基于可調(diào)諧激光吸收光譜的燃燒場(chǎng)溫度測(cè)量研究.pdf

1、燃燒流場(chǎng)診斷中,溫度是一個(gè)極其重要的物理量。燃燒流場(chǎng)的溫度測(cè)量對(duì)于改善燃燒效率、降低污染物的排放有重要意義。傳統(tǒng)的熱電偶測(cè)溫屬于接觸式測(cè)量,不但會(huì)對(duì)待測(cè)流場(chǎng)產(chǎn)生干擾,易被測(cè)量環(huán)境中高溫高壓高流速的氣體毀壞,而且測(cè)溫范圍有限,缺乏足夠的空間和時(shí)間分辨率。
　　調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)(TDLAS)用于燃燒流場(chǎng)的溫度測(cè)量時(shí)不會(huì)干擾待測(cè)流場(chǎng),具有高靈敏度、高的譜分辨率、快速的響應(yīng)時(shí)間、大的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍、多參量同時(shí)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。本文以燃燒

2、主要產(chǎn)物之一的水蒸氣為目標(biāo)氣體,開展了基于TDLAS技術(shù)的燃燒流場(chǎng)溫度測(cè)量研究,具體的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新性成果概況如下:
　　(1)基于TDLAS雙線測(cè)溫譜線的選擇原則,選取水蒸氣位于1391.67nm和1468.89nm的吸收譜線作為測(cè)溫譜線對(duì),利用兩個(gè)激光器時(shí)分復(fù)用的方式,建立了面向燃燒流場(chǎng)在線測(cè)量的TDLAS系統(tǒng)?；诖讼到y(tǒng),設(shè)計(jì)了直接吸收光譜數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理算法實(shí)現(xiàn)了溫度和濃度的反演,并分析了測(cè)量的不確定度。利用熱電偶和Hen

3、cken型平面火焰燃燒爐進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,TDLAS的溫度測(cè)量結(jié)果與經(jīng)輻射校正的熱電偶溫度測(cè)量值基本吻合,偏差在4％以內(nèi)。
　　(2)發(fā)展了一種基于TDLAS正交路徑的二維燃燒場(chǎng)溫度重建算法,通過測(cè)得2N(N≥3)條沿視線(light-of-sight,LOS)測(cè)量路徑的積分吸光度,利用Tikhonov正則化方法得到兩條譜線分別在N×N個(gè)像素內(nèi)的溫度值,然后利用自然雙三次樣條插值對(duì)N×N個(gè)交叉點(diǎn)處的溫度進(jìn)行平滑,從而得到高空間分辨率

4、的2D分布。該方法與代數(shù)重建算法(ART)進(jìn)行比較,重建的抗噪聲能力提高12%,而準(zhǔn)確度無損失。利用數(shù)值仿真的方法,首次研究了不同LOS測(cè)量路徑數(shù)呈N×N均勻排布時(shí)對(duì)單峰溫度場(chǎng)和非對(duì)稱雙峰溫度場(chǎng)的二維重建結(jié)果的影響。綜合重建的精確度、抗噪聲干擾的能力及系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本,確定N=5是最佳方案。研究結(jié)果對(duì)實(shí)際的二維測(cè)量系統(tǒng)的搭建和應(yīng)用有指導(dǎo)意義?；?×3的測(cè)量路徑排布,搭建了TDLAS二維溫度測(cè)量系統(tǒng)。并利用平焰爐進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),對(duì)不同

5、流量比下的溫度測(cè)量結(jié)果與誤差進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,測(cè)量過程中的積分吸光度的不確定度是引起溫度測(cè)量誤差較大的主要原因。
　　(3)建立并驗(yàn)證了快速溫度寬譜調(diào)諧多譜線測(cè)溫體系。首先建立了半導(dǎo)體激光器溫度調(diào)諧動(dòng)態(tài)過程中的發(fā)射波長(zhǎng)與其內(nèi)部集成的熱敏電阻溫度的數(shù)學(xué)模型,通過測(cè)量熱敏電阻的溫度準(zhǔn)確獲得激光器芯片的結(jié)溫度,解決了快速寬譜掃描過程中動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)的獲取問題,將其應(yīng)用于快速寬譜調(diào)諧技術(shù)中實(shí)現(xiàn)70多條H2O吸收譜線的在線獲取,為非均勻溫度場(chǎng)

6、的準(zhǔn)確高空間分辨奠定了基礎(chǔ);完善了譜線選擇原則篩選了目標(biāo)譜線,篩選了其中的35條譜線并仿真驗(yàn)證了譜線選擇的合理性;提出了路徑分區(qū)的溫度測(cè)量方法,該方法通過將線強(qiáng)與溫度的復(fù)雜超越函數(shù)關(guān)系在測(cè)溫范圍內(nèi)進(jìn)行多項(xiàng)式簡(jiǎn)化,并加入邊界約束條件,得到了每個(gè)路徑分區(qū)內(nèi)的溫度值;改進(jìn)了流場(chǎng)溫度分區(qū)算法,將帶非負(fù)限制的Tikhonov正則化方法用于流場(chǎng)溫度分區(qū)的概率密度函數(shù)計(jì)算,解決了非負(fù)最小二乘算法在溫度分區(qū)較密時(shí)求解不穩(wěn)定甚至無效的問題。以酒精燈火焰為