国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

多光譜反演火焰溫度及煙黑體積分?jǐn)?shù)研究

2019-10-24 09:12章奇司夢婷王東旭王安振李燦王振羅自學(xué)婁春程強(qiáng)
中國艦船研究 2019年5期
關(guān)鍵詞:輻射強(qiáng)度光譜儀反演

章奇,司夢婷,王東旭,王安振,李燦,王振,羅自學(xué),婁春,程強(qiáng)*

1 煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074

2 中國艦船研究設(shè)計(jì)中心,湖北武漢430064

0 引 言

火焰溫度和介質(zhì)的輻射特性是反映火焰燃燒的2 個(gè)重要參數(shù)[1]。火焰中的輻射強(qiáng)度、顆粒污染物和燃燒效率都與煙黑有關(guān)[2-3]。許多學(xué)者致力于精確地測量火焰中的溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的分布[4-6]。

根據(jù)測溫過程中探測器是否與被測量對(duì)象接觸,測試方法可以分為接觸式和非接觸式[7]。熱電偶測溫法[8]與光纖測溫法[9]是2 種常見的接觸式測溫方法。接觸式測溫在測溫過程中不可避免地要與被測量對(duì)象接觸,從而會(huì)干擾被測量對(duì)象,導(dǎo)致測量精度降低。非接觸式測量可以分為光學(xué)法和聲波法[10]。在非接觸式測量中,光學(xué)測溫法被更多地采用。光學(xué)測溫法根據(jù)光源的區(qū)別可以分為外加光源的激光光學(xué)法和以火焰自身輻射作為光源的輻射光源法。激光測溫法[11-12]受制于設(shè)備昂貴且測量區(qū)域較小,目前極少用于測量工業(yè)現(xiàn)場的溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)。而基于輻射光譜和可見光圖像[13-14]的方法應(yīng)用更為廣泛。輻射光譜法中的雙色法很早被應(yīng)用于測定火焰沿著拍攝方向處的煙黑體積分?jǐn)?shù)和溫度的平均值[15-20]。多光譜發(fā)射CT 法[21]將計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(CT)與發(fā)射光譜檢測技術(shù)結(jié)合起來,能夠獲得火焰溫度的二維和三維分布[22]。單獨(dú)基于火焰輻射光譜與輻射圖像測量溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的方法各有利弊:火焰輻射光譜[23-24]中包含多波段的輻射強(qiáng)度信息,其單色性強(qiáng)、信息量大,便于采用多種復(fù)雜算法進(jìn)行分析計(jì)算,但光譜測量通常只能單點(diǎn)測量,很難給出二維或三維測量結(jié)果;利用圖像傳感器[25-26]可以得到火焰高空間分辨率的二維圖像,有利于對(duì)溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行二維或三維測量,但與光譜數(shù)據(jù)相比,圖像數(shù)據(jù)普遍有單色性差、信噪比低的缺點(diǎn),導(dǎo)致對(duì)測量算法精度的要求更高。

本文擬使用高光譜儀拍攝實(shí)驗(yàn)室乙烯層流擴(kuò)散火焰,得到包含多波段輻射強(qiáng)度信息的高空間分辨率的二維圖像[27],相當(dāng)于結(jié)合輻射光譜和圖像法兩者的優(yōu)點(diǎn),對(duì)溫度和輻射特性參數(shù)進(jìn)行二維測量,以提高火焰溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)測量的準(zhǔn)確性,并通過反演得到精確的溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的分布。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測試原理

本文采用與文獻(xiàn)[28]一致的層流火焰燃燒器,軸向?qū)恿鲾U(kuò)散火焰的空氣和乙烯燃料流量分別為160 和194 mL/min。采用高光譜儀(型號(hào):SOC710VP),它可以從每個(gè)可選取的波長上拍攝到火焰圖像。在400~1 000 nm 范圍內(nèi)共有128 個(gè)可選波長的圖像,像素為696(水平)× 520(垂向),每個(gè)間隔4.68 nm 左右。實(shí)驗(yàn)前,需要利用黑體爐對(duì)高光譜儀進(jìn)行標(biāo)定,把高光譜儀拍攝的火焰灰度轉(zhuǎn)化為火焰的輻射強(qiáng)度。

軸對(duì)稱火焰的水平幾何示意圖如圖1 所示。圖中,r 為火焰半徑,r1為第1 個(gè)網(wǎng)格半徑,Iλ為單色光的輻射強(qiáng)度,l0和l1為射線與網(wǎng)格的第1 個(gè)和最后一個(gè)交點(diǎn),測量截面的火焰半徑為Rf,火焰截面分為N 個(gè)同心環(huán)單元,每個(gè)同心圓單元沿弦的離散寬度相同,火焰處于高光譜儀的視場角范圍內(nèi),高光譜儀與火焰中心線的距離為L,視場角θ∈[-θf,θf],其中θf=arc sin(Rf/L) 。類似地,θ也被劃分為M 個(gè)離散角θ M,M 取決于相機(jī)中傳感器的分辨率,θj為相機(jī)與X 軸與第j條視線之間的夾角,θj=-θf+jΔθ,θf為視場半角。

