炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建Word下载.docx
- 文档编号:14182820
- 上传时间:2022-10-19
- 格式:DOCX
- 页数:18
- 大小:389.84KB
炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建Word下载.docx
《炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建Word下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《炉膛中二维温度场与辐射参数的同时重建Word下载.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
A
SimultaneousReconstructionof22DTemperatureFieldand
RadiationParameterstoMediuminaFurnace
LOUChun, ZHOUHuai2chun
(StateKeyLaboratoryofCoalCombustion,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)Abstract:
Moreandmoreattentionisbeingpaidtoinverseradiationproblems.Workonsimultaneousreconstructionof22Dtemperaturefieldsandradiationparametersinafurnacehasbeengoingon.CCDcameraswereusedtoreceiveboundaryradiationintensityandradiationtemperatureimages.Theregularizationmethodwasthenusedtoreconstructthetemperaturefieldofthemediumfromtheformerandtheradiationparametersupdatedwiththehelpofthelatter.Thesetwostepsaretakenalternatelyuntilconvergence.Thesimulatingresultsindicatethatevenifdatameasurementerrorswithnormaldistributionandstandarddeviationsof0.02and0.05aretakenintoconsideration,thetemperaturefieldandtheradiationparametersofthemediumcanstillbesatisfactorilyreconstructed.Figs4,tables4andrefs13.
Keywords:
powerandmechanicalengineering;
boilerfurnace;
temperaturefield;
absorptioncoefficient;
scatteringcoefficient;
simultaneousreconstruction
辐射传递在炉膛等高温燃烧装置中起着重要的作用,对辐射传递过程的研究可分为正问题研究和
逆问题研究。
文献[1]给出了辐射传递逆问题研究的详尽综述,主要包括三类问题:
第一类是重建系统
[2~4]
内介质温度分布(或辐射源项);
第二类是反演
收稿日期:
2005203214 修订日期:
2005204220
基金项目:
国家自然科学基金(50176056),国家教育部优秀青年教师教学科研奖励计划(1999年度)
作者简介:
娄 春(19772),男,博士研究生,主要从事电站锅炉内燃烧过程检测与分析。
介质的辐射特性参数;
第三类是辐射热负荷反问
[7]
题。
其中,介质的辐射参数(包括吸收系数和散射系数)对于决定辐射传热的整个过程具有举足轻重的作用,是燃烧过程数值模拟计算所必须的输入参数;
在实际应用中,通过检测边界辐射信息重建燃煤锅炉内的温度场也需要预先知道炉膛内介质的辐射参数。
目前,对于求解炉内燃烧介质的吸收系数和
[8]
散射系数多采用基于MIE理论的实验方法。
作者所在的课题组一直致力于炉膛内二维Π三
[2,9,10]
维温度场的重建。
对于同时重建炉膛内介质
[5,6]
©
1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.
・634・
动 力 工 程
m+n
第25卷
温度和辐射参数的工作也进行了研究,文献[11,12]
提出要引入更多的边界测量信息,并对一维系统开展了模拟研究,效果令人满意。
文献[13]针对1个充满灰性发射、吸收(不考虑散射)介质的二维炉膛,同时重建了介质温度场、壁面吸收率以及介质吸收系数。
本文以1个炉膛的横断面为研究对象,假设其壁面为灰性发射、吸收、漫反射表面,空间介质为灰性发射、吸收和各向同性散射介质。
用CCD(电荷耦合器件)在边界上接收来自炉膛内的辐射强度信息和辐射温度信息,对系统中介质温度分布、和散射系数进行了同时重建。
i=m+1
∑
σTiΔVi,j=1,…,lRd(i→j)4ka
I=AT
4
(1)
用矩阵形式表示为:
(2),
其中,A(i,j)=
σΔSi,i≤mRd(i→j)ε
