（工程热物理专业论文）燃气燃烧火焰燃烧过程光学测量方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 燃烧是重要的物理现象，跟踪科学的最新发展，应用和开发先进的测量方法 对燃烧过程的机理进行深入研究是重要课题。本文综合运用光学、数学、图像处 理等多种工具，对燃气燃烧过程的燃烧机理及其测量方法进行研究，获得了多方 面的研究成果。 本文依据消光法建立了正向光束在颗粒介质中的散射方程，再采用改进的遗 传算法进行全局寻优求解逆问题的方法，建立了进行燃烧介质中颗粒粒径和浓度 联合测量的多波长颗粒粒度谱光学测量方法，数值模拟和试验验证表明，该测量 方法具育很强的适应性和稳定性，而且具有对噪音信号不敏感的特点。 细微颗粒物质是燃烧过程生成的主要介质之一，与燃烧过程和污染物排放有 重要联系。本文建立了燃气扩散燃烧火焰颗粒浓度的光学测量系统，对燃烧过程 产生的烟黑颗粒的形态和浓度等特性进行了实验研究。获得了燃气流速、火焰高 度、燃烧温度和发光度与烟黑颗粒浓度分布的天系。本文运用透射电予显微镜分 析了火焰不同高度的烟黑颗粒的几何形态特性，对深入了解燃烧过程细微颗粒物 的形成和排放控制机理具有重要的参考价值。 本文建立了基丁二图像法的高速c c d 测量系统，对燃气燃烧过程的图像特征 进行了分析研究，获得了燃气流速和燃烧器管径对火焰闪烁频率的影响规律，同 时，本文应用p i v 测速方法对用高速c c d 获取的燃气燃烧火焰图像序列进行图 像互相关分析，得到火焰表面扩张速度场的分布情况，并对火焰卷吸空气时产生 的涡的速度分布情况进行了深入分析，加深了对燃7 i 燃烧过程火焰扩张机理的理 解。 本文在综述断面辐射投影重建计算原理的基础上，对采用计算机层析成像方 法进行测量火焰燃烧过程辐射场的方法进行了理论研究，确定了由火焰图像辐射 信号重建燃烧过程辐射场的重建算法；初步的试验表明这种测量方法基本可行， 由于辐射强度表示了该处固体烟黑颗粒的浓度，从而。叮以了解火焰不同断面处火 焰的未燃烬颗粒的浓度分布情况，具有较好的发展前景。 关键词：消光法：c t 技术：浓度测量；燃烧；图像处理 浙江大学硕士学位论文 a b s t t a c t t h ec o m b u s t i o no f t h ef o s s i lf u e lp r o v i d e so u rm a j o r i t ye n e r g yr e q u i r e m e n tt i l l n o w s og o o du n d e r s t a n d i n go f t h ec o m b u s t i o nm e c h a n i s mi sv e r yi m p o r t a n tt o i n c r e a s et h ef u e lu t i l i t ye f f i c i e n c ya n dd e c r e a s ea t m o s p h e r ep o l l u t i o n i nt h e r ep a p e r s o m en o n - i n t r u d eo p t i c a lb a s e dt e e h sf o rp r e m i x e dg a sc o m b u s t i o np r o c e s sc h a r a c t e r m e a s u r e m e mw e r ed i s c u s s e di n c l u d i n gl i g h te x t i n c t i o nm e a s u r e m e n t , i m a g e t o m o g r a p h y , a n de t c i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea i rf u e lr a t i ow i t ht h e u n b u r n e df u e li n d e xv a l u e ，t h es o o tp a r t i c l e sc o n c e n t r a t i o na n ds i z ed i s t r i b u t i o nh a v e b e e ns t u d i e da n dr e c o n s t r u c t e db a s e do nm u l t i w a v e l e n g t he x t i n c t i o nm e a s u r e m e n t r e s u l t sb yt h ei m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h mi nt h ef i r s tp a r to f t h i sp a p e r a n dt h e p a r t i c l es p a t i a l l ys e c t i o nc o n c e n t r a t i o ni nt h ef