基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度测量研究.pdf

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1、基于可调谐激光吸收光谱的燃烧场温度测量研究ResearchontheTemperatureMeasurementforCombustionFieldBasedonTunableDiodeLaserAbsorptionSpectroscopy一级学科：仪器科学与技术学科专业：仪器科学与技术研究生：李金义指导教师：徐可欣教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一三年五月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和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其

2、他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学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了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日我是爱天大的！！学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论

3、文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要燃烧流场诊断中，温度是一个极其重要的物理量。燃烧流场的温度测量对于改善燃烧效率、降低污染物的排放有重要意义。传统的热电偶测温属于接触式测量，不但会对待测流场产生干扰，易被测量环境中高温高压高流速的气体毁坏，而且测温范围有限，缺乏足够的空间和时间分辨率。调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）用于燃烧流场的温度测量时不会干扰待测流场，具有高灵敏度、高的谱分辨率、快速的响应时间、大的动态测量范围、多参量同时测量

4、等优点。本文以燃烧主要产物之一的水蒸气为目标气体，开展了基于TDLAS技术的燃烧流场温度测量研究，具体的研究内容和创新性成果概况如下：（1）基于TDLAS双线测温谱线的选择原则，选取水蒸气位于1391.67nm和1468.89nm的吸收谱线作为测温谱线对，利用两个激光器时分复用的方式，建立了面向燃烧流场在线测量的TDLAS系统。基于此系统，设计了直接吸收光谱数据的自动化处理算法实现了温度和浓度的反演，并分析了测量的不确定度。利用热电偶和Hencken型平面火焰燃烧炉进行了实验验证，TDLAS的温

5、度测量结果与经辐射校正的热电偶温度测量值基本吻合，偏差在4%以内。（2）发展了一种基于TDLAS正交路径的二维燃烧场温度重建算法，通过测得2N（N≥3）条沿视线（light-of-sight,LOS）测量路径的积分吸光度，利用Tikhonov正则化方法得到两条谱线分别在N×N个像素内的温度值，然后利用自然双三次样条插值对N×N个交叉点处的温度进行平滑，从而得到高空间分辨率的2D分布。该方法与代数重建算法（ART）进行比较，重建的抗噪声能力提高12%，而准确度无损失。利用数值仿真的方法，首次研究了

6、不同LOS测量路径数呈N×N均匀排布时对单峰温度场和非对称双峰温度场的二维重建结果的影响。综合重建的精确度、抗噪声干扰的能力及系统的复杂性和成本，确定N=5是最佳方案。研究结果对实际的二维测量系统的搭建和应用有指导意义。基于3×3的测量路径排布，搭建了TDLAS二维温度测量系统。并利用平焰炉进行了验证实验，对不同流量比下的温度测量结果与误差进行了分析，结果表明，测量过程中的积分吸光度的不确定度是引起温度测量误差较大的主要原因。（3）建立并验证了快速温度宽谱调谐多谱线测温体系。首先建立了半导体激光

7、器温度调谐动态过程中的发射波长与其内部集成的热敏电阻温度的数学模型，通过测量热敏电阻的温度准确获得激光器芯片的结温度，解决了快速宽谱扫描过程中动态波长的获取问题，将其应用于快速宽谱调谐技术中实现70多条H2O吸收谱线的在线获取，为非均匀温度场的准确高空间分辨奠定了基础；完善了谱线选择原则筛选了目标谱线，筛选了其中的35条谱线并仿真验证了谱线选择的合理性；提出了路径分区的温度测量方法，该方法通过将线强与温度的复杂超越函数关系在测温范围内进行多项式简化，并加入边界约束条件，得到了每个路径分区内的温度

8、值；改进了流场温度分区算法，将带非负限制的Tikhonov正则化方法用于流场温度分区的概率密度函数计算，解决了非负最小二乘算法在温度分区较密时求解不稳定甚至无效的问题。以酒精灯火焰为测量对象，构造近似稳定的非均匀温度场，分别利用快速温度调谐多谱线测温法对其进行温度分布型拟合、流场温度分区以及路径分区的计算，得到的结果与热电偶测量结果和全息干涉法测量结果相吻合，验证了该方法对近似稳定的非均匀温度场的LOS分布进行测量的有效性。本研究可用于垃圾焚烧的温度测量、地下火的诊断和高温工业过程的温度测量等领