第四章非接触式场测量技术

第四章非接触式场测量技术第1页，共48页，2023年，2月20日，星期四医学X射线CT投影空间点火焰CCD基于火焰图像的温度场测量方法，与医学CT的区别：火焰自身发射代替外加光源有限数目探测器代替光源的旋转第2页，共48页，2023年，2月20日，星期四温度场重建的难点炉膛尺寸大，环境恶劣，传统的接触式点温度测量无法获得炉内温度的场分布炉内弥散介质种类多，辐射传递过程复杂温度与颗粒浓度耦合，必须综合考虑对于运用于燃烧优化的温度场测量，还必须考虑计算的速度，使系统尽可能快地响应第3页，共48页，2023年，2月20日，星期四介质发射辐射的传递模型S’方向吸收和向外散射发射从其他各方向进入的散射对辐射的增加S方向进入的辐射从其他各方向进入的散射向外散射气体和颗粒的吸收从其他各方向进入的散射对S方向辐射的增加自身发射S方向出射的辐射体元第4页，共48页，2023年，2月20日，星期四CO2COCCD响应波长NO气体的吸收系数序号气体特征波长(um)1CO2.01，2.69，2.77，4.26，15.002NO0.24，5.343NO20.4695，4.50，6.18，15.434CH41.14，1.16，1.66，2.37，3.395C2H21.04，3.04，7.53，13.376C3H81.687NH31.98，2.23，3.00，6.148CH0.314，0.390，0.4309C20.517SO2在测量中涉及到的可见光区，大部分的气体均可视为“透明体”

第5页，共48页，2023年，2月20日，星期四颗粒辐射特性计算

采用Mie理论计算颗粒辐射特性

第6页，共48页，2023年，2月20日，星期四煤燃烧过程中不同的颗粒粒子体积浓度范围直径可见光范围内尺寸系数碳粒2×10-5~5×10-410~250um40~2000飞灰2×10-6~3×10-55-100um，主要集中在10um附近20~785吸收效率因子散射效率因子可见光可见光第7页，共48页，2023年，2月20日，星期四颗粒辐射特性计算方法第8页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维温度场重建模型被吸收到达边界iCCD1.

在弥散介质内的辐射传递过程

2.光学成像过程

被气体和颗粒吸收被颗粒散射MonteCarlo方法

CCD成像光学模型

A进入CCD第9页，共48页，2023年，2月20日，星期四MonteCarlo算例W=2m,L=5m,H=3m的具有冷、黑内壁的长方体，包含着三维非均匀介质。介质包含：氮气和二氧化碳的混合气体，浓度变化的碳粒总体混合物的压力为1atm，二氧化碳的体积分数为21%，碳粒直径为30微米温度分布和碳粒浓度分布T0=500K，

N0=5×107

和5×108

个/m3第10页，共48页，2023年，2月20日，星期四算例结果及比较a)Y=0,Z=0辐射热通量的对比，b)Y=0,Z=1.5m表面辐射热流的对比，非均匀介质，T0=1000K,P=1atm(CO2体积分数21％)，碳粒浓度N0=5×107或5×108个/m3对比文献：J.T.Farmer,J.R.Howell.MonteCarlopredictionofradiativeheattransferininhomogeneous,anisotropic,nongraymedia.JournalofThermophysicsandHeatTransfer,1994;8(1):133-139.第11页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维光学成像计算（1）A点C点光学成像方程成像位置第12页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维光学成像计算（2）

A点N点直线MN方程M点平面X’O’Y’方程C点光学成像方程成像位置第13页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维光学成像计算（3）A点N点直线MN方程M点平面X’O’Y’方程C点光学成像方程成像位置第14页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维温度场重建数学模型煤粉火焰中第i个网格发射的能量由下式计算：煤粉火焰中第i个体元发出的到达CCD靶面上第j个像素的辐射能为：

为煤粉火焰中第i个微元发出的到达CCD靶面上第j个像素的辐射能份额第15页，共48页，2023年，2月20日，星期四三维温度场重建方程Pj

是CCD靶面上第j个像素接收的能量fi()代表火焰成像过程Ti

是第i个体元的温度

j=1,2,…,M;i=1,2,…,N三维温度场重建方程

第16页，共48页，2023年，2月20日，星期四LSQR算法LSQR（

LeastSquareQR-factorization）算法是求解病态问题的一种有效方法，广泛应用于地球物理中的地震波重建，适合于大型稀疏病态矩阵方程的求解LSQR算法是由PaigeCC和SaundersMA[1][2]

