基于吸收光譜技術(shù)重建高溫氣體二維溫度、濃度場的研究.pdf

1、燃燒診斷是燃燒學研究的重要手段。溫度和重要氣體組分的濃度作為燃燒過程中的重要參數(shù)，其準確診斷對研究燃燒機理、提高燃燒效率及控制污染排放具有指導性作用。而傳統(tǒng)接觸式測量方法具有易干擾流場、動態(tài)響應差且難以實現(xiàn)場測量等缺點，傳統(tǒng)非接觸式測量方法雖能實現(xiàn)非接觸測量，但系統(tǒng)復雜，易受背景噪聲干擾。因此，發(fā)展非侵入、實時在線的燃燒診斷技術(shù)具有重要意義。
　　可調(diào)諧半導體激光吸收光譜技術(shù)(Tunable diode laser absorpt

2、ion spectroscopy,TDLAS)作為一種基于激光和氣體共振吸收進行氣體參數(shù)檢測的吸收光譜技術(shù)，具有高精度、高靈敏度、多參數(shù)實時在線測量等優(yōu)勢，TDLAS視線測量的性質(zhì)使其能擴展應用于二維空間分辨，實現(xiàn)場分布重建。本文通過對可調(diào)諧半導體激光吸收光譜層析成像技術(shù)(Tunable diode laser absorption tomography, TDLAT)的機理進行研究，基于TDLAS雙線測溫的原理，以水蒸氣為燃燒溫度測量

3、的目標分子，依據(jù)譜線選擇原則編寫Matlab代碼對HITRAN2012分子光譜數(shù)據(jù)庫中通訊波段的H2O吸收線進行篩選，并將篩選結(jié)果中一對最優(yōu)譜線用于氣體二維溫度和水蒸氣濃度場的仿真重建。利用TDLAT技術(shù)對設(shè)定的不同溫度和水蒸氣濃度分布模型進行仿真重建，分別采用平行光束和扇形光束布置方式對待測區(qū)域進行掃描，分析投影角度數(shù)目、扇形束投影點位置等因素對場重建質(zhì)量的影響，獲得兩種光束布置方式下的最佳投影方式。通過分析不同噪聲水平下的仿真重建結(jié)

4、果，研究測量噪聲對兩種投影掃描方式的影響。搭建簡單燃燒試驗平臺，對基于波長調(diào)制TDLAT技術(shù)的二維燃燒溫度場重建進行實驗研究。
　　利用超光譜層析成像技術(shù)，分別以光譜積分吸收率和峰值吸收率為投影值，對不同的溫度和濃度分布模型進行了仿真重建。對于以積分吸收率為投影值的溫度場和水蒸氣濃度場重建，首先采用模擬退火算法（Simulated annealing algorithm, SA）求解較精確的溫度場，再借助代數(shù)重建算法求解關(guān)于水蒸氣

5、濃度場的線性方程組，實現(xiàn)二維燃燒溫度場和水蒸氣濃度場重建。利用SA算法對兩種不同測量值下的投影方程組進行優(yōu)化求解，通過調(diào)整目標函數(shù)中投影值誤差項、溫度和濃度分布先驗信息項之間的比例，實現(xiàn)了溫度、水蒸氣濃度場的同時重建，驗證兩種技術(shù)對含有噪聲測量值重建過程的穩(wěn)定性。添加噪聲后溫度場和水蒸氣濃度場的重建結(jié)果并無較大變化。
　　基于超光譜增加光譜信息、減少空間位置投影的思想，采用波長調(diào)制光譜技術(shù)，以數(shù)字鎖相之后一次諧波信號歸一化的二次諧