基于聲學法的混合氣體溫度、濃度和速度分布同時測量方法研究.pdf

1、混合氣體的溫度、濃度和速度分布的同時測量對于確保系統(tǒng)安全、高效運行，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、濃度和速度對測量信息的耦合影響，實時、準確地獲取系統(tǒng)物理狀態(tài)參數(shù)非常具有挑戰(zhàn)性。
　　聲學法因具有非侵入傳感、全場監(jiān)測、在線測量等優(yōu)點被認為是具有廣闊發(fā)展前景的可視化測量方法?；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參數(shù)，聯(lián)合聲速和經(jīng)典衰減，對混合氣體的溫度、濃度和速度分布進行同時重建。不同于一種

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

3、計算過程;并提出了高溫環(huán)境中的弛豫衰減系數(shù)的計算模式。
　　(2)建立聲學參數(shù)與混合氣體溫度、濃度和速度的耦合模型是實現(xiàn)復雜熱物理場內(nèi)多參數(shù)同時測量的關(guān)鍵。本文揭示了混合氣體的溫度、濃度以及速度與聲學測量參數(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重建模型。提出了基于聲速和聲衰減的測量，對混合氣體的溫度、濃度和速度分布進行同時重建的方法，并通過數(shù)值仿真驗證了方法的可行性和有效性。
　　(3)提出了一個廣義Tikh

4、onov正則化算法求解聲學反問題。通過建立新的目標泛函將聲學反問題轉(zhuǎn)化為一個最優(yōu)化問題的求解。該目標泛函采用M估計緩解測量粗差的影響，同時引入了全變差正則和被測對象的低秩約束;提出了一個集成了分裂Bregman算法優(yōu)勢的迭代格式有效求解該目標泛函。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，為實現(xiàn)復雜熱物理場多參數(shù)的高精度同時重建奠定了基礎(chǔ)。
　　(4)采用數(shù)值仿真途徑，對爐膛煙氣中的溫度分布，

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