含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法技术

本发明专利技术提供了一种含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法，包括：步骤1，计算每条探测线与轴对称火焰横截面等距环或非对称火焰横截面网格的交叉长度；步骤2，使用TSPD技术获取每种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度比；步骤3，忽略自吸收，将CCD相机测得的衰减辐射强度视为未衰减辐射强度获取温度分布和颗粒物浓度分布的初始值；步骤4，温度浓度分布场计算衰减的以及未衰减的辐射强度；步骤5，在未衰减的辐射强度条件下和考虑自吸收的情况下，使用LSQR算法获取温度分布和颗粒物浓度分布；迭代计算从步骤4开始到步骤6结束，当两次连续迭代的温度分布的最大变化小于1×10

Diagnostic method of temperature field and concentration field of dispersion flame with multiple particles

【技术实现步骤摘要】
含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法
本专利技术涉及一种多种颗粒弥散火焰技术，特别是一种含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法。
技术介绍
金属纳米颗粒具有较高的能量释放率，基底液体燃料添加少量的金属纳米颗粒可以增加其能量密度，提高液体燃料的导热系数及热交换系统的传热性能，降低燃料的点火温度，缩短燃料的点火延迟时间。另外，金属纳米颗粒的燃烧过程会发生“微爆炸”的局部效应，从而显著地增强局部湍流，促进燃料的完全燃烧。柴油机添加少量的金属纳米颗粒不仅可以减少柴油燃料的消耗，而且可以减少氮氧化物等气体污染物的排放。添加到液体燃料中的金属氧化纳米颗粒既可以作为氧化催化剂，提供氧用于氧化碳烟颗粒物以及一氧化碳等气体污染物，又可作为还原剂用于还原有害的氮氧化物。因此，纳米流体燃料具有较广阔的应用前景。然而，纳米流体燃料燃烧特性的基本研究在很大程度上受到燃烧诊断技术的限制。火焰温度分布和颗粒物浓度分布是燃烧火焰的重要诊断参数，建立可靠有效的测试方法对于深入了解纳米流体燃料燃烧特性具有重要的意义。常用的温度场测量技术分为接触式和非接触式两大类，接触式测量方法主要包括膨胀式测温法、热电式测温法、热色式测温法等，主要是使用各种不同类型的热电偶、热电阻等接触式物理探针或测量仪器进行测量。接触式光电测温法是通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或其他光信号引出，通过光电检测器检测其变化量从而测温的方法。这种方法使用简单，可测运动物体或其他复杂情况表面的温度分布，缺点是影响温度结构的因素比较多。总体而言，接触式测量方式具有测量稳定、操作简单以及测量成本低的优点。但当介质为高温火焰时，则存在一系列的问题，其中较为突出的问题为：(1)不可以承受较高的温度，暴露在高温火焰中的热电偶部分容易烧熔或吹断。(2)测量探针易干扰流场，还可能与气体反应产生相互作用。(3)响应时间较长，时间和空间的分辨率较低。(4)测量范围受燃烧装置尺寸以及复杂的限制，很难实现多点测量。因此，接触式测量已经难以满足现代科学发展的测量需求。非接触式测温法主要包括基于激光诊断技术的干涉法和散射光谱法，以及非激光诊断技术的声学法和辐射光谱法。近年来，基于激光的高温发光火焰温度测量技术发展较迅速，成为各燃烧实验室的研究和应用的重用测量手段之一。基于激光的温度测量方法按照测量途径不同可以分为激光干涉成像测温法和激光散射光谱法，这些方法具有较高的时空分辨率与测量准确性。但测量系统较为复杂昂贵，且对于结构复杂的燃烧系统布局复杂，因此目前激光测试技术主要应用在实验室的小型火焰基础研究，暂时较难应用于大型高温燃烧火焰的温度场检测。声速法基于声速和气体静态温度的热力学关系测量火焰温度，声学法温度测量技术具有非侵入性、适用范围广、可连续实时测量、以及维修简单等优势，已实际应用于大型电站锅炉。但声波法在同一路径上一次测量仅能获取一个检测数据，并需要一定的声波传播时间，因而其时间和空间分辨率都难以提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法，包括以下步骤：步骤1，计算每条探测线与轴对称火焰横截面等距环或非对称火焰横截面网格的交叉长度；步骤2，使用TSPD技术获取每种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度比；步骤3，忽略自吸收，将CCD相机测得的衰减辐射强度视为未衰减辐射强度获取温度分布和颗粒物浓度分布的初始值；步骤4，温度浓度分布场计算衰减的以及未衰减的辐射强度；步骤5，在未衰减的辐射强度条件下和考虑自吸收的情况下，使用LSQR算法获取温度分布和颗粒物浓度分布；迭代计算从步骤4开始到步骤6结束，当两次连续迭代的温度分布的最大变化小于1×10-4或者迭代次数大于100时，迭代停止。本专利技术提出了一种可以同时获取温度场、碳烟颗粒浓度场以及多种金属氧化纳米颗粒浓度场的测量方法。使用CCD获取火焰发射的辐射强度分布，结合最小二乘QR分解(LSQR)算法以及迭代算法，对弥散多种颗粒物的燃烧火焰进行温度场和浓度场的快速同时重建。本专利技术算法简单，可对多个未知参数场同时快速重建。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1为测量系统图。图2为纳米流体燃料燃烧火焰横截面温度、碳烟颗粒物soot、氧化铝Al2O3、三氧化二铁Fe2O3以及四氧化三铁Fe3O4浓度分布示意图。图3为无噪音以及存在辐射强度测量误差(信噪比为65dB、46dB)条件下，重建的温度场、soot、Al2O3、以及Fe2O3的浓度分布示意图。图4为存在TSPD浓度比测量误差(信噪比为65dB、46dB、39dB)条件下，重建的温度场、soot、Al2O3、以及Fe2O3的浓度分布示意图。图5为同时存在辐射强度(信噪比为46dB)及TSPD浓度比(信噪比为39dB)测量误差条件下，重建的温度场、soot、Al2O3、Fe2O3以及Fe3O4的浓度分布示意图。图6为本专利技术方法流程示意图。图7为Iλ1，Iλ2，Iλ3和L矩阵分离方法示意图。具体实施方式图1为基于视在光线法的测量系统图。火焰的横截面被均分为M个圆环，假设每个圆环中的温度和浓度是一致的。Le为相机光心与火焰中心的距离，2θ为相机的视野角。穿越火焰一半横截面的探测线数为N。发射-吸收参与介质的辐射传输方程为其中I(s,s)是火焰发射的s位置、s方向的辐射强度；Ib(s)是黑体辐射强度；κe和κa是衰减和吸收系数；此模型仅考虑符合瑞利散射范围的颗粒，散射效应可忽略，因此衰减系数等于吸收系数。基于公式(1)，沿着探测线j的火焰辐射强度表达式为其中，Iλ是CCD测得的火焰发射辐射强度，κλ是吸收系数,Ib,λ是黑体辐射强度,lj是探测线穿越单元体的长度。黑体光谱辐射强度Ib,λ可根据维恩定律计算其中，T(i)是单元体温度,c1和c2分别为普朗克第一和第二辐射常数。在独立散射的体系中，单元体的辐射吸收系数κλ(i)可表达为其中nλ和kλ是颗粒复折射率的实部和虚部，fv为颗粒浓度，下标s代表金属氧化纳米颗粒物，ss代表金属氧化纳米颗粒物的种类。CCD测得的火焰发射辐射强度为衰减过后的，通过以下公式矫正求得未衰减的辐射强度，其中是未衰减的辐射强度,是使用公式(2)计算的忽略自吸收(指数项为1)辐射强度，Iλ,calc是使用公式(2)计算的考虑自吸收的辐射强度，Iλ是CCD测量的衰减的辐射强度，表达式为其中，Hλ为辐射源，等于κλ(i)乘以Ib,λ(i)。最后，纳米流体燃料燃烧火焰的温度场、碳烟颗粒浓度场以及多种金属氧化纳米颗粒物浓度场的计算公式可表达为(7-9)fv,s(i)＝Rts(i)fv,soot(i)(9)其中Rts是第s种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度之比，使用热泳取样本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，计算每条探测线与轴对称火焰横截面等距环或非对称火焰横截面网格的交叉长度；/n步骤2，使用TSPD技术获取每种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度比；/n步骤3，忽略自吸收，将CCD相机测得的衰减辐射强度视为未衰减辐射强度获取温度分布和颗粒物浓度分布的初始值；/n步骤4，温度浓度分布场计算衰减的以及未衰减的辐射强度；/n步骤5，在未衰减的辐射强度条件下和考虑自吸收的情况下，使用LSQR算法获取温度分布和颗粒物浓度分布；/n迭代计算从步骤4开始到步骤6结束，当两次连续迭代的温度分布的最大变化小于1×10

