基于TDLAS的火焰温度场反演理论与实验研究

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1、基于TDLAS的火焰温度场反演理论与实验研究(申请清华大学工程硕士专业学位论文)培养单位：热能工程系工程领域：动力工程研究生：刘志斌指导教师：丁艳军教授联合指导教师：金生祥高工二○一七年五月TheoreticalandexperimentalstudyonthereconstructionofflametemperaturefieldbyTDLASThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofMas

2、terofEngineeringbyLiuZhibin（PowerEngineering）ThesisSupervisor:ProfessorDingYanjunAssociateSupervisor:SeniorEngineerJinShengxiangMay,2017摘要摘要火焰燃烧温度是得知火焰燃烧状态的重要参数，随着工厂排放物引起的环境污染加重，国家的整治力度加强，获取火焰燃烧温度以优化燃烧过程及减少污染物的排放便有着十分重要的意义。可调谐半导体激光吸收光谱法(TunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscop

3、y,TDLAS)是近年来受到众多研究人员关注的测量技术，因其具有高度选择性、反应灵敏、受干扰小、原理简单、设备便捷等优点，在众多光学测量技术中脱颖而出。但在温度测量方面，TDLAS技术仍旧存在两个突出问题，测量时的时间与空间不同步，以及TDLAS沿光程积分平均使得对非均匀温度场测量存在偏差。本文将双波长耦合法与TDLAS测量进行结合，改善现有测量方法的不足之处，并在此基础上结合空间反演算法，将TDLAS温度测量从一维扩展到二维，最后通过数值模拟与实验验证，完成了下述研究内容：1、将双波长耦合法引入TDLAS测量并结合傅里叶分析法，一定程度上解决

4、了TDLAS温度测量上时间与空间不同步的问题。通过理论推导，得出双波长耦合法测量温度的公式。选取H2O的光谱谱线，进行了数值模拟计算与室温温度测量的实验验证，测量的相对误差为1.33%。在管式炉提供的相对均匀的温度环境下同样选取了H2O的光谱谱线进行实验验证，沿光程布置热电偶阵列与TDLAS测量的温度作对比，将热电偶所测温度分布沿光程平均后，测量相对误差不超过1.6%，证明了双波长耦合法测量方法的有效性。2、在TDLAS双波长耦合法测量的基础上，引入空间反演算法，将TDLAS温度测量从一维扩展到了二维。首先通过文献调研，模拟设置了两种温度场

5、模型——轴对称温度场和非轴对称双峰温度场。接下来分别利用三种空间反演算法来模拟计算这两种温度场模型。经过模拟结果的对比以及各算法的优劣比较，得出了代数重构算法(AlgebraicReconstructionTechnique,ART)更适合在实际应用中推广这一结论。在此基础上以同流层流扩散火焰燃烧器为实验平台，在测量数据的基础上，采用ART反演计算，得到甲烷火焰不同高度截面的温度场分布。关键词：可调谐二极管激光吸收光谱技术；双波长耦合法；空间反演；代数重构算法IAbstractAbstractTheflameburningtemperature

6、isanimportantparametertolearntheflameburningstate,withtheenvironmentalpollutioncausedbyfactoryemissionsincreased,andourcountrymakeseffortstostrengthentherectification,itisveryimportanttoobtaintheflamecombustiontemperaturetooptimizethecombustionprocessandreducethedischargeofp

7、ollutants.Tunablediodelaserabsorptionspectroscopy(TDLAS)isakindofmeasurementtechnologywhichhasbeenpaidcloseattentionbymanyresearchersinrecentyearsbecauseofitshighselectivity,sensitivereaction,littleinterference,simpleprincipleandconvenientequipment,standingoutofmanyotheropti

8、calmeasurementtechnology.However,intermsoftemperaturemeasurement,TDLAStechn