l a m ew a ss t u d i e db yi m a g ef i l t e r e d b a c k p r o j e c t i o nt o m o g r a p h ym e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h e s em e t h o d sh a v eb e e n n o n i n t r u d e ，r o b u s t ，i n s e n s i t i v ea n du s e f u lf o rf l a m em e a s u r e m e n t i nt h es e c o n dp a r t ，t h em o r p h o l o g yo f p r i m a la n do u t p u ts o o tp a r t i c l e sw a ss t u d yb y t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e t h e s em i c r o s c o p ei m a g e sf i g u r e do u tt h e a g g r e g a t i n gp r o c e s st h eu n b u r n e dp a r t i c l e s i nt h et h i r dp a r t ，h i g hs p e e dc c dc a m e r aw a su s e dt og e th i g ht i m e - r e s o l u t i o n ( u p t o5 0 0 l o s ) g a sc o m b u s t i o ni m a g e s f r o mt h e s ei m a g e s ，f l a m ef l i c kf r e q u e n c yu n d e r d i f f e r e n ta i r - f u e lr a t i ow a sc a l c u l a t e d ，a n dt h er e s u l t ss h o w e dt h ef r e q u e n c yv a l u ew a s a l m o s tl i n e a rt ot h es q u a r e r o o to f t h en o z n es i z e a tt h ee n do f t h i sp a p e r , i m a g ec o r r e l a t ea l g o f i t h mw a su s e dt os t u d yt h ef l a m e d i f f u s ee f f e c t t h eh o r i z o n t a la n dv e r t i c a ld i f f u s i o nv e l o c i t yw a sc a l c u l a t e da n dt h e r e s u l t ss h o w e dv e r t i c a ld i f f u s i o nd o m i n a t i n g t h i sp a p e ra l s op r e s e n t st h em e t h o do f i n t e g r a t i n gf l a m ei m a g es i g n a la n d c o m p u t e dt o m o g r a p h y , ak i n do f p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o nd i a g n o s i s ，b a s e do nt h e c o n s t r u c t i o no f f l a m ei m a g e s t h er e s u l t so f p r i m a r ye x p e r i m e n t sa r ep r o v e dt h a tt h e t e c h i m l o g yi sp r a c t i c a lt oa n a l y s e st h ep a r t i c l e s k e y w o r d s ：l i g h t e x t i n c t i o n m e a s u r e m e n t ，c o m p u t e dt o m o g r a p h y , p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o nd i s t r i b u t i o n ，c o m b u s t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g i i - 学号 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝婆盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名导师签名 签字日期：年月 日签字日期：年 月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 火在人类社会发展中起着无比巨大的作用。