纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法技术

本发明专利技术提供了一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法，包括：步骤1，将上对角矩阵L以及辐射强度向量I

Reconstruction of flame temperature field and concentration field of nanofluid fuel

【技术实现步骤摘要】
纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法
本专利技术涉及一种同时含金属氧化纳米颗粒物以及碳烟颗粒物的检测方法，特别是一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法。
技术介绍
“能源危机”和“环境污染”是当今世界面临的两大难题。在传统液体燃料中添加PPM级别的纳米颗粒，不仅可以提高基底燃料的能量传递性能，改善燃烧效率，且纳米颗粒作为催化剂，可以减少碳烟颗粒物、氮氧化物等气体污染物的排放。因此，纳米流体燃料有望替代传统液体燃料，从而实现节能减排。近些年大多数研究者对纳米流体的研究集中在强化传热方面，对纳米流体燃烧方面的研究相对较少。然而，有限的纳米流体燃料燃烧方面的研究多集中在单液滴上，脱离了实际应用燃烧状态，有必要系统地开展连续流动的纳米流体燃料燃烧的基础研究工作，全面了解和掌握基底燃料和纳米颗粒混合燃烧的相互作用，从而有助于更好地实际应用纳米流体燃料。碳烟颗粒物以及添加的纳米颗粒物的温度场以及浓度场分布是纳米流体燃料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。火焰温度场、浓度场常见的测量方法为接触和非接触式。热电偶和热电阻温度计是接触测温中应用最广泛的方式，其优点为设备和操作简单，缺点是单点检测，对火焰流场有一定影响，且高温环境易熔断。由于CCD成像技术及计算机技术的快速发展和应用，辐射测温法不断发展，在多波长组合，测试维度，反问题算法以及光学器件方面都取得了较大的进展。本项目将基于辐射反问题求解方法建立纳米流体燃料燃烧火焰温度场、碳烟颗粒浓度场以及金属氧化纳米颗粒浓度场重建模型，并通过数值模拟验证重建模型的准确性。单一的碳烟颗粒弥散火焰的重建模型发展相对成熟，对于多颗粒弥散的火焰重建模型的发展仍处于初级阶段。现有的针对纳米流体火焰的温度场和颗粒物浓度场的重建模型需要借助接触式热泳取样诊断(TSPD)测量方式获取金属氧化纳米颗粒物和碳烟颗粒物的浓度比。引入TSPD接触式测量方式加大了测量操作的难度，且无法应用于对时间和空间分辨率要求较高的工况。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法，包括以下步骤：步骤1，将上对角矩阵L以及辐射强度向量Iλ1，Iλ2，Iλ3分离为M个矩阵；步骤2，分别在忽略自吸收和考虑自吸收的情况下使用LSQR算法求得第i环到第M环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布；步骤3，获取所有的环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布。本专利技术基于辐射反问题分析，提出了一种可以同时直接重建纳米流体燃料燃烧火焰温度场、碳烟颗粒物浓度场以及金属氧化纳米颗粒物浓度场的重建方法，此方法无需借助接触式测量方式。使用CCD相机获取火焰的可见光波段发射辐射强度，结合一维线性搜索方法，最小二乘QR分解方法以及迭代算法，对含有多种颗粒的纳米流体燃料燃烧火焰的温度场和多种颗粒浓度场进行快速同时重建。本专利技术采用非接触测量方式，可快速得到温度场和浓度场，算法对计算机的要求相对较低。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为基于视在光线法的纳米流体火焰横截面的碳烟颗粒物和金属氧化颗粒物的温度场及浓度场的重建体系示意图。图2为Iλ1，Iλ2，Iλ3和L矩阵分离方法示意图。图3为本专利技术方法流程示意图。图4为准确的纳米流体燃料燃烧火焰横截面温度场、碳烟颗粒物浓度场以及金属氧化纳米颗粒物浓度场分布示意图。图5为温度场、碳烟颗粒物浓度场以及金属氧化纳米颗粒物浓度场的重建结果示意图。图6为不同的Al2O3浓度分布下，重建的温度场、碳烟颗粒物浓度场以及Al2O3浓度场分布结果以及相应的相对重建误差示意图。图7为不同的火焰光学厚度下，重建的温度场、碳烟颗粒物浓度场以及Al2O3浓度场分布结果以及相应的相对重建误差示意图。具体实施方式图1为单台CCD相机基于视在光线法对纳米流体火焰对称横截面的温度场、碳烟颗粒浓度场以及金属氧化纳米颗粒物浓度场重建的系统图。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参数是一致的。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。结合图3，采用图1设备的一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法，包括以下步骤：步骤S101，输入CCD相机测量的R、G、B通道的辐射强度值；步骤S102，分离对焦位置矩阵L和辐射强度向量Iλ1，Iλ2，Iλ3；步骤S103，通过迭代法将测得的衰减的光谱辐射强度矩阵转化得到未衰减的光谱辐射强度矩阵；步骤S104，获取辐射源；步骤S105，分别在忽略自吸收和考虑自吸收的情况下使用LSQR算法求得第i环到第M环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布；步骤S106，纳米流体燃料燃烧火焰横截面所有环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布。步骤S101基于发射—吸收参与介质的辐射传输方程获取沿着探测线j的火焰辐射强度，其中发射—吸收参与介质的辐射传输方程为式(1)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粒径范围的颗粒，散射效应可忽略，因此衰减系数等于吸收系数；沿着探测线j的火焰辐射强度表达式为其中，Iλ是CCD测得的光谱辐射强度，κλ是吸收系数,Ib,λ是黑体光谱辐射强度,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NPs代表金属氧化纳米颗粒物。结合图2，步骤S102中将矩阵分离为M个矩阵，分离依据为：(1)第M个矩阵中的每行非零元素个数相同，(2)第i个矩阵包括第i+1个矩阵中的元素且第i个矩阵中除第i+1个矩阵的元素外的其余元素中每行非零元素个数相同。图2矩阵中0表示此位置为零，1表示为非零数。步骤S103，通过迭代法将测得的衰减的光谱辐射强度矩阵转化得到未衰减的光谱辐射强度矩阵其中，是使用公式(2)计算的忽略自吸收项的光谱辐射强度，Iλ,calc是使用公式(2)计算的考虑自吸收的光谱辐射强度；根据式(5)得到式(6)其中，Hλ为辐射源，等于κλ(i)乘以Ib,λ(i)。公式(6)是标准的线性积分方程，使用LSQR算法得到辐射源项Hλ；步骤S105中的LSQR算法计算第i环到第M环的温度分布T(i)、碳烟颗粒物浓度分布fv,soot(i)以及金属氧化纳米颗粒物浓度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，将上对角矩阵L以及辐射强度向量I