于1982年提出，它是基于Lanczos迭代方法的一种求解最小二乘问题的算法如果数据中的测量误差较大，LSQR算法还可以加阻尼，形成阻尼LSQR算法，更适合于病态问题的求解[1]PaigeCC,SaundersMA.Analgorithmforsparselinearequationsandsparseleastsquares.AMCTransactions.Math,Vol.8,No.2,pp.43-71,1982.[2]PaigeCC,SaundersMA.LSQR:Sparselinearequationsandleastsquaresproblems.AMCTransactions.Math,Vol.8,No.2,pp.195-209,1982.为阻尼系数第17页，共48页，2023年，2月20日，星期四重建算例CCD摄像机响应波长为可见光0.4～0.7微米，可见光波段CO2吸收系数为零前后左右四个面分别放置两台CCD摄像机，一共八台，靶面分为30×30个单元在各个体元内假设平均散射系数和消光系数为0.15m-1

和0.32m-1假设原始系统温度分布为：第18页，共48页，2023年，2月20日，星期四辐射能图像根据前述的MonteCarlo方法及三维光学成像模型可以计算得到靶面上的能量分布第19页，共48页，2023年，2月20日，星期四测量误差模拟在实际应用时，CCD靶面上各个像素上的能量值不可能精确测量，所以在模拟研究中必须在重建方程的能量值上加上模拟误差第20页，共48页，2023年，2月20日，星期四重建问题的病态性对于8个CCD摄像机,有7200个方程(30×30×8)和343个未知温度值(7×7×7)系数矩阵AE的大小为7200×343and条件数为1.4351×106原线性方程组为大型病态超定方程组，需要求其最小二乘解。对于病态问题来说，一般的求解方法得不到满意的结果第21页，共48页，2023年，2月20日，星期四方程的矩阵第22页，共48页，2023年，2月20日，星期四一般性方法求解结果基于Householder的正交化方法广泛应用于求解最小二乘问题第23页，共48页，2023年，2月20日，星期四假设温度分布重建温度分布横截面k=4

第24页，共48页，2023年，2月20日，星期四LSQR求解结果假设温度分布重建温度分布第25页，共48页，2023年，2月20日，星期四较大测量误差下的结果平均模拟相对测量误差39.31%

使用阻尼LSQR方法平均模拟相对测量误差0.80%很大的模拟误差！假设温度分布重建温度分布第26页，共48页，2023年，2月20日，星期四误差分析相对误差维持在较低水平当模拟相对测量误差达到39.31%时，重建相对误差为0.92%第27页，共48页，2023年，2月20日，星期四实际应用的难点

被吸收到达边界进入CCDiCCDA辐射能份额需要通过MonteCarlo方法预先计算但若考虑浓度变化，则MonteCarlo方法必须重新计算由于炉膛空间大，CCD尺寸小，MonteCarlo方法计算效率很低，非常耗时（数10小时）第28页，共48页，2023年，2月20日，星期四截面温度场求解模型为了减少计算量，加快温度场计算时间，将三维问题转化到二维问题每层燃烧器的四个CCD获得的图像用于计算该层的截面温度场不采用MonteCarlo计算方法第29页，共48页，2023年，2月20日，星期四光学模型简化虚假物面上的点并不是光源，由该点向光学镜头入瞳所发射的光线，是该点之前和该点之后的弥散介质空间中在孔径角U内所有通过这点的光线总和DULSOdθ物面靶面孔径角U计算公式从虚假物面上出发的辐射对镜头所成的角度，即孔径角U的值在0.16°~0.36°之间，即使炉膛深度S达10m，对光束影响的范围D在0.06m以内。故可以把这些的辐射束简化为一条通过光学系统中心O点的射线

第30页，共48页，2023年，2月20日，星期四镜头CCD靶面P1→

PN

PN+1→P2N

P3N+1→P4N

P2N+1→P3N

物面截面温度场计算中射线与CCD像素间的对应关系

第31页，共48页，2023年，2月20日，星期四辐射传递方程的简化对于在炉内大部分区域，文献[3]中认为对散射的忽略会产生不超过7％的计算误差，因此辐射传递方程可简化为：[3]J.D.Felsk,C.L.Tien,etal.CalculationoftheEmissivityofLuminousFlames,CombustionScienceandTechnology.1973.7:25～31第32页，共48页，2023年，2月20日，星期四验证不对称因子

第33页，共48页，2023年，2月20日，星期四重建方程沿射线的辐射强度累计值将辐射传递方程在网格内积分第34页，共48页，2023年，2月20日，星期四简化表示为：i为网格序数(i=1,2,…,m)，m为沿第j条射线的网格数，j为分立射线的序数第35页，共48页，2023年，2月20日，星期四试验台搭建36第36页，共48页，2023年，2月20日，星期四彩色CCD标定标定系统第37页，共48页，2023年，2月20日，星期四彩色CCD标定彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比第38页，共48页，2023年，2月20日，星期四彩色CCD标定彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比第39页，共48页，2023年，2月20日，星期四彩色CCD摄像机和红外热像仪图片对比彩色CCD标定第40页，共48页，2023年，2月20日，星期四CCD标定结果G&RB&RB&G第41页，共48页，2023年，2月20日，星期四实验系统第42页，共48页，2023年，2月20日，星期四现场应用的简化模型a)忽略散射b)热力学平衡c)忽略背