火能把黑暗照明，火帮助人们驱 散严寒。因此，远古世界各地的人们，开始用自己的想像，创造出许多取火和用 火的神话。比如，古希腊传说有一位名叫普罗米修斯的盗火英雄，从天上把火种 偷到人间，触怒了统治宇宙的宙斯大神，命令把普罗米修斯绑在悬崖上备受折磨。 但人类却从此有了火和光明。我国台湾高山族有则神鸟传火的故事，说的是 古代布农人住在阿里山的森林中，以穴为屋，以兽皮为衣，都吃生食物，后来有 一只叫“黑必士”的神鸟，将火种衔来给布农人，于是有了温暖和光明。我国传 统史书中，对人类取火用火有比较系统的叙述。在众多的神话传说中，把为人类 取火的功劳大部分集中在一个被称为“燧人氏”的圣人身上。路史有这样一 段记载：“遂明国不识四时昼夜，有火树名遂木，屈盘万顷，有乌名鹗，啄木则 灿然火出，圣人感焉，因取其枝以钻火，号燧人”。韩非子五蠹篇说：“上 古之世，人民少而禽兽众，人民不胜禽兽蛇虫民食果蔬蚌蛤，腥臊恶臭，而 伤害腹胃，民多疾病。有圣人作，钻燧取火，以化腥臊，而民悦之，使王天下， 号之日燧人氏”。上述这些生动的神话传说，说明了火对人类的生活是何等地重 要! 人类对火的使用和掌握，无疑是社会发展史上的一次伟大革命。恩格斯曾这 样形容人类使用火的作用：“就世界的解放作用而言，摩擦生火还是超过了蒸汽 机。因为摩擦生火第一次使得人支配了一种自然力，从而最后与动物界分开”。 历史学家认为，人类对火的利用，是文明史上一件大事”1 ：“人类对火的控制， 是人类制作第一把石刀之后，在人类历史上发生的第一件大事。这一伟大创造， 在人类发展史和人类文化史上，有着极其重大的意义”。 根据考古发现，在距今约7 0 多万年前的周口店北京人、1 7 0 多万年前的元 谋人、1 8 0 万年前的山西芮城人、8 0 万年前的陕西蓝阳人遗址，都发现了古人类 用火痕迹。这说明我国是世界迄今为止发现人类用火最早的国度，这是我们值得 自豪的项科学成就。 在远古时代，火带给人类很多益处。在食用方面，由于有了火，人类可以吃 到熟食，从而防止疾病和扩大食物的来源。我国儒家经典礼记中的礼运篇 说：“昔者，未有火化，食草木之实，鸟兽之肉，饮其血，茹其毛后圣人作， 然后修火之利，以炮以燔以亨以炙，以为醴酪”。有了火，人类在熟食的基 础上，才有可能发明许多烹调方法、烹调器具，使人类有了许多美味可口的食物； 由于有了火，人们可以用烘烤阴冷寒湿的岩洞，使栖身地有了温暖；有了火，才 能烧制陶器，进一步再熔炼铜、铁等金属器皿。火，又增强了人们自卫和自存能 浙江大学硕士学位论文 力，人们用火把驱赶野兽，围攻野兽，烧荒种地，燃草作肥，发展狩猎、畜牧和 农业，使人类不断向文明时代发展。从这一意义说，用火可以说是人类文明的起 点。我国的先民最早利用火，是对人类文明发展的一个重要贡献。 火对人类的重要性吸引着众多科学家着手燃烧现象本质的研究，对火或燃烧 现象本质的探求是近代的科学技术发展史上的一个重要环节，许多研究进展具有 深远的影响，占有划时代的地位。 1 6 7 3 年，波义耳( b e y l e ，r 1 6 2 7 一1 6 9 1 ) 提出了火素( c a l o r i c ) 的存在。他 亲自做了这方面的实验，记载道：“把金属铜、铁、铅、锡等分别放在骨灰杯或 坩埚内，加盖密封起来，放在火炉中以大火煅烧2 个小时后，打开杯盖，这时会 发出响亮的一声，外面的空气冲进杯里，根据我的观察，在这一过程中，金属的 重量增加了”。于是他得出结论：“当加热时，从火焰中有一种超等微小的火 微粒散发出来，穿过杯壁钻到金属里去了，因此增加了它的重量。”在波义耳 看来，火应是一种实实在在的；由具有重量的“火微粒”所构成的。 波义耳并未揭示出燃烧的本质，其失误在于他只注意到密闭容器中金属一 方的重量增加了，而忽略了与金属直接接触着的杯内空气是否发生了变化，同时 又没有抓住煅烧后，当开盖时有空气冲入杯中这一现象，所以没能得出正确结论。 1 7 0 3 年，德国哈雷f a a l l e ) 大学的医生与化学教授旌塔尔( s t a l l l ，g e 1 6 6 0 1 7 3 4 ) 系统地阐述了“燃素”学说。施塔尔认为：火是由无数极细小而活泼的微粒构成 的实体。这种火的微粒既能同其它元素结合形成化合物，又能以游离方式存在。 大量游离的火微粒聚集在一起，就形成了可以看得见的明亮发热的火焰，如果它 只弥散在大气之中，便只会给人以热的感觉，由这种火微粒构成的火元素就是“燃 素”。燃素说把一切与燃烧有关的化学变化都归结为物体吸收与释放燃素的过程， 如煅烧金属时，燃素从金属中跑掉了，变成锻灰。灰或矿石与木炭一起燃烧时又 从木炭中吸取燃素，所以金属又重生了。 尽管“燃素说”在某些场合下有些牵强附会，但是它摆脱并抛弃了炼金术士 的神秘理论。在“燃素说”流行的i 0 0 多年中，化学家们积累了许多实验材料， 这些材料对近代化学的发展和科学燃烧理论的建立是很有价值的。