【技术特征摘要】
1.一种含多种颗粒弥散火焰温度场及浓度场诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，计算每条探测线与轴对称火焰横截面等距环或非对称火焰横截面网格的交叉长度；
步骤2，使用TSPD技术获取每种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度比；
步骤3，忽略自吸收，将CCD相机测得的衰减辐射强度视为未衰减辐射强度获取温度分布和颗粒物浓度分布的初始值；
步骤4，温度浓度分布场计算衰减的以及未衰减的辐射强度；
步骤5，在未衰减的辐射强度条件下和考虑自吸收的情况下，使用LSQR算法获取温度分布和颗粒物浓度分布；
迭代计算从步骤4开始到步骤6结束，当两次连续迭代的温度分布的最大变化小于1×10-4或者迭代次数大于100时，迭代停止。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：
步骤3.1，将火焰横截面划分为M个环，获得下式获得未衰减辐射强度



其中，此时的为CCD相机测得的衰减辐射强度，lj是探测线穿越单元体的长度；
步骤3.2，采用下式获得纳米流体燃料燃烧火焰的温度场、碳烟颗粒浓度场以及多种金属氧化纳米颗粒物浓度场的初始值






fv,s＝Rtsfv,soot
其中T为纳米流体燃料燃烧火焰的温度场初始值，fv,soot为碳烟颗粒浓度场初始值，fv,s为多种金属氧化纳米颗粒物浓度场的初始值，s为金属氧化纳米颗粒物的索引值，Rts为使用TSPD技术获取每种金属氧化纳米颗粒物与碳烟颗粒物的浓度比，Ib,λ是黑体辐射强度，λ1是CCD相机R通道中心波长，λ2是CCD相机G通道中心波长，λ3是CCD相机B通道中心波长，

【专利技术属性】
技术研发人员：刘冬，刘冠楠，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32