亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        計算機技術在軸對稱火焰溫度場重建中的應用

        2015-10-31 03:49:46馬倩楊克亮由方嵐
        質(zhì)量安全與檢驗檢測 2015年5期
        關鍵詞:吸收光譜譜線軸對稱

        馬倩 楊克亮 由方嵐

        (天津市質(zhì)量技術監(jiān)督信息研究所 天津 300041)

        計算機技術在軸對稱火焰溫度場重建中的應用

        馬倩 楊克亮 由方嵐*

        (天津市質(zhì)量技術監(jiān)督信息研究所 天津 300041)

        針對具有軸對稱特性的火焰,將計算機層析成像技術與激光吸收光譜技術相結合,提出了基于單角度投影方法,并應用于軸對稱溫度分布的二維圖像重建。通過數(shù)值仿真,利用代數(shù)重建算法通過迭代對具有環(huán)形溫度分布的火焰溫度場進行重建,以初步驗證該方法的可行性。本研究結果可以用于燃燒診斷中二維軸對稱溫度檢測。

        計算機層析成像;激光吸收光譜;軸對稱;溫度分布

        1 前言

        在工業(yè)領域,對火焰中溫度場重建具有重要意義。通過溫度場重建,可以及時獲取反饋信息,進而用以燃燒調(diào)整,提高燃燒效率,降低污染排放。傳統(tǒng)的溫度測量方法主要利用熱電偶等測量設備進行接觸式測量,雖然其成本低廉,但是時間響應慢,只能針對單點進行測量,且會對被測溫度場產(chǎn)生擾動而造成測量誤差,還易受到高溫或腐蝕性氣體介質(zhì)的影響而損壞或減少使用壽命。激光吸收光譜技術(Laser Absorption Spectroscopy,LAS)具有非接觸、無需預處理、測量靈敏度高、多參數(shù)同時檢測等特點,被廣泛應用于燃燒診斷[1-5]和環(huán)境監(jiān)測[6,7]等領域。LAS測量中采用的激光線寬小于15MHz,遠遠小于氣體分子吸收譜線寬度,從而在對特征氣體吸收譜線進行掃描計算的同時,有效地去除了其他氣體譜線的干擾。對于單條譜線的測量,LAS具有極高的波長選擇性,因此測量過程中常見的激光光強波動、顆粒物干擾等在頻域內(nèi)表現(xiàn)為“寬波段”的影響因素可以加以消除。作為一種光學測量技術,LAS測量速度快,響應時間可以達到ms級。此外,采用LAS進行氣體檢測,對測量對象無干擾,分析測量儀器可以直接安裝在測量現(xiàn)場,測量設備本身與被測氣體完全隔離,具有非常好的環(huán)境適應性,并且其快速的響應速度適用于在爆震等瞬態(tài)環(huán)境下和太空微重力條件下的火焰溫度的測量研究。單光路LAS測量系統(tǒng)具有操作簡單,測量準確等眾多優(yōu)勢,可調(diào)諧激光器波長掃描的窄帶特點,使得單路激光僅能探測一種特定氣體,限制了多種氣體的同時監(jiān)測。單光路LAS測量通過探測光路中氣體對激光強度的吸收信號,得到整個光路上氣體溫度和濃度的平均值,但平均溫度并不能反映溫度的實際分布狀況[8],在實際應用中,獲取溫度分布對燃燒診斷更有意義。

        計算機技術的內(nèi)容非常廣泛,可粗分為計算機系統(tǒng)技術、計算機器件技術、計算機部件技術和計算機組裝技術等幾個方面,具有明顯的綜合特征,與各個學科緊密結合,發(fā)展迅猛。計算機層析成像(Computed Tomography,CT)技術是利用計算機斷層掃描的原理,基于X射線檢測技術的基礎上發(fā)展起來的,可在無損狀態(tài)下獲得斷面的二維灰度圖像,清晰、準確、直觀地展現(xiàn)被檢物體內(nèi)部的結構特征,目前已經(jīng)廣泛應用于醫(yī)學以及工業(yè)無損檢測中。將CT技術與LAS技術相結合,便可有效利用二者在非接觸測量與層析成像方面的優(yōu)勢,實現(xiàn)對燃燒領域中的相關參數(shù)分布(溫度、氣體濃度等)的測量。近年來,國內(nèi)外學者在該方面進行了大量的研究和設計,并取得了一定研究成果[9,10]。例如,Kasyutich等學者將激光發(fā)射器和光電探測器固定到一個圍圓周旋轉的電機上,通過激光發(fā)射器和發(fā)射器的旋轉,構成了層析成像中的投影,并用于水蒸氣溫度場的重建。此外,Wang等學者通過高速旋轉平臺,構成扇形束CT投影,用于溫度場的快速重建。