因此，恩格斯 指出：化学是“借燃素说从炼金术中解放出来。” 科学燃烧理论的创立，是著名法国化学家拉瓦锡( l a v o i s i e r ，a l 1 7 4 3 1 7 9 4 ) 完成的。1 7 7 2 年，他做了白磷、铅丹在空气中燃烧的实验，在他所著的物理 化学简报中描述道：“在钟罩里的水银面上燃烧白磷，燃烧后水银面上升，表 明部分空气被吸收，剩下的空气不能使磷燃烧，并使燃烧熄灭。” 1 7 7 4 年，拉瓦锡又做了在密闭的曲颈甄中焙烧金属锡和铅的实验。他的实 验内容几乎与波义耳做过的完全一样，但他除了考察金属在加热前后的重量变化 外，还称量了密封了金属的曲颈甑在加热前后的重量，而且发现重量没有变化。 浙江大学硕士学位论文 这就否定了波义耳关于火微粒穿过瓶壁进入金属的臆断。最后，他又打开瓶口， 发现有一股空气冲入瓶中，重量有所增加，而增加的重量，恰好与金属由于部分 变为锻灰所增加的重量相等，表明锻灰是“金属与空气的化合物”。同年1 1 月和 次年2 月，拉瓦锡做了加热汞灰的实验，取得了氧气。他宣称：与金属化合的空 气能够助燃、维持呼吸，“甚至比我们生活于其中的空气还要纯粹”。1 7 7 7 年， 他通过焙烧水银实验证明了大气的组成，从而结束了自古以来认为空气是元素物 质的见解。 1 7 7 7 年9 月，拉瓦锡向巴黎科学院提交一篇题为燃烧概论的论文，批 判了“燃素说”的错误，建立了燃烧作用的“氧化说”，其要点如下：1 燃烧时， 均有热质或光放出；2 物体只能在纯粹空气中燃烧；3 燃烧时伴有“空气的离 析”，燃烧物体重量的增加精确等于“被离析出的空气( 氧素) ”的重量；4 易燃 物质由于与使其重量增加的物质( 氧素) 相结合而变成酸，5 “纯粹空气”是热质 或光和一个基( 氧素) 的化合物。燃烧的物质在燃烧过程中吸收了这个基，因为燃 烧物质吸引这个基的力量远比热质为强，于是把原与基结合的热质释放出来，表 现为火焰、热和光。 “燃素说”被推翻了，科学的燃烧理论诞生了。这是拉瓦锡在前人研究成果 的基础上从事科研实践的结晶。他在别人完成的实验工作基础之上，用自己的定 量实验加以补充，并能通过严格的合乎逻辑的步骤给予实验结果以正确的解释。 燃烧理论的形成过程，是化学从古代到近代发展过程的一个缩影。人类五十 万年前发现了火。但在近代才解决了燃烧的本质问题。究其原因是多方面的，但 在很大程度上，在于早期科学家既缺乏目前所掌握的科学知识，同时也是由于先 进测试手段的缺乏，可以说燃烧技术的发展过程也是燃烧过程测量方法和技术的 发展过程。测量方法及其相关仪器设备的开发和应用，为燃烧过程研究提供了必 要的根据，通过对各种过程参数的准确检测，可以为我们的研究积累依据，深化 我们对燃烧过程的认识，而反过来，认识的深化也给测量提出了更高的要求，我 们必须跟踪相关学科研究的最新技术成果，不断开拓新的测量手段；作为试验研 究所必须的工具，一种新的测量技术和方法的出现，可以解决一系列相关的研究 问题，甚至可以开拓一个全新的研究领域，测量方法研究对于理论研究和生产实 践都有重要的经济意义和社会效益。 在我国，石油、煤炭等矿物燃料占我国一次能源消费结构的8 9 以上，燃 料燃烧是动力生产的主要来源，因此，进行燃烧测量技术方面研究并将其运用到 燃烧过程机理研究中去探求对燃烧过程的新的理解具有重要的意义。本文将综合 运用光学技术、计算机技术、图像处理技术和先进数学方法来研究气体火焰的燃 烧过程，研究内容由以下几个方面组成： 浙江大学硕士学位论文 1 1 多波长颗粒粒度谱光学测量方法研究：在综述以往测试方法的基础上，基于 改进遗传算法的优化重建方法，采用消光法技术，建立了多波长燃烧过程颗 粒粒度谱的光学测量方法，并进行了数值模拟和试验验证，为燃烧过程中释 放出的颗粒的粒度分布测量提供了一种新的研究方法； 2 1 燃气扩散燃烧火焰中的烟黑特性研究；燃气的扩散燃烧火焰中产生大量的烟 黑，本文建立了烟黑浓度光学测试方法和测量系统，并对燃气流速、火焰高 度、燃烧温度和发光度对烟黑颗粒浓度的影响进行了实验分析；对火焰不同 区域的烟黑进行取样，用电子显微镜进行形态分析，从而增进了燃气扩散燃 烧火焰中烟黑颗粒特性的认识； 3 1 燃气燃烧过程图像特性研究：建立了燃气燃烧过程的高速c c d 图像测量系 统，获取了燃气燃烧过程火焰的连续图像序列，在此基础上，应用数字图像 处理手段，对燃气燃烧火焰的图像特征进行分析，重点研究燃气燃烧过程的 闪烁现象和扩散现象，了解燃烧现象的脉动特性和火焰某一断面上横向和纵 向的速度分布，这对于火焰燃烧状况的分析是非常有用的； 钔层析成像技术重建燃烧火焰燃烧过程辐射场的研究：借鉴计算机层析成像技 术测量火焰燃烧过程辐射场的方法研究。在综述图像重建理论的基础上，建 立了测量火焰燃烧过程辐射场的方法，并设计了相关的试验系统，并在现有 实验技术条件下进行了初步的实验研究，研究结果表明层析成像技术用于测 量火焰燃烧过程辐射场基本可行，同时通过火焰的辐射发光规律可以分析火 焰的未燃烬颗粒的浓度情况，从而有助于分析与改善燃烧过程。 