σΔVi,i>
mRd(i→j)4ka
Rd(i→j)表示第i辐射能被第j,由介质
文]。
[10]
CCD靶面所接收到的
(3)
TCCD与系统温度分布的关系如下:
TCCD=A′T
1 ,如图1所示,假设壁面为灰性发射、吸收、漫反射表面,其壁面吸收
率为ε;
空间介质为灰性发射、吸收、
各向同性散射介质,其散射系数为ks,吸收系数为ka。
壁面区域被分成m个单元,空间介质区域被分成n个单元。
在图1中,m=40,n=100。
系统温度分布为Ti,i=1,…,m+n,其中前m个为壁面温度,后n个为空
其中,A′是对A做归一化,TCCD={TCCD(j),j=1,…,l},可以用基于彩色CCD三原色的比色法计
算得到。
在电站锅炉燃烧过程中,炉膛壁面温度由于水冷壁管的冷却作用,相对于炉内燃烧介质温度较低,可以将壁面温度及壁面发射率设定为常数,带入式
(1)中,将炉壁辐射从CCD所接收到的辐射份额中扣除,以对炉膛中介质的温度场进行重建。
从式
(2)和式(3)中可见:
在已知系统内的温度分布以及辐射参数后,可以计算出CCD摄像机在边界上接收到的辐射强度分布和辐射温度分布。
至此,我们给出了正问题的计算步骤:
给定二维矩形炉膛横断面中介质的温度分布T、吸收参数ka和散射系数ks(将壁面吸收率ε和壁面温度设为常数),通过
(1)至(3)可以获得辐射强度图像I以及火焰温度图像TCCD。
逆问题叙述如下:
给出4个角上CCD接收到的辐射强度图像I以及辐射温度图像TCCD(包含一定的测量误差),求解炉膛中介质温度分布T、吸收系数ka和散射系数ks。
间介质温度。
图1 二维矩形炉膛横断面内网格划分及CCD位置
Fig1 Gridsinatwo2dimensionalrectangularfurnacesection
andthepositionofCCDcamera
2 逆问题求解方法
文献[9]的研究表明:
用一种修正的正则化方法可以从CCD接收到的辐射温度图像中较好的重建出炉膛中介质温度分布。
正则化方法的基本原理是寻找一个使下式极小化的:
22
)=‖TCCD-A′R(T,αT‖+α‖DT‖(4) 这里,D为正则化矩阵,α为正则化参数,使(3)
式极小时的T为:
TT-1T
T=(A′A′+αDD)A′TCCD
(5)
如图1所示,将4个工业CCD摄像机分别放在
炉膛的4个角上,其水平视场角为90°
炉膛内介质以及壁面所辐射的能量可以全部被CCD接收到。
CCD摄像机的靶面划分为l个像素单元,根据辐射成像模型,CCD靶面上第j个像素单元所接收到的辐射强度为:
m
I(j)=
i=1
σTiΔSi+Rd(i→j)ε
为了同时重建出介质的辐射参数,除了将辐射
温度图像作为重建条件外,还要用辐射强度图像作
第5期
娄 春,等:
则
ka
(0)
(r+1)
・635・
为重建条件。
根据式
(1),辐射强度图像I是介质温度分布T,介质吸收系数ka和散射系数ks的函数,I=f(ka,ks,T),因此,可以用最小二乘法从I中迭
=ka
(r)
+Δka,ks
(r)(r+1)
=ks
+Δks
(r)(0)
(9)
迭代步骤如下:
给定辐射参数初始值ka和
ks
代出介质辐射参数。
设第r次计算后得到的辐射强
(r)(r)
度分布为I,介质吸收系数为ka,散射系数为
ks。
我们需要从辐射强度图像I中获得对吸收系
)。
第一步,通过式,开始迭代计算(r=0,1,2,…
(3)至式(5)计算初始温度分布T;
然后通过式(6)
至式(9)计算出辐射参数更新值ka和ks
再
Δks。
更新数ka、散射系数ks的更新值Δka、Δks:
的依据是求解下式的Δka,
I≈I
(r)(r)(r)(r)
回到第一步,。
后面将看到,,,因此迭代次数达。
吸收系数和散射系,并用取均值后的辐射参数重建介质温度场。
+
kaks
ΔkaΔks
((r)(r)
(6)
在最小二乘意义下,有
(r)(rΔka
=(r)
Δks
kaks
这里,I
T
-1
3 重建结果及分析
(7)
(I-I
)
=f(ka,ks
T)。
为了计算
如图1所示,矩形炉膛横断面的尺寸为10m×
10m,灰色壁面的发射率为0.8,灰性介质的吸收系
-1-1
数为0.3m,散射系数为0.1m。
壁面温度为700K,介质温度分布如表1所示。
(r)(r)(r)(r)和,分别给ka和ks一个增量δka和δks,ks
计算I(ka)=f(ka+δka,ks,T),I(ks)=f(ka,
(r)(r)(r)(r)(r)(r)(r)
+δks,T),有
(r)(r)(r)δ≈(I(ka)-I)Πka,
(r)(r)(r)δ≈(I(ks)-I)Πks
(8)
每个CCD摄像机的靶面划分为90个像素单元,共有360个像素单元。
4个CCD从左下角顺时针方向依次为CCD1,CCD2,CCD3,CCD4。
根据正问题计算结果,由式
(2)和式(3)可以得到4个CCD所接收到的边界辐射强度图像和辐射温度图像(图2,图3)。
表1 介质温度分布设定值(K)
Table1 Setvaluesforthetemperaturedistributionofmedium
700.00700.00700.00700.00700.00700.00700.00700.00700.00700.00
700.00755.40812.62847.78857.24844.82817.64783.7
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 炉膛 二维 温度场 辐射 参数 同时 重建