度场结果

3．2 基于奇异值分解法的温度场重建

3．2．1 正问题模型建立

3．2．2 奇异值分解法原理

3．2．3 重建温度场结果

3．3 基于粒子群算法的温度场重建

3．3．1 标准PSO算法

3．3．2 PSO算法的改进

3．3．3 正问题模型建立

3．3．4 重建温度场结果

3．4 三种算法误差分析

3．5 本章小结

第4章 测量系统标定

4．1 CCD标定系统

4．2 标定实验

4．3 本章小结

第5章 全文总结与后续工作展望

5．1 全文总结

5．2 后期工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