本文的几个方面的研究内容各自成章又相互关联，涉及了几种不同的燃烧 火焰测量方法但其目的都在于希望获取燃烧测量方法和燃气燃烧机理的深入认 识，是跟踪科学技术发展从不同角度研究燃烧机理的尝试。本文的研究结果对于 后续深入研究具有重要的参考价值。 参考文献 【1 】 路史发挥一注引拾遗记，转引自中国神话传说上册第9 6 页。 2 贾兰坡等人类用火的历史和火在社会发展中的作用，历史教学1 9 5 6 年第1 2 期 3 】 燃烧学，傅维标等，高等教育出版社。 浙江大学硕士学位论文 第二章多波长颗粒粒度谱光学测量方法研究 2 1 概述 细微颗粒物质( p m ) 是空气质量和燃料燃烧中所关注的重要物质。流行病学 关于细微颗粒物的研究发现，环境中的微粒子物质( 附) 水平和人类健康状况。1 有很重要的联系。因此。深入了解蹦的形成和排放控制机理是种非常重要的课 题，其研究成果不仅可以应用于燃烧器的设计，还可以用于监控微粒子释放的测 量方法的设计等方面0 4 1 。对燃烧过程排放的p m 进行测量是了解排放特性研究的 重要组成部分，与理论分析互为补充，其研究结果可以为理论分析提供验证手段， 同时测量方法的开发也受到理论分析的指导，因此，开发p m i 贝i j 量技术，对颗粒特 性进行研究是重要课题。本章在综述以往测量方法的基础上，重点研究火焰燃烧 过程的烟黑粒径分布的测量手段，为燃烧过程中释放出的颗粒的粒度分布测量提 供了一种新的研究方法。 2 2 火焰燃烧过程烟黑颗粒测量研究的综述 人们对火焰燃烧过程产生的烟黑颗粒特性的研究有较长的历史。目前，对火 焰进行无接触的激光散射和传播研究分析开展的较为广泛“1 1 。消光法因测量范 围宽、重复性好、可以实现快速、在线、实时测量，目前应用十分广泛。消光法 是基于l a m b e r t b e e r 定律和m i e 散射理论的颗粒测量方法，通过测量入射光束经 过测量区域后的光强衰减，来反演测量区域中颗粒浓度场。目前基于的消光法测 量颗粒浓度的设备和技术还没有达到工业化的水平“，关于消光法的研究十分活 跃。 粉体颗粒的特性主要由颗粒的粒径分布、平均粒径和浓度分布等参数决定。 测量颗粒粒径分布和浓度的方法主要有筛分法、光学显微镜记数法、沉降法、电 感应法、电泳法、颗粒成像测速法( p i v 技术) 、电容层析法、激光衍射散射法 和动态光散射法、超声波法、微波法、射线法、相关法、磁核共振法等“”3 。 2 2 1 传统的颗粒特性测量方法 一筛分法 筛分法用计重法测出粒度分布，是一种原理简单、应用广泛的方法。把待测 颗粒放在一定目数的筛子上，然后振动筛子，使比孔小的颗粒漏下去，测出漏下 去的部分或者未漏下去这部分的重量。用不同目数的筛子进行筛分后，就可以得 浙江大学硕士学位论文 出颗粒尺寸大小和分布特性。这种方法简便易行，适合于煤粉和灰等固体颗粒的 采样分析。结果误差较大，每级筛孔尺寸允许有3 0 波动，而且此法不能测小于 3 0 um 的细颗粒。 二光学显微镜记数法 光学显微镜计数法是利用光学显微镜成像直接进行颗粒的粒度测量由于受 到分辨率的限制，能够测定的颗粒尺寸范围般是0 5 1 5 0 um “。光学显微镜 法在粒径为1 且r n 左右时，由于颗粒对光的衍射和散射作用，无法得到清晰的颗粒 成像，只得到一个衍射环，使得测量的粒度尺寸偏大。 三沉降法 沉降法的原理是悬浮于介质中颗粒，受重力作用而逐渐沉降f 沉淀时间与粒 径大小的平方成反比) ，不同粒径的颗粒沉降的深度不同，因而在不同深度处引 起悬浮液密度的不同变化，通过测量透光性的强弱从而计算出粒径的分布。测量 的颗粒尺寸范围通常在微米级以上m 1 。它是用天平来称置一定的重量间隔的沉降 累积重量，此法精度差，对大颗粒人为误差较大，重复性差。这种方法适用于液 固两相混合物，比如医疗上测血球浓度，缺点是速度慢，当粒径小于1un - i 时， 测量误差比较大，不适合快速的现场测量。 四电感应法 电感应法，也称c l o u t e r 法，其工作原理是使悬浮在电解质中的颗粒通过一 小孔，小孔的两端各有一个电极，颗粒通过小孔时，电阻将产生变化而得到一个 电压脉冲，其振幅与颗粒的体积成正比，这些脉冲经过放大、辨别和计数，再经 过处理之后可得出悬浮液中的颗粒大小分布。这种方法可测量颗粒的大小限度可 以扩大到0 6 4 0 0 斗m ，多用于血细胞测量”“。它适合测量数量少的亚微米样品， 但速度比较慢，容易产生误差，在大规模的测量中就不适合了。 五电泳法 电泳法是利用颗粒在电场中运动。通过测量其迁移率的大小来计算粒度的分 布。电泳法虽能测出小于lum 的颗粒粒径，但只能获得平均粒径，难以获得粒 径分布参数。 六颗粒成像测速法 颗粒成像测速法是将激光引入流场照明，以照明区域决定拍摄流场区域，并 用高速相机拍摄某时刻流场的图像，再将其传入计算机，采用一定的图像处理算 浙江大学硕士学位论文 法还原成图像，从中获得二维或三维的瞬态全流场的速度分布、浓度分布、粒径 大小等流动信息。但对于浓度较高的两相流，因为激光难以穿透，成像质量比较 差，这种方法现已经在流化床、热态工业燃烧器流场测定中应用“”。 七相关法 相关法则利用相关函数根据测量介质信号在上下游传感器之间的渡越时间 来计算离散相的速度、浓度、体积流量和质量流量测粒仪，光子相关光谱仪( p c s ) 可测量尺寸在几个纳米至几个微米的颗粒，但实际运用中上限一般为1 微米。