基于吸收光譜技術(shù)重建高溫氣體二維溫度、濃度場(chǎng)的研究.pdf

1、燃燒診斷是燃燒學(xué)研究的重要手段。溫度和重要?dú)怏w組分的濃度作為燃燒過(guò)程中的重要參數(shù)，其準(zhǔn)確診斷對(duì)研究燃燒機(jī)理、提高燃燒效率及控制污染排放具有指導(dǎo)性作用。而傳統(tǒng)接觸式測(cè)量方法具有易干擾流場(chǎng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)差且難以實(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等缺點(diǎn)，傳統(tǒng)非接觸式測(cè)量方法雖能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，但系統(tǒng)復(fù)雜，易受背景噪聲干擾。因此，發(fā)展非侵入、實(shí)時(shí)在線的燃燒診斷技術(shù)具有重要意義。
　　可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorpt

2、ion spectroscopy,TDLAS)作為一種基于激光和氣體共振吸收進(jìn)行氣體參數(shù)檢測(cè)的吸收光譜技術(shù)，具有高精度、高靈敏度、多參數(shù)實(shí)時(shí)在線測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，TDLAS視線測(cè)量的性質(zhì)使其能擴(kuò)展應(yīng)用于二維空間分辨，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)分布重建。本文通過(guò)對(duì)可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜層析成像技術(shù)(Tunable diode laser absorption tomography, TDLAT)的機(jī)理進(jìn)行研究，基于TDLAS雙線測(cè)溫的原理，以水蒸氣為燃燒溫度測(cè)量

3、的目標(biāo)分子，依據(jù)譜線選擇原則編寫(xiě)Matlab代碼對(duì)HITRAN2012分子光譜數(shù)據(jù)庫(kù)中通訊波段的H2O吸收線進(jìn)行篩選，并將篩選結(jié)果中一對(duì)最優(yōu)譜線用于氣體二維溫度和水蒸氣濃度場(chǎng)的仿真重建。利用TDLAT技術(shù)對(duì)設(shè)定的不同溫度和水蒸氣濃度分布模型進(jìn)行仿真重建，分別采用平行光束和扇形光束布置方式對(duì)待測(cè)區(qū)域進(jìn)行掃描，分析投影角度數(shù)目、扇形束投影點(diǎn)位置等因素對(duì)場(chǎng)重建質(zhì)量的影響，獲得兩種光束布置方式下的最佳投影方式。通過(guò)分析不同噪聲水平下的仿真重建結(jié)

4、果，研究測(cè)量噪聲對(duì)兩種投影掃描方式的影響。搭建簡(jiǎn)單燃燒試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)基于波長(zhǎng)調(diào)制TDLAT技術(shù)的二維燃燒溫度場(chǎng)重建進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
　　利用超光譜層析成像技術(shù)，分別以光譜積分吸收率和峰值吸收率為投影值，對(duì)不同的溫度和濃度分布模型進(jìn)行了仿真重建。對(duì)于以積分吸收率為投影值的溫度場(chǎng)和水蒸氣濃度場(chǎng)重建，首先采用模擬退火算法（Simulated annealing algorithm, SA）求解較精確的溫度場(chǎng)，再借助代數(shù)重建算法求解關(guān)于水蒸氣

5、濃度場(chǎng)的線性方程組，實(shí)現(xiàn)二維燃燒溫度場(chǎng)和水蒸氣濃度場(chǎng)重建。利用SA算法對(duì)兩種不同測(cè)量值下的投影方程組進(jìn)行優(yōu)化求解，通過(guò)調(diào)整目標(biāo)函數(shù)中投影值誤差項(xiàng)、溫度和濃度分布先驗(yàn)信息項(xiàng)之間的比例，實(shí)現(xiàn)了溫度、水蒸氣濃度場(chǎng)的同時(shí)重建，驗(yàn)證兩種技術(shù)對(duì)含有噪聲測(cè)量值重建過(guò)程的穩(wěn)定性。添加噪聲后溫度場(chǎng)和水蒸氣濃度場(chǎng)的重建結(jié)果并無(wú)較大變化。
　　基于超光譜增加光譜信息、減少空間位置投影的思想，采用波長(zhǎng)調(diào)制光譜技術(shù)，以數(shù)字鎖相之后一次諧波信號(hào)歸一化的二次諧