基于红外辐射图像分析的气体燃烧系统内三维温度场反演研究

Three-dimensional temperature distributions in furnaces provide the direct information of the combustion and heat transfer status in the system, which is very important for the combustion adjustment and making good use of the fuel. At present, most three-dimensional temperature reconstruction methods are based on the radiative images in visible range. However, for the gas-fired systems, the most combustion products are nearly transparent in visible range, the emissive power of the media can’t be captured by the visible radiative images and the temperature field can’t be reconstructed accurately. Since the combustion products radiate strongly in the infrared range, we propose a different three-dimensional temperature reconstruction method based on the infrared radiative images. A solution of spectral radiative intensity with high directional resolution which considers non-gray gas radiation will be developed in this project, and the real-time relationship between the three-dimensional gas temperature and the infrared radiative images will be established. The inverse radiative analysis method which can consider both the model and the measurement errors will be developed to reconstruct the three-dimensional temperature field. The work in this project will prepare the knowledge for developing three-dimensional temperature detection technologies in gas-fired systems, and is very important to achieve efficient and clean usage of the fuel.

燃烧系统中三维空间温度场分布是其内部燃烧和传热状况的最直观表现，其对指导燃烧调整提高燃料利用效率有重要作用。现有三维温度场反演方法大多基于可见光波段辐射图像信息，而对气体燃烧系统，其炉内的主要燃烧产物在可见光波段相对透明，从而无法利用可见光辐射图像捕捉介质的发射信息进行三维温度场反演。根据气体燃烧介质在红外波段有明显发射的特点，本项目拟率先开展利用红外辐射图像信息进行气体燃烧系统内的三维温度场反演研究。将发展含气体辐射的高方向分辨率光谱辐射强度计算方法，建立空间气体温度与红外辐射图像信息间的实时关系；构建同时考虑物理模型误差和图像探测器测量误差条件下的辐射逆问题分析方法，准确反演燃烧空间的三维温度场。该项目研究将为发展气体燃烧系统中三维温度场检测技术提供理论基础，对实现燃料的高效低污染利用具有重要作用。

燃烧系统中三维空间温度场分布是其内部燃烧和传热状况的最直观表现，其对指导燃烧调整提高燃料利用效率有重要作用。现有三维温度场反演方法大多基于可见光波段辐射图像信息，而对气体燃烧系统，其炉内的主要燃烧产物在可见光波段相对透明，从而无法利用可见光辐射图像捕捉介质的发射信息进行三维温度场反演。根据气体燃烧介质在红外波段有明显发射的特点，本项目开展了利用红外辐射图像信息进行气体燃烧系统内三维温度场反演研究。针对强烈非均匀和非规则结构系统，发展了一种无网格的空碰撞-逆蒙特卡洛法。相比于传统的逆蒙特卡洛法，该方法计算效率可提高1个数量级以上，并且对非规则结构具有很好的适应性。针对气体辐射的强烈光谱选择性，将气体辐射模型和辐射传递方程求解方法相结合发展了针对气体介质的辐射图像分析方法。研究了现有统计窄谱带模型计算方向辐射强度的精度，并将统计窄谱带模型和逆蒙特卡洛法相结合以处理含反射性边界和散射性介质的气体辐射系统，拓展了该方法的应用对象范围。开展了不同的辐射成像模型对比研究，指出了小孔成像模型的适用范围，为建立准确的三维火焰发射和二维辐射图像间对应关系奠定了基础。针对气体辐射的强烈光谱选择性，发展了利用特定波段内光谱积分辐射信号进行气体三维温度场重建的检测方法，降低了该温度场测量技术对探测仪器光谱分辨率和对光谱测量信号精度的要求。结果表明，当测量误差为1%时，在不存在烟黑的燃烧区域气体三维温度场重建误差小于1%。该项目研究为发展气体燃烧系统中三维温度场检测技术提供了理论基础，对实现燃料的高效低污染利用具有重要作用。