磁 核共振方法是利用了具有磁距的原子核对电磁波的吸收作用o “这几种方法由于 技术还不够完善或设备装置过于庞大复杂，还不能用于工业生产。 何振江、杨冠玲、陈卫“”等研究了微粒布朗运动规律和超细微粒光学影像特 征之后，提出了两种把光学显微技术、图象分析技术和光子相关技术结合的测量 方法：中心轨迹法和光缝法，用于测量粒径为0 1 1l am 的颗粒。 2 2 2 现代反演光学测细微粒子的方法 颗粒测量的光学方法还包括衍射、多普勒效应、光子相关谱、光透法、消光 法、光子计数器、全息照相等，可分为固定波长下散射光的角分布、固定散射角 下的多波长光散射、固定角度和固定波长下的光强自相关方法和光谱消光法。 一衍射法 衍射方法是基于夫琅禾费衍射原理，测量范围在6 1 1m 以上时准确度高，比 较适合大颗粒测量，用于测量亚微米级固体颗粒时误差比较大。济南大学的任中 京详细论述了基于衍射的激光粒度分析仪的光学原理，对单次衍射和重衍射进行 了分析“，还描述了仪器的功能模块和调试方法“。i v ag i a n i n o n i “1 等人也在文 献中提出了两种以衍射原理为基础的测量装置，分别用于测量高浓度和低浓度的 气固两相流动，并分析了平行光束入射和汇聚光束入射的差异。 二动态光散射法 动态光散射法的原理是利用超细颗粒在液体中的布朗运动，当入射光照射时 颗粒会散射出一定频移的散射光或引起散射光的涨落，对散射光进行相关运算可 得出颗粒的粒度信息。陈龙、黄民双、陶宝祺等在文献。”中详细地描述了动态光 散射的原理、实验模型、数据处理模型和直方图数据处理算法。这种测量方法适 合测量超细颗粒的尺寸分布。但是这种方式对颗粒测量时，必须使颗粒在悬浮液 中十分稀释。需要选用特定的溶剂，使颗粒很好地分散在溶剂中，否则影响测量 的准确性。对于取样的烟黑颗粒，这一点难于做到。r i c h a r dk i r b y 、p h i l i pb l a k e l e y 浙江大学硕士学位论文 和d o u gs p e n c e r 在文献“7 3 中描述了一种基于动态散射的测量仪器，用于水处理工 业中测量尺寸在4 1 21 tm 之间悬浮在水中的病原体。 三激光诱导自炽光l i i ( l a s e r - i n d u c e di n c a n d e s c e n c e ) 技术 l l l 是最近国内外流行的用于s o o t 等燃烧领域超细粒子测量的一种技术，由 于它原理简单，操作方便，因而得到了广泛的应用cl g - ” 。l i i 的基本原理是当粒 子受到激光的照射后，它的温度将会与周围火焰的温度产生差异，通过检测粒子 发射出来的辐射能变化，我们可以很容易的得到粒子的粒度，温度等信息。s t a r k e 和k o c k o “等人研究了温度1 4 0 0k s t 3 7 0 0 k 、压力1 3b a r s p s 4 5b a r 的条 件下，无氢并混有a r 的c c l 4 和c 3 0 2 在反射振荡波前碳粒的形成过程。l i i 对气 固混合物的光学密度和颗粒粒径十分敏感，可从一些用定时触发的l | l 发热激光 器对相同的冲击激励管试验得到颗粒粒度分布，并可绘出温度曲线和颗粒粒径的 关系。但是，由于l l i 系统复杂，对仪器的精密度要求非常高，投资比较大。 四消光法 消光法是基于l a m b e r t b e e r 定律和m i e 散射理论的颗粒测量方法，通过测量入 射光束经过测量区域后的光强衰减，来反演测量区域中颗粒的粒径分布和浓度 场。这种方法可通过比较长的光程( 1 0 m ) 测量粒径为0 1 - 3 t ti n 的颗粒。如果算 法进一步改进，可以把测量下限拓展到纳米级。 消光法是一种基于消光定律的非接触式颗粒浓度，粒度测量的有效方法，由 于它原理简单，易操作，易实现，因而得到了广泛的应用与研究。粒度谱重建算 法是消光法粒度谱测量的核心内容，基于消光法的粒度谱测量技术近年来受到了 广泛的应用与研究。如刘铁英0 3 等研究了三波长消光法用于测量颗粒粒度分布的 方法；唐刚。3 等研究了煤矿粉尘的双波长消光法测量方法；i v ag i a n i n o n i “1 讨论了 多波长消光法在工业测量中的应用。 从他们的研究中，我们可以看出，对粒度谱的重建普遍采用了函数限定法， 即先假设粒度分布符合某一种函数( 如高斯分布，r r 分布等) ，然后通过测量 数据回归出分布函数的具体系数值。这种方法的优点是对仪器设备要求简单，往 往只需要测量少数几个波长下的消光系数，计算过程简单，速度快。缺点是适用 范围非常小，只能测量己知粒度分布趋势的颗粒群，而且计算结果受测量数据噪 音影响大，鲁棒性比较差。 高斯分布等简化了测量方法，但实际上，颗粒的粒度分布并不总是按某种特 点分布，而且在大多数情况下，颗粒的光学系数是未知的，因此带来了测量误差， 随着测量技术的发展和对测量精度的要求的提高，基于函数限定法的粒度谱重建 技术已经不能满足现代工业现场测量的要求。