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《浙江大学》 2010年
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弥散介质温度场重建的辐射反问题研究

刘冬  
【摘要】:随着我国社会经济的持续发展,工业和生活对于电力的需求持续增长。在我国电力工业中,燃煤电站仍占有主导地位,燃煤电站锅炉的安全,经济,稳定的运行是至关重要的。燃烧火焰温度场是燃烧诊断的核心,先进有效的火焰温度场测量技术对于研究电站锅炉煤粉燃烧具有重要的科学意义和实用价值。本文结合弥散介质的辐射特性和辐射传热的计算方法,以辐射反问题研究作为基础,配以辐射反问题求解方法,建立一套利用彩色CCD摄像机,适用于弥散介质的三维温度场重建模型及燃烧诊断方法。 对于大空间弥散介质的温度场重建,其特点在于介质为吸收、发射和散射性介质,热辐射源很大,而接收器很小,因此需要建立一套介质适用性广,计算效率高的温度场重建模型,是本文研究的一个重点。从系统边界出射辐射信息反求系统内部的温度分布信息是典型的辐射反问题,反问题一般是严重病态问题,如何对大型病态重建矩阵方程进行有效快速合理的求解是研究的关键,是本文研究的另一个重点。 首先给出了反问题不适定性的定义,研究了分析病态问题的有效方法(奇异值分解和Picard图),总结分析了各种反问题不适定方程的解法,分别为Tikhonov正则化方法,截断奇异值分解(TSVD)方法和最小二乘QR分解(LSQR)方法,并给出了正则化参数的选择方法—L曲线法。在此基础上,指出本文中使用的温度场重建辐射反问题病态方程的解法为LSQR算法,并给出讨论了求解炉膛三维温度场重建反问题重建方程的实际算例。 详细给出了弥散介质辐射传递的Monte Carlo算法,并且采用文献上的算例进行了验证,计算结果与文献结果吻合的较好。在此基础上,讨论了利用Monte Carlo方法和透镜光学成像原理来计算弥散介质燃烧火焰的辐射光学成像。 作为温度场重建的基础性研究,提出了在可见光波段,基于正向Monte Carlo方法的三维温度场重建模型,给出了具体的重建方程及求解方法,讨论了各种因素对温度场重建精度的影响。 讨论分析了计算辐射传热的逆向Monte Carlo方法,在此基础上创新性地推导并提出了基于逆向Monte Carlo方法的三维温度场快速重建模型,该模型可用于吸收、发射和散射性介质,并且计算时间短,非常适合于大炉膛和小接收器的辐射传热计算,具有实时在线计算系数矩阵并进行求解的潜力。采用算例讨论了各种因素对三维温度场重建精度的影响。进行了正逆向Monte Carlo方法辐射传热计算及温度场重建的对比研究,发现逆向Monte Carlo方法的计算效率很高,可以达到实时在线建立重建方程并进行求解,两者重建误差相差并不是很大。还讨论了基于逆向Monte Carlo方法的二维均匀弥散介质温度场和辐射参数同时重建模型,以及危险废弃物焚烧回转窑二维截面温度场重建数值模拟研究。 建立了利用CCD摄像机进行气体燃烧火焰三维烟黑的温度场和浓度场同时重建的模型,该模型考虑了火焰烟黑辐射能的实际三维容积发射与三维成像,是从三维重建区域上来进行重建,与区域内的火焰形式没有直接关系,因此可适用于对称火焰和非对称火焰,并通过数值模拟对该模型进行了数值验证,最后进行了实验应用研究,烟黑浓度分布与温度分布的重建结果较为合理,与文献上的一些温度分布情况具有一致性,为了验证重建温度分布值的准确性,使用热电偶对温度分布大致进行了测量,重建温度结果与测量温度结果吻合的较好。 采用发展的基于逆向Monte Carlo方法的温度场快速重建模型对小型煤粉燃烧试验台火焰温度场进行了重建试验研究。重建温度场的高温区和低温区与文献重建结果对应较为一致,温度值大小也较为一致。重建结果温度较为细致清晰,重建出的回流区非常明显,并有偏斜,是由于火焰燃烧具有偏斜所致,把其中二维火焰图像转化为伪彩色温度图像,从伪彩色温度图像中可以清晰地看到煤粉回流区的情形,验证了本文的重建结果。 进行了大型燃煤电站锅炉炉膛截面温度场和三维温度场重建试验研究,采用了Fluent数值模拟锅炉实际运行工况,进而得到介质的浓度分布,计算得到粒子云的辐射参数分布,比一般文献上直接假设辐射参数值来的更为准确。对于截面温度场重建,重建温度场中有个明显的高温区,高温区周围的温度较低,且温度大小范围在合理范围内,符合一般炉膛内的温度分布规律。重建结果与文献中计算的结果进行了对比,温度值大小较为一致,本文重建温度分布更为详细,显示出了更为细致的高温区分布情况,而且可以看出高温区有偏置。对于三维温度场的重建,重建温度场整体上呈现出中部温度高,四周温度低的趋势,温度范围也在合理范围内,与文献上得到的温度分布趋势相一致。计算了整体重建时间(包括建立重建矩阵方程的时间、读取系数矩阵的时间和求解时间)为1分钟左右,具有较好的在线重建能力。在线重建时,对于较为稳定的工况,可以使用同一系数矩阵,只需要求解方程即可,这时的计算时间只需要2-3s左右,具有更好的在线重建更新能力。 最后,利用太赫兹时域光谱技术对0.2-1.6THz火焰碳黑的光学特性进行了初步研究,通过傅里叶变换得到了碳黑频域光谱,利用定点迭代法获得了太赫兹波段火焰碳黑的复折射率,并进行了对比。研究结果可为太赫兹波技术应用于光学燃烧诊断提供基础性数据,扩展了光学燃烧诊断应用的范围。
【学位授予单位】:浙江大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TK227

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【参考文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前2条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
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1 朱晓莉;电站锅炉炉膛温度场重建算法研究[D];中国计量学院;2012年
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4 李芝兰;基于声层析成像的温度场重建技术研究[D];沈阳工业大学;2007年
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7 陈希慧;全息CT的基本理论及应用研究[D];昆明理工大学;2005年
8 周斌;代数重建算法的改进与应用研究[D];西北大学;2008年
9 葛慧;改进的小波神经网络在声学测温系统中的应用研究[D];山东理工大学;2009年
10 续颖;声学法测温系统及声传播时间测量方法研究[D];沈阳工业大学;2009年
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