        在實際燃燒應用中,很多火焰具有軸對稱溫度分布特性。例如,火箭發(fā)動機的尾焰與空氣中的氧氣產(chǎn)生二次燃燒,由于火箭發(fā)動機燃燒室噴口的軸對稱設計,其尾焰具有軸對稱溫度分布特性。在該條件下,如被測火焰以其圓心為軸旋轉,則獲取的投影值是相同的。因此,為了簡化系統(tǒng)結構,本研究將LAS技術與CT技術相結合,提出了基于單角度投影的激光吸收光譜層析成像方法,并應用于軸對稱溫度分布的二維圖像重建。

        2 原理及方法

        2.1激光吸收光譜測溫原理

        當一束頻率為v,光強為I0的光束通過長度為L的待測流場時,透射光強It與入射光強I0滿足的關系如下:

        其中P為流場的壓強,Xabs(x)為x處的氣體濃度,Si為第i條譜線的線強度,φv為線型函數(shù),S是溫度T的函數(shù)。

        目前商業(yè)化的半導體激光器,工作時輸出的波長將隨著加載在其本身上的電流信號大小而改變。通過改變輸入激光器的調(diào)制電流大小,驅動單波長激光器對氣體吸收譜線在頻域上進行掃描,通過測量衰減后的激光強度與參考激光強度進行對比,從而確定光譜吸收率信號[11],光譜吸收率定義為:

        由于線型函數(shù)φv滿足歸一化條件,即1。因此,對αv的積分可以表示為:

        2.2代數(shù)重建算法原理與實現(xiàn)方法

        迭代重建法中假設斷層截面是一個未知的數(shù)字矩陣組成,然后由測量到的投影數(shù)據(jù)建立未知矩陣元素的一個代數(shù)方程組。為了保證成像的精度和分辨率,投影矩陣都非常大,其特點是高度稀疏且為病態(tài)。因此對代數(shù)重建法來說,采取經(jīng)濟有效的存貯方法獲取投影矩陣及適當?shù)恼齽t化方法必不可少。迭代重建法的優(yōu)點在于,對于不完全投影數(shù)據(jù),或投影數(shù)據(jù)不是均勻分布在180°范圍的情形,是一種比較有效的算法。在迭代法重建的各種正則化方法中,求解過程通常都通過迭代來完成。由于投影矩陣的維數(shù)很高,導致迭代重建的速度太慢,重建時間延長。保證成像的精度和分辨率,提高重建速度,是迭代重建法必須考慮的重要因素。

        迭代重建算法需要利用計算機進行迭代運算,在離散計算域中使迭代參數(shù)逼近真實值。在本研究中,算法的實現(xiàn)方法如下:首先將待測區(qū)域離散化處理,利用單一視角的扇形束激光穿過被測火焰,并在光電探測器陣列上獲得測量數(shù)據(jù),得到m個投影測量數(shù)據(jù)。共有n個投影角度投影覆蓋被測參數(shù)分布場,其中一個視角的投影為實際投影,其他n-1個投影角度的投影為虛擬投影,每個投影角度的投影所覆蓋的被測區(qū)域相同,使n-1個視角的虛擬投影所得到的虛擬投影測量值與m個實際投影測量值相同,總測量數(shù)據(jù)的個數(shù)為J,J=m×n。根據(jù)系數(shù)矩陣和投影測量值構建求解參數(shù)值的方程組:將被測區(qū)域劃分為N個網(wǎng)格,的第j束投影,吸收率Av,j可以表示為:

        其中av,i為中心頻率為v的譜線在第i個網(wǎng)格中的吸收強度,Lji表示第j束投影在第i個網(wǎng)格中的路徑長度。一般的,可以用L表示Lji構成的矩陣,av為構成av,i的向量。用代數(shù)迭代方法求解(4),得到av表達式:

        其中k為迭代次數(shù),λ為松弛因子,Int代表取整算子。迭代的收斂性由相鄰兩次迭代計算得到和差的模相對于模的變化Δ來監(jiān)控,當Δ≤ 0.5%時停止迭代。最后,根據(jù)雙線波長掃描測溫方法中計算溫度分布。