因此，有必要对测量方法进行改进， 浙江大学硕士学位论文 使其不依赖于颗粒的粒度分布形式，而且抗噪音能力要强，测试结果要稳定性。 2 3 多波长颗粒粒度谱光学测量方法的建立 2 3 1 颗粒对光的吸收和散射现象 光波通过物质时，会与物质发生相互作用。从电磁理论的角度来看，物质由 离散的电荷构成，当物体被电磁波照射时，物体内部的电荷将因入射波的电场激 励而振动，加速运动的电荷会向各个方向发射电磁波，这种二次辐射波就是物体 的散射波，这种现象称为散射。它使一部分光偏离了原来的传播方向，剩下的部 分沿着原来的传播方向通过介质。同时，被激发的基本电荷可以将部分入射的电 磁能量转化为内能等其它形式的能量，这个过程称为吸收，它使光波的能量减少。 所以，当光束通过吸收性颗粒介质时，由于介质的吸收和散射作用，使光束 穿过介质后，在原来传播方向上的光束的能量发生衰减。颗粒介质对光的衰减作 用的强弱，用衰减系数来衡量。衰减系数的定义是：光在颗粒介质中传播单位距 离后，由于介质的衰减作用而使光束在原传播方向上的能量减少的比例。 陟 图2 - 1颗粒消光特性的示意图 i 往 如图2 - 1 所示，l 是光在介质中传播的距离( 光程) ，i i 为入射光强，i o 是光在介质 中传播距离l 后在入射光方向上的出射光强，k 。是介质的衰减系数，则 d i = 一k 。，l d l ( 2 1 ) 当介质是各向同性的，且满足k 。三 1 时，或者散射作用很弱时，k 。，为常数。 对上式积分，得到 i 。= le x p ( - k 。l ) ( 2 2 ) 即 浙江大学硕士学位论文 l l l 挚= 一k 。l( 2 3 ) 1 j 2 3 2m i e 散射理论概述2 1 1 9 0 8 年，g u s t a vm i e 在对弥散在水中的金属微球的光传播行为进行了大量 研究的基础上，通过求解m a x w e l l 电磁场方程，得到了球形颗粒散射问题的数学 解，即m i e 散射理论。它是球形颗粒光散射和吸收的通用理论，可适用于任意尺 寸和任意光学常数的颗粒。 m i e 散射理论指出，对于单个球形颗粒，它的辐射特性仅与颗粒的尺寸参数 口和颗粒相对于介质的复折射率有关。尺寸参数盯定义为： 口= j r d , z ( 2 - 4 ) 式中，d 为球形颗粒的直径，五为入射光的波长。 复折射率定义为 m = 疗+ 腩 ( 2 - 5 ) 式中，n 为折射率，它决定了材料内部光波传播的速度；k 为材料的吸收因子， 它决定了材料内部光波传播时能量的衰减。定义颗粒豹消光( 散射或吸收) 截面 c 0 和颗粒几何投影面积盯的比值为消光( 散射或吸收) 因子既，则散射因子 瓯，、消光因子如和吸收因子的计算公式分别为 瓯2 砉善( 2 川帆们( 2 - 6 ) 如，= 砉( 2 - i - 1 ) r e ( + 6 。) ( 2 7 ) “ d ；i 包。= 瓯一q 姘( 2 - 8 ) 式中， 口。：竺当塑型鼍! 堕二墨! 型姜竺竺! ” m 口) ) 一 ) 叫咖口) 方：当塑塑当! 型二竺墨! 竺2 羔竺堕 “ 匕( 研球) ( 口) 一m ( 口) 叱( m a ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 其中甲。是r i c a t t i b e s s e l 函数，是h a n k e l 函数，( 口) = 峨 ) 己= q 以 ) + i a y , ( a ) ，以( 口) 和艺睁) 分别是第一和第二类b e s s e l 函数。 由于颗粒散射光的强度和散射方向有关，故定义相函数来描述光强的角分 浙江大学硕士学位论文 布。相函数是报果一万同上的散射强厦与各刚副生散射的散射强厦之比。设辐射 沿x 轴方向入射，入射光强为i j ，被粒子散射的强度为a i ，其中被散射到( 曰，) 方向的光强为d i ( o ，) ，则定义相函数p ( o ，庐) 为 p ( 刚) = 鬻 对于非偏振光入射，颗粒的相函数可通过下式计算 p = 警 ( 2 - z ) 式中，s l 和s 2 是幅值函数，表达式是 s = 喜云黠眠卿m 咖制 最= 喜云拳( c 0 嘲+ b n t g n ( c 刚) 】 ( 2 - 1 4 ) 乃和靠是散射角函数，其定义为 乃( c o s 目) = ( c o s o )( 2 1 5 ) r ( c o s o ) = c o s a ( c o s t ) ) 一s i n 2 劬。( c o s a ) ( 2 1 6 ) 式中，刀。= 0 ，万= 1 ，只是n 阶第一类l e g e n d r e 多项式。 2 3 3 粒子云的辐射特性和l a m b e r t b e e r 定律 当具有一定粒径分布的颗粒弥散在空间中时，根据颗粒的散射是否受其它颗 粒影响，粒子云对光的散射可分为独立散射和相关散射两种情况；根据光线被一 个颗粒散射以后，是否还被当其它颗粒散射，可分为单次散射和复散射。当颗粒 浓度比较低，粒子云厚度比较薄时，可以忽略其它颗粒的存在对特定颗粒的散射 场的影响，每个颗粒独立地和外界入射场发生作用，粒子云对光的散射近似为独 立单次散射。