在光學(xué)假設(shè)中,高光譜儀的第j條視線接收的輻射強(qiáng)度Iλ(j)(忽略自吸收)表示為[21]

圖1 軸對(duì)稱火焰的水平幾何示意圖Fig.1 Horizontal geometry of an axisymmetric flame

式中:l 為直接輻射強(qiáng)度的路徑長度;λ為波長;l0(j)和l1(j)分別為積分的初始和最末射線;Ibλ為單色光的黑體輻射強(qiáng)度,由普朗克定律計(jì)算;Hλ(l)為輻射源項(xiàng);κλ為光譜的吸收系數(shù),它與煙黑體積分?jǐn)?shù)fv成正比,通過Mie 理論的Rayleigh 極限計(jì)算:

式中:E(m)為煙黑光學(xué)常數(shù)[29];m 為具有實(shí)部和虛部的梯度折射率函數(shù)。E(m)的數(shù)值與煙黑的物理特性有關(guān)[30],本研究中E(m)=0.26,m=1.57-0.56i。

選取2 個(gè)有效波長λa和λb進(jìn)行處理。λa和λb在第j 條視線上,高光譜儀接受到的輻射強(qiáng)度Eλa(j)和Eλb(j)可以表示如下:

式中,λ1,λ2,λ3,λ4為選擇的波長,一般根據(jù)相機(jī)的光譜響應(yīng)曲線的波長確定,但高光譜儀的光譜響應(yīng)為單色響應(yīng),所以對(duì)于所選波長λ1=λ2,λ3=λ4,通過求解方程Eλa=Δl×Hλa(Δl=l1(j)-l0(j))可以計(jì)算到Hλa;求解方程Eλb= Δl×Hλb可以計(jì)算到Hλb。聯(lián)立Hλa和Hλb,通過比色法可以得到

式中:C1,C2為特朗普第1和第2常數(shù),C1=3.742×10-16,C2=1.438 8×10-2。

通過式(4)求解溫度T,然后將T 代入式(3),計(jì)算得到吸收系數(shù)κλ,再將κλ代入式(2)就可以求得fv。通過選取不同的有效波長,分析其對(duì)溫度場和煙黑體積分?jǐn)?shù)反演的影響。

2 實(shí)驗(yàn)分析

高光譜儀距離火焰中心位置距離為L=30 cm。在此距離下,獲得的火焰圖像的像素分辨率為6.25 pixel/mm。反演程序?qū)⒚總€(gè)像素點(diǎn)劃分為一個(gè)網(wǎng)格,高光譜儀拍攝圖片的為696(水平)×520(垂向),火焰處在所拍攝圖片的中心,將圖片裁剪至520(水平)× 100(垂向)。利用算法將所拍攝的圖片劃分為520×102 個(gè)網(wǎng)格。

首先,對(duì)高光譜儀拍攝的火焰灰度進(jìn)行處理,圖2 中的折線分別代表火焰中心位置處火焰高度20,30,40,50 和60 mm 處高光譜儀拍攝的輻射強(qiáng)度。由圖可見,在火焰中心位置的輻射強(qiáng)度隨波長的增加而增加;在波長小于500 nm 時(shí)輻射強(qiáng)度的增幅并不明顯;在波長大于900 nm 時(shí),隨著波長的增加,輻射強(qiáng)度的增幅大,而且波動(dòng)較大。

圖2 高光譜儀拍攝的火焰中心不同高度下的輻射強(qiáng)度Fig.2 The radiation intensity at different heights of the flame center measured by high spectrometer

在實(shí)驗(yàn)室中,通常采用電荷耦合器件3CCD拍攝得到紅光輻射強(qiáng)度R 和綠光輻射強(qiáng)度G,然后基于雙色法計(jì)算火焰溫度。文獻(xiàn)[28]中采用3CCD(型號(hào):CV-M9CL)得到的光譜響應(yīng)曲線中,響應(yīng)G 值的最大波長為516 nm,響應(yīng)R 值的最大波長為594 nm,兩者波長差為78 nm。在高光譜儀可選擇的波長范圍內(nèi),選擇波長差Δλ≈78 nm的2 個(gè)波長進(jìn)行反演。本文使用的高光譜儀光譜檢測范圍400~1 000 nm,在可選擇的波長中,每隔50 nm 左右進(jìn)行1 次反演。波長差Δλ相同時(shí)波長的選擇如表1 所示。由于高光譜儀可以選擇的有效波長數(shù)為128,每個(gè)波長間隔4.68 nm 左右,只能選擇波長差近似為78 nm 的2 個(gè)波長進(jìn)行計(jì)算。