        2.3譜線選取

        以碳氫化合物為燃料的燃燒中,H2O無疑是最為重要的燃燒產(chǎn)物之一。在近紅外光譜波段內(nèi),H2O具有豐富的吸收譜線,其中很多H2O吸收譜線線強度較強,具有較高的測溫靈敏度,因此非常適合溫度場的測量。吸收線的選擇是吸收光譜測量系統(tǒng)設計至關重要的一步,選擇孤立的、吸收率合適的吸收線可以簡化數(shù)據(jù)處理、提高測量精度。譜線的選擇規(guī)則主要考慮三個方面:第一高信噪比;第二避免干擾;第三高測溫靈敏度。在實際測量中,需要充分結合實驗條件、實驗環(huán)境和實踐經(jīng)驗,以實現(xiàn)低成本、高靈敏度、數(shù)據(jù)易處理以及實驗操作簡單等目標。在本研究中,選取了7444.36 cm-1和7185.6 cm-1兩條吸收譜線,其吸收譜線的參數(shù)如表1所示。值得指出的是,這兩條譜線是文獻中用于高溫區(qū)測量較為常用的譜線,其各項參數(shù)經(jīng)過仔細測試和驗證,較為可靠。在實驗中,7444.36 cm-1和7185.6 cm-1的激光由分布反饋式半導體激光器(NLK1B5EAAA和NLK1E5GAAA,NEL公司)產(chǎn)生,并且由激光控制器(LDC3900,ILX Lightwave公司)對半導體激光器進行調(diào)諧控制。盡管這兩條吸收譜線周圍有較弱的吸收線干擾,但對于定量測量都不成問題,因為距其中心線較遠處可以找到很好的未吸收基線區(qū),只要基線可以很好的擬合獲得,通過多峰Voigt擬合可以很容易去除周圍弱吸收線的干擾。

        表1 H2O吸收線及其參數(shù)

        3 結果與討論

        在仿真中,為了驗證該方法的有效性,首先建立一個環(huán)形分布的火焰溫度場,火焰溫度場的直徑為5 cm,高溫區(qū)溫度約為1300 K,低溫區(qū)溫度約為900 K。該火焰場的濃度分布設定為均值,原始溫度分布如圖1(a)所示。每條譜線所產(chǎn)生的投影測量數(shù)據(jù)的個數(shù)為15,其數(shù)值如表2所示。

        圖1 環(huán)形溫度分布的溫度場(a)及其重建結果(b)

        表2 H2O吸收線及其參數(shù)

        利用所提出的方法對該環(huán)形分布的溫度場進行重建,可得到如圖1(b)所示的重建結果。可見,重建的圖像盡管存在少量的偽影,但重建的溫度分布能夠真實的反應原始溫度分布,且高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度值與模型中對應區(qū)域的溫度值較為吻合。

        為了驗證該方法的重復性,在測量數(shù)據(jù)上加幅值為原測量數(shù)據(jù)2%的隨機噪聲,進行50次重復實驗,并對結果進行統(tǒng)計分析。此處,定義重建誤差error:

        i第i個網(wǎng)格內(nèi)的真實溫度值。通過分析可知,50次重復實驗得到的error最大值為5.8%??梢?,本研究所提出的方法能夠有效的重建軸對稱溫度分布。

        4 結論

        本研究針對具有軸對稱特性的火焰,將LAS技術與CT技術相結合,提出了基于單角度投影的激光吸收光譜層析成像方法,對軸對稱分布進行二維圖像重建。在仿真中,利用代數(shù)重建算法通過迭代對具有環(huán)形溫度分布的火焰溫度場進行重建。仿真結果表明,重建的溫度分布能夠真實的反應原始溫度分布,且高溫區(qū)和低溫區(qū)的溫度值與模型中對應區(qū)域的溫度值較為吻合。本文的研究結果可以用于燃燒診斷中二維軸對稱溫度和濃度的在線監(jiān)測。

        [1]Li F,Yu X,Gu H,et al.Simultaneous measurements of multiple flow parameters for scramjet characterization using tunable diode-laser sensors[J].Appl Opt,2011,50:6697-6707.

        [2]Sappey A D,Masterson P,Huelson E,et al.Results of closed-loop coal-fired boiler operation using a TDLAS sensor and smart process control software[J].Combust Sci Technol,2011,183:1282-1295.

        [3]Rieker G B,Jeffries J B,Hanson R K.Calibration-free wavelength-modulation spectroscopy for measurements of gas temperature and concentration in harsh environments[J].Appl Opt 2009,48:5546-5560.

        [4]Farooq A,Jeffries J B.In situ combustion measurements of H2O and temperature near 2.5 um using tunable diode laser absorption[J].Meas Sci Technol,2008,19:75604.

