燃煤锅炉炉膛断面温度场可视化实验研究.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 燃煤锅炉炉膛断面温度场可视化实验研究 姓名刘浩 申请学位级别硕士 专业热能工程 指导教师周怀春 2003.4.20 华中科技大学硕士学位论文 摘要 ／工业锅炉内的燃烧过程是发生在大型三维空间内的非常复杂的物理化学过程，而 火焰的温度场测量是燃烧领域个复杂但很重要的问题，它是燃烧理论和燃烧技术发 展的重要基础之一。炉膛内燃烧划名温度分布直接体现了燃烧过程的品质，可以帮助 运行人员进行燃烧优化调整} 口j 空制。 尸7 。，一 对于火焰的研究、温度场钡0 量、燃烧控制邪基于由火焰图像褥到的温度的控制盼 析，辅对成像技 幌都是种彳艮有效的手段。由辐就成像默区域型铭拨场的数 值模拟研究在以前的研究中已经给出，本文的工作是对以前研究的继续和补充。 ／我们由置于同一高度的4 个C C D 探头获得的火焰图像计算得至呲高度炉膛自g 端 面i 度场，对之前认为C C D 接收到的火焰辐射是在炉膛垂直方向1 8 0 度范围内的累 积 积分 的假设做出修改。编写断面温受场系数矩阵计算程序，现在可在个程序 中计算得出断面4 个C C D 镜头的U V 数组。程序可根据实际条件设定炉膛尺寸和四 个C C D 镜头的安装位置，给定气体单元吸收系数、散射系数以及壁面吸收率后，可 计算得到重建温度场所需的系数矩阵，便于实际| 立用。L 人～ 由于炉膛空间涮参数对二维温度场萤窿结果静蛹℃赶，j i 兜鼹出胂计算炉 膛空间的辐射参数的方法。使用模拟程序计算得到锅炉内各个颗粒沿程经过各个网格 的速度，由此博空间各单元的容积负荷’崩挂一步得出炉脞间删参激。根据 湖北青山热电厂3 0 0 M W 机组锅炉设定相关参数，本文给出了炉膛空间的辐射参数沿 炉膛高度盹蜊拗辆个I ；芦膛高度匕的鞫} 掺娄5 [ 分稠拘绕果。 ／在3 0 万机组的锅炉上，进行断面温度场可视化实验研究，检测锅炉不同负荷下的 火始二维温度图像。现场实验研究结果表明，燃烧器区域之上某个断面的温度场呈 现典型的单峰分布特征，所检损到的火焰温度图像与负荷的变化相一致，在燃