基于聲學(xué)法的混合氣體溫度、濃度和速度分布同時(shí)測(cè)量方法研究.pdf

1、混合氣體的溫度、濃度和速度分布的同時(shí)測(cè)量對(duì)于確保系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行，減少污染物排放具有重要意義。由于混合氣體系統(tǒng)中溫度、濃度和速度對(duì)測(cè)量信息的耦合影響，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地獲取系統(tǒng)物理狀態(tài)參數(shù)非常具有挑戰(zhàn)性。
　　聲學(xué)法因具有非侵入傳感、全場(chǎng)監(jiān)測(cè)、在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是具有廣闊發(fā)展前景的可視化測(cè)量方法?；诼暡ǔ谠ニp，本文提出了將氣體的弛豫衰減作為新的聲學(xué)參數(shù)，聯(lián)合聲速和經(jīng)典衰減，對(duì)混合氣體的溫度、濃度和速度分布進(jìn)行同時(shí)重建。不同于一種

2、傳感器只測(cè)量一種物理參數(shù)的測(cè)量方法，本文提出的方法可以利用聲學(xué)傳感器對(duì)復(fù)雜熱物理場(chǎng)中多參數(shù)同時(shí)測(cè)量。
　　主要工作如下:
　　(1)聲學(xué)基本理論研究對(duì)實(shí)現(xiàn)混合氣體溫度、濃度和速度分布的同時(shí)測(cè)量具有重要意義。本文研究了聲波的產(chǎn)生及傳播機(jī)理，比較了聲傳播三種計(jì)算模型，確定了以射線模型作為本文的基本計(jì)算模型。給出了聲波經(jīng)典衰減的計(jì)算方法;討論了多原子氣體中的分子碰撞能量轉(zhuǎn)移模型，明確了弛豫過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移模式;總結(jié)了弛豫衰減系數(shù)的

3、計(jì)算過(guò)程;并提出了高溫環(huán)境中的弛豫衰減系數(shù)的計(jì)算模式。
　　(2)建立聲學(xué)參數(shù)與混合氣體溫度、濃度和速度的耦合模型是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜熱物理場(chǎng)內(nèi)多參數(shù)同時(shí)測(cè)量的關(guān)鍵。本文揭示了混合氣體的溫度、濃度以及速度與聲學(xué)測(cè)量參數(shù)的耦合關(guān)系，建立了混合氣體溫度、濃度和速度信息的同時(shí)重建模型。提出了基于聲速和聲衰減的測(cè)量，對(duì)混合氣體的溫度、濃度和速度分布進(jìn)行同時(shí)重建的方法，并通過(guò)數(shù)值仿真驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。
　　(3)提出了一個(gè)廣義Tikh

4、onov正則化算法求解聲學(xué)反問(wèn)題。通過(guò)建立新的目標(biāo)泛函將聲學(xué)反問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)最優(yōu)化問(wèn)題的求解。該目標(biāo)泛函采用M估計(jì)緩解測(cè)量粗差的影響，同時(shí)引入了全變差正則和被測(cè)對(duì)象的低秩約束;提出了一個(gè)集成了分裂Bregman算法優(yōu)勢(shì)的迭代格式有效求解該目標(biāo)泛函。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該算法是可行的，能夠確保穩(wěn)定的數(shù)值解，并能夠有效改善重建質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜熱物理場(chǎng)多參數(shù)的高精度同時(shí)重建奠定了基礎(chǔ)。
　　(4)采用數(shù)值仿真途徑，對(duì)爐膛煙氣中的溫度分布，

5、氣體混合過(guò)程的溫度與濃度分布，以及大氣表層的氣體流動(dòng)及溫度分布進(jìn)行了仿真重建，驗(yàn)證了本文提出的復(fù)雜熱物理場(chǎng)多參數(shù)同時(shí)重建方法的可行性。
　　(5)搭建了可以聯(lián)合測(cè)量聲速和聲衰減的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。測(cè)量了聲波在不同混合氣體中的傳播參數(shù)，對(duì)聲學(xué)參數(shù)與氣體溫度、濃度耦合關(guān)系模型進(jìn)行了修正，驗(yàn)證了均場(chǎng)下的溫度、濃度同時(shí)重建方法的有效性。
　　本文的研究工作是對(duì)聲學(xué)測(cè)量思路的擴(kuò)展，將原有的側(cè)重于測(cè)量單一熱物理參數(shù)的測(cè)量方法推廣到多種參數(shù)（包括