        [5]陶波,趙新艷,胡志云,等.基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜波長調(diào)制技術在線測量燃燒場溫度[J].強激光與粒子束,2011,23(6):1497-1500.

        [6]Catoire V,Bernard F,Mebarki Y,et al.A tunable diode laser absorptionspectrometerforformaldehydeatmosphericmeasurements validated by simulation chamber instrumentation[J].Environ Sci J,2012,24:22-33.

        [7]Wang J,Maiorov M,Jeffries J B,et al.A Potential Remote Sensor of CO in Vehicle Exhausts Using 2.3 um Micron Diode Lasers[J].Meas Sci Technol,2000,11:1576-1584.

        [8]Liu X,Jeffries J B,Hanson R K.Measurement of Nonuniform TemperatureDistributionsUsingLine-of-SightAbsorption Spectroscopy[J].AIAA J 2007:45,411-419.

        [9]Wang F,Cen K,Li N,et al.Two-dimensional tomography for gas concentration and temperature distributions based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J].Meas Sci Technol,2010,21,45301-4531.

        [10]Ma L,Cai W.Tomographic imaging of temperature and chemical species based on hyperspectral absorption spectroscopy[J]. Opt Express,2009,17:8602-8613.

        [11]Sanders S T,Wang J,Jeffries J B,et al.Diode-Laser Absorption Sensor for Line-of-Sight Gas Temperature Distributions[J].Appl Opt,2001,40:4404-4415.

        The Applications of Computer Technology in Reconstruction of Axisymmetric Temperature Distribution

        Ma Qian,Yang Keliang,You Fanglan
        (Quality and Technical Supervision Information Research Institute of Tianjin,Tianjin,300041)

        In this paper,computer tomography is combined with laser absorption spectroscopy to reconstruct axisymmetric temperature distributions.By using the algebraic reconstruction technique(ART),a single view projection manner was proposed to reconstruct the two-dimensional temperature distributions. To validate the feasibility of the proposed methods,numerical simulation verification was carried out by using annular distributed temperature profile.The results show that the proposed methods can be used to monitor the two-dimensional axisymmetrical temperature distribution in combustion diagnosis.

        Computer Tomography;Laser Absorption Spectroscopy;Axisymmetric;Temperature Distribution

        O433

        E-mail:maqianjoy@126.com;*通訊作者E-mail:youfanglan@tjtsi.ac.cn

        2015-05-21

        猜你喜歡
        吸收光譜譜線軸對稱
        說說軸對稱
        基于HITRAN光譜數(shù)據(jù)庫的合并譜線測溫仿真研究
        《軸對稱》鞏固練習
        認識軸對稱
        鐵合金光譜譜線分離實驗研究
        電子測試(2018年11期)2018-06-26 05:56:00
        原子吸收光譜分析的干擾與消除應用研究
        關于軸對稱的幾個基本概念
        淺析原子吸收光譜法在土壤環(huán)境監(jiān)測中的應用
        鍶原子光鐘鐘躍遷譜線探測中的程序控制
        茶油氧化過程中紫外吸收光譜特性
        欧美成人www在线观看| 国产午夜精品美女裸身视频69| 国产一区二区三区经典| 亚洲美女自拍偷拍视频| 国产肉体xxxx裸体784大胆| 精品性高朝久久久久久久| 一区二区三区免费视频网站| 美女视频在线观看一区二区三区| 亚洲色偷偷综合亚洲avyp| 国产亚洲人成a在线v网站| 国产视频最新| 亚洲美女一区二区三区三州| 无码aⅴ精品一区二区三区| 老司机在线精品视频网站| 最新日韩av在线不卡| 亚洲韩日av中文字幕| 四虎影视久久久免费观看| 在线播放亚洲第一字幕| 欧美洲精品亚洲精品中文字幕| 精品福利一区二区三区| 伊人久久大香线蕉av色| 国产人妖视频一区二区| 青青草免费高清视频在线观看| 亚洲视频免费一区二区| 亚洲欧美国产国产综合一区| 亚洲国产A∨无码影院| 男女视频在线观看一区二区| 成人丝袜激情一区二区| 日日碰狠狠躁久久躁96avv| 亚洲va中文字幕欧美不卡| 一区二区三区四区草逼福利视频| 被黑人猛烈30分钟视频| 免费一区啪啪视频| 中文字幕精品久久一区二区三区| 摸丰满大乳奶水www免费| 丰满爆乳无码一区二区三区| 91久久精品人妻一区二区| 中文乱码字字幕在线国语| 人妻丰满熟妇av无码片| 久久久久久久国产精品电影| 九九精品国产亚洲av日韩|