表1 相同波長差Δλ 時(shí)波長的選擇Table 1 Selection of wavelength with same wavelength difference Δλ

本文與文獻(xiàn)[28]采用相同的燃燒器,文獻(xiàn)[28]中空氣和燃料(乙烯)流量分別為284和194 L/min。

圖3 所示為采用表1 中的波長進(jìn)行反演得到的火焰溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的二維分布圖像,圖中h 為火焰高度。由圖3 可見,與其他工況的反演結(jié)果相比,工況1.1 反演得到的火焰溫度與實(shí)際溫度(文獻(xiàn)[28]中所示溫度)差值較大,而且在火焰外部出現(xiàn)了部分溫度較高的區(qū)域。工況1.1 選擇的波長為448.91 和524.40 nm,對(duì)照?qǐng)D2 可見,當(dāng)波長λ<500 nm 時(shí),火焰中心位置這段波長的輻射強(qiáng)度隨波長變化的幅度很小,所以使用雙色法反演容易造成火焰內(nèi)部溫度低,而且火焰內(nèi)部高溫部分不能被成功反演。此外,由于所選波長的輻射強(qiáng)度低,對(duì)火焰周圍的輻射強(qiáng)度影響大,導(dǎo)致反演產(chǎn)生的火焰外部區(qū)域的溫度偏高。

由圖3 還可見,工況8 反演得到的火焰內(nèi)部高溫區(qū)范圍非常大。由表1 可知,工況8 所選的波長為799.06 和879.04 nm。對(duì)照?qǐng)D2 中可見,當(dāng)波長λ>800 nm 時(shí),隨著波長的增加,輻射強(qiáng)度的增幅波動(dòng)劇烈,使得選擇此波長范圍下的輻射強(qiáng)度進(jìn)行反演容易造成誤差,無法反演出較為準(zhǔn)確的火焰溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)。

此外,相比于工況1.1 和工況1.8,工況1.2 和工況1.7 的反演結(jié)果有所改善。但是由于反演結(jié)果仍受波長選擇的影響,火焰內(nèi)部溫度的反演結(jié)果與文獻(xiàn)[28]有較大差別。而工況1.3~工況1.6反演得到的火焰溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)結(jié)果與文獻(xiàn)[28]較吻合。

將工況1.3~工況1.6 下火焰斷面不同高度處的溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)分布情況與文獻(xiàn)[21]進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如圖4 所示。其中,文獻(xiàn)[21]使用與本文相同的燃燒器基于多波長發(fā)射法得到層流火焰溫度與煙黑體積分?jǐn)?shù)的分布情況。

由圖4可見,不同工況的反演結(jié)果與文獻(xiàn)[21]有微弱的差別,但是反演曲線趨勢比較統(tǒng)一。其中,工況1.3~工況1.6 的反演結(jié)果都存在少許誤差。結(jié)合文獻(xiàn)[23]給出的火焰發(fā)射率隨波長的變化規(guī)律得知,反演溫度存在差異可能是由選取的波長不同導(dǎo)致發(fā)射率之比的誤差被放大所造成。

圖3 本文與文獻(xiàn)[28]反演結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison on the inversion results of our research and Ref.[28]

在火焰半徑方向選取樣點(diǎn),計(jì)算火焰高度30和50 mm 處工況1.3 和工況1.4 與文獻(xiàn)[21]的火焰溫度偏差結(jié)果如表2 所示。由于火焰溫度沿半徑方向的變化,不宜采用溫度平均值的方差進(jìn)行對(duì)比,因此采用每個(gè)樣點(diǎn)的相對(duì)偏差σ進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)偏差的計(jì)算如式(5)所示。

圖4 本文與文獻(xiàn)[21]在不同火焰高度處的溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的對(duì)比結(jié)果Fig.4 Comparison on the temperature and soot volume fraction with different flame height of our research and Ref.[21]

表2 相對(duì)偏差分析Table 2 Relative deviation analysis

式中:Tcase為工況溫度;Tliter為文獻(xiàn)給出的溫度。

由表2 可見,工況1.3 和工況1.4 的反演溫度與文獻(xiàn)[21]的最大相對(duì)偏差為2.77%,兩者的反演結(jié)果十分吻合。

通過上述討論得出,用于反演的波長盡可能在580~750 nm 范圍選取。工況1.1 和工況1.2 表示波長λa<500 nm 時(shí),火焰中心位置的輻射強(qiáng)度隨波長變化的幅度很小,反演時(shí)容易導(dǎo)致火焰內(nèi)部溫度低,而且火焰內(nèi)部的高溫部分不能被成功反演;工況1.6~工況1.8 表示波長λb>780 nm 時(shí),隨著波長的增加,輻射強(qiáng)度的增幅波動(dòng)劇烈,使得選擇λb>780 nm范圍的波長易導(dǎo)致輻射強(qiáng)度誤差。