当颗粒浓度比较高，颗粒间距小于颗粒直径的3 倍时，由于颗粒间 的近场交互作用和远场交互作用，使颗粒的散射和吸收特性发生改变，粒子云对 光的散射处于相关复散射状态。目前，相关复散射的理论还不成熟。 对于满足单散射条件的粒子云，其光学特性可以看作是各尺寸粒子光学特性 的线性迭加。若颗粒的尺寸分布函数为n ( d ) ，则粒子云的衰减系数可描述为 浙江大学硕士学位论文 x 喇= l 姒邺。t ( d ) d d = f ( 。) 譬如( 扣，。) 扣 把( 2 - 3 1 ) 式代入光强衰减方程l i l 争= 一置。上，得 略) _ _ 等f ( d 炒如( 细，d ) d d f 2 - 1 7 ) ( 2 1 8 ) 上式描述了光通过独立单次散射粒子云时的光强衰减，称l a m b e r t b e e r 方程。 2 3 4 多波长颗粒粒度谱光学重建方法反演算法的建立 消光法的测量原理就是，当光束通过吸收性颗粒介质时，由于介质的吸收和 散射作用，将使光束穿过介质后，在原来传播方向上的光束的能量发生衰减。根 据衰减值的大小求解颗粒浓度是反问题，其方法是依据l a m b e r t b e e r 定律和m i e 散射理论建立正向光束传播方程，再进行逆问题求解。目前的计算方法基本上是 假设粒径分布来求解介质浓度，本文推导的算法是介质浓度和粒径的联合反演， 以了解燃烧过程颗粒介质的粒度分布谱特性。 根据式( 2 。3 ) 和式( 2 1 8 ) ，可得： l n 争：一足。，三= 一孚f n ( d ) d 2 q 。( 五，m ，d ) d d ( 2 1 9 ) 式中： 如为消光因子，dn n n 粒子的粒径。 将粒径分成吖档，设直径为d 的粒子有玎，个，则上式中的积分就变为求和 运算： l n 7 。7 = - t 庇芒玎，珥线m ，m ，d j ) ( 2 2 0 ) i ,-一_,1 这是单波长辐射衰减的方程，其中有 个未知数。为了求解未知数，需要 建立m 个以上的独立方程，由于颗粒在不同波长下的辐射特性不同，我们用多 个波长的测量方法来进行测量，如果我们进行m 个波长下的测量，可以得到m 个方程，由此可以得到如下的方程组，”，( 卢1 ，2 ，3 m ) ： ( 1 n 争一等参研训乃, m j , d i ) j = 1 ，2 ，3 m ( 2 - 2 1 ) 浙江大学硕士学位论文 令c = 一等，对于一个特定的测量对象而言，c 为常数。上式的矩阵形式为： e = c - t n ( 2 2 2 ) 其中：e = c ，n 等kc n 每b 撕n 百i o ，。 7 ，为测量结果，= h ，”f 为 粒度分布矩阵，即求解对象，r ： t 中的各元素= d f 2 ( o ( 五，m j ，b ) ，这是一食独立于颗粒粒径分布的光学辐射 特性系数矩阵，如果我们已经掌握了待测颗粒的光学常数，r 中的各元素t i ，都是 可以用经典的m i e 理论计算出来的确定量，从理论上式( 2 2 2 ) 的矩阵可以求逆计 算得出，然而从计算的结果看，r 矩阵是一个严重的病态矩阵，其矩阵的行模条 件数在2 0 0 以上，远远大于l ，采用普通的矩阵求逆或者消元解法求解非常困难。 在这里，我们提出采用改进的遗传算法进行，矩阵的全局寻优解法，该方法不仅 稳定性好，而且受噪音影响小，同时收敛速度也快于其他的寻优算法。 2 3 4 1遗传算法 遗传算法是一种宏观意义下的仿生算法，它模仿的机制是一切生命与智能的 产生与进化过程。它通过模仿达尔文“优胜劣汰、适者生存”的原理，来鼓励产 生好的结构，通过模仿孟德尔遗传变异理论在迭代过程中保持已有的结构，同时 寻找更好的结构o 。 遗传算法中，将胛维决策向量x = x t x 2 。，x 七7 用”个记号k ( i = 1 ，2 ，以) 所 组成的符号串x 来表示： x = l 五j 0 毒= x 1 ，x 2 ，五 1 将每个x f 看作一个遗传基因，它的所有可能取值称为等位基因，这样，x 就 可以看作是一个出以个遗传基因所组成的一个染色体。对个体进行编码形成的排 列形式x 是个体的基因型，与它相对应的x 值是个体的表现型。采用合理的编 码一解码策略，可以保证个体的表现型和基因型是一一对应的。对于每一个个体 x ，要按照一定的规则确定出其适应度。通常，为了用遗传进化过程实现寻优的 目的，适应度函数的选择和寻优的目标函数有着紧密的联系：x 越接近于目标函 数的最优点，其适应度、越大；反之，其适应度越小。 遗传算法中，决策变量x 组成了问题的解空间。对问题最优解的搜索是通过 对染色体x 的搜索过程得以进行，从而由所有的染色体x 就组成了问题的搜索 浙江大学硕士学位论文 空i 司。 生物的进化是以集团位主体的。与此相对应，遗传算法的运算对象是由m 个 个体所组成的结合，称为群体。与生物一代代的自然进化过程相类似，遗传算法 的运算过程也是一个反复迭代过程，第t 代群体记作p ( ，) ，经过一代遗传进化 后，得到第t + l 代群体，它们也是由多个个体组成的集合，记作p ( t + 1 ) 。这个 群体经过不断的遗传和进化操作，并且每次都按照优胜劣汰的规则将适应度较高 的个体更多地遗传到下一代，这样最终在群体中