【技术特征摘要】
1.一种纳米流体燃料燃烧火焰温度场以及浓度场重建方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将上对角矩阵L以及辐射强度向量Iλ1，Iλ2，Iλ3分离为M个矩阵；
步骤2，分别在忽略自吸收和考虑自吸收的情况下使用LSQR算法求得第i环到第M环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布；
步骤3，纳米流体燃料燃烧火焰横截面所有环的温度分布、碳烟颗粒物浓度分布以及金属氧化纳米颗粒物浓度分布。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中将矩阵分离为M个矩阵，分离依据为：
第M个矩阵中的每行非零元素个数相同，
第i个矩阵包括第i+1个矩阵中的元素且第i个矩阵中除第i+1个矩阵的元素外的其余元素中每行非零元素个数相同。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：
步骤2.1，获取沿着探测线j的火焰辐射强度



其中，κλ是吸收系数,Ib,λ是黑体光谱辐射强度,lj是探测线穿越单元体的长度，l0(j)是探测线j与火焰横截面交叉的起始点，lf(j)是探测线j与火焰横截面交叉的终止点；
步骤2.2，通过迭代法将测得的衰减的光谱辐射强度矩阵转化得到未衰减的光谱辐射强度矩阵



其中，是使用公式(2)计算的忽略自吸收项的光谱辐射强度，Iλ,calc是使用公式(2)计算的考虑自吸收的光谱辐射强度；
由式(5)的式(6)



其中...

【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