改變波長差Δλ,在高光譜儀可選擇波長的580~750 nm 范圍內(nèi),選取合適的波長差Δλ并對(duì)波長進(jìn)行分組。表3 為波長差Δλ不同時(shí)的波長選擇結(jié)果。

表3 波長差Δλ 不同時(shí)的波長選擇結(jié)果Table 3 Selection of wavelengths with different wavelength differences Δλ

圖5 波長差Δλ 不同時(shí)火焰溫度的分布Fig.5 Distribution of Δλ flame temperature with different wavelength differences

圖5 所示為選擇不同的波長差Δλ時(shí)反演得到的二維溫度場。由圖5 可見,工況2.1 火焰內(nèi)部高溫區(qū)范圍較小,與文獻(xiàn)[28]的溫度相差較大,這是由于反演選擇的波長差Δλ太大,對(duì)應(yīng)的反演溫度的輻射強(qiáng)度比值太大,得到的溫度較低。隨著工況2.2~工況2.7 的波長差Δλ不斷減少,火焰內(nèi)部溫度較高的區(qū)域范圍逐漸增加,且逐漸逼近真實(shí)的火焰溫度。工況2.8 火焰內(nèi)部高溫區(qū)域已占據(jù)整個(gè)火焰,這是由于選擇的波長差Δλ過小,反演得到的溫度過高。由工況2.3~工況2.5 反演得到的溫度可知,利用高光譜儀拍攝火焰圖像進(jìn)行反演時(shí),要選擇合適的波長和波長差,當(dāng)反演的波 長 范 圍 為580~750 nm 時(shí),波 長 差 在77.60~118.98 nm 之間時(shí)的反演效果較好。

3 結(jié) 論

本文使用高光譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)室乙烯層流擴(kuò)散火焰進(jìn)行拍攝,得到了包含多波長輻射強(qiáng)度信息的空間高分辨率圖像,篩選圖像中的波長并進(jìn)行反演,得到如下幾點(diǎn)結(jié)論。

1)反演使用高光譜儀拍攝圖像,得到火焰溫度和煙黑體積分?jǐn)?shù)的二維分布情況。與文獻(xiàn)[28]結(jié)果比較,其最大溫度偏差為2.77%,表明反演結(jié)果真實(shí)可靠。

2)反演波長應(yīng)在580~750 nm 范圍選擇,原因如下:當(dāng)波長選擇過小時(shí),其輻射強(qiáng)度差別小,火焰內(nèi)部高溫部分不能成功反演,且由于所選擇的波長輻射強(qiáng)度低,在火焰周圍的輻射強(qiáng)度影響大,反演產(chǎn)生的火焰外部區(qū)域的溫度偏高;當(dāng)波長選擇過大時(shí),輻射強(qiáng)度的增幅波動(dòng)劇烈,容易導(dǎo)致輻射強(qiáng)度誤差較大,且容易造成火焰內(nèi)部溫度過高。

3)當(dāng)波長差較大時(shí),反演得到的火焰內(nèi)部溫度較低且高溫區(qū)不明顯;波長差越小,火焰內(nèi)部高溫區(qū)域逐漸增大,當(dāng)波長差過小時(shí),火焰整體溫度過高。

猜你喜歡
輻射強(qiáng)度光譜儀反演
反演對(duì)稱變換在解決平面幾何問題中的應(yīng)用
基于ADS-B的風(fēng)場反演與異常值影響研究
Meteo-particle模型在ADS-B風(fēng)場反演中的性能研究
長期運(yùn)行尾礦庫的排滲系統(tǒng)滲透特性的差異化反演分析
低發(fā)射率材料涂敷方案對(duì)排氣系統(tǒng)紅外特性的影響
科學(xué)DIY制作光譜儀,看到光線中的秘密
紫外燈輻射強(qiáng)度穩(wěn)定范圍測定
中波紅外系統(tǒng)探測能力計(jì)算方法
低成本光譜儀的研制
光譜儀告訴你蘋果熟不熟
通山县| 杭锦后旗| 永德县| 鱼台县| 永顺县| 大足县| 夹江县| 黑山县| 高台县| 汕头市| 清涧县| 兰溪市| 吴堡县| 屯门区| 诸暨市| 化州市| 会同县| 志丹县| 嘉禾县| 团风县| 玉环县| 襄城县| 垦利县| 四川省| 永新县| 长丰县| 黄陵县| 平乐县| 辽中县| 鄯善县| 荥阳市| 秦安县| 南漳县| 牙克石市| 玛多县| 龙江县| 天峻县| 三河市| 东乌珠穆沁旗| 襄垣县| 全南县|