技术领域
[0001] 本
发明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。
背景技术
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
发明内容
[0006] 本发明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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012]
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-4于1×10 或者迭代次数大于100时，迭代停止。
[0013] 本发明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。本发明算法简单，可对多个未知参数场同时 快速重建。
[0014] 下面结合
说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
[0015] 图1为测量系统图。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 图6为本发明方法流程示意图。
[0021] 图7为Iλ1，Iλ2，Iλ3和L矩阵分离方法示意图。
具体实施方式
[0022] 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。
[0023] 发射-吸收参与介质的辐射传输方程为
[0024]
[0025] 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。
[0026] 基于公式(1)，沿着探测线j的火焰辐射强度表达式为
[0027]
[0028] 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。
[0029] 黑体光谱辐射强度Ib,λ可根据维恩定律计算
[0030]
[0031] 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。
[0032] 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
[0033]
[0034] 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。
[0035] 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，
[0036]
[0037] 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
[0038]
[0039] 其中，Hλ为辐射源，等于κλ(i)乘以Ib,λ(i)。
[0040] 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)
[0041]
[0042]
[0043]
[0044]
[0045] fv,s(i)＝Rts(i)fv,soot(i) (9)
[0046] 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 取样法(TSPD)获取。
[0047] 特定的对于含有两种金属氧化纳米颗粒物的火焰，具体的计算公式为[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] fv,s1(i)＝Rts1(i)fv,soot(i) (12)
[0053] fv,s2(i)＝Rts2(i)fv,soot(i) (13)
[0054] 下标s1和s2分别代表第一种和第二种金属氧化纳米颗粒物。
[0055] 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 粒物浓度场的测量具体过程总结如下：
[0056] 步骤1，计算每条探测线与火焰横截面等距环的交叉长度。
[0057] 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。
[0058] 步骤3，忽略自吸收，即将测得的衰减辐射强度视为未衰减辐射强度，使用 LSQR算法基于公式(6)-(9)获取温度分布和颗粒物浓度分布的初始值。
[0059] 步骤4，基于公式(2)，(3)，(4)，(6)联合得到的温度浓度分布场计算衰 减的以及未衰减的辐射强度。
[0060] 步骤5，基于公式(5)获取未衰减的辐射强度。
[0061] 步骤6，在已知未衰减的辐射强度条件下，使用LSQR算法基于公式(6)- (9)计算温度分布、颗粒物浓度分布。
[0062] 新的迭代计算从步骤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。
[0063] 图2为数值模拟中假设的温度场、soot浓度场以及多种金属氧化纳米颗粒物 浓度场。金属氧化物以氧化铝Al2O3、三氧化二铁Fe2O3以及四氧化三铁Fe3O4为特例，验证此重建方法的有效性。
[0064] 图3为温度场、soot以及Al2O3、Fe2O3等两种金属氧化纳米颗粒物浓度场的 重建结果。考虑到实际应用，数值计算中辐射强度插入了不同信噪比的测量误差 (65dB、46dB)。由图可观察到无噪音以及信噪比为65dB时的重建分布与输入 分布偏差较小。当信噪比为46dB时，较明显的偏差也仅出现在靠近火焰中心处， 其中温度场平均和最大的相对重建误差为2.44×10-4％和2.54×10-5％；soot浓度 场平均和最大的相对重建误差为0.339％和
2.31％；Al2O3以及Fe2O3浓度场平均 和最大的相对重建误差均为1.41％和10.5％。46dB为较高的噪音级别，常见的 CCD相机信噪比低于此噪音级别，因此实际中可得到准确度更高的测量结果。
[0065] 图4为温度场、soot以及Al2O3、Fe2O3浓度场在TSPD浓度比的测量存在不 同级别误差条件下(65dB、46dB、39dB)的重建结果。当信噪比为39dB，温度 场的平均和最大的相对重建误差为0.00497％和0.0142％；soot浓度场平均和最大 的相对重建误差为0.0579％和0.187％；Al2O3浓度场平均和最大的相对重建误差 均为0.793％和2.32％；Fe2O3浓度场平均和最大的相对重建误差均为0.814％和 2.33％。浓度比测量噪音对温度场及多颗粒浓度场的重建结果均影响不大，在一 定程度上降低了测量过程中对TSPD技术获取的颗粒浓度比的精确度要求。
[0066] 图5为温度场，soot以及Al2O3、Fe2O3、Fe3O4等三种金属氧化纳米颗粒物 浓度场在TSPD浓度比的测量以及辐射强度的测量同时存在噪音条件下的重建 结果，其中TSPD浓度比测量的信噪比为39dB，辐射强度测量的信噪比为46dB。 由图可以看出，即使在浓度比以及辐射强度测量同时存在较高级别的信噪比时， 仍可以得到具有较高
精度的温度场以及多颗粒的浓度分布。其中，温度场的平均 和最大的相对重建误差为0.315％和1.79％；soot浓度场平均和最大的相对重建误 差为1.90％和14.3％；Al2O3浓度场平均和最大的相对重建误差均为2.03％和 14.0％；Fe2O3浓度场平均和最大的相对重建误差均为2.32％和13.9％；Fe2O3浓 度场平均和最大的相对重建误差均为2.29％和14.6％。
[0067] 附图中的英文示意
[0068] Flame radius火焰半径
[0069] Volume fraction浓度值
[0070] Temperature温度值
[0071] Input假设值
[0072] Relative error相对重建误差
[0073] Maximum relative error最大的相对重建误差
[0074] Average relative error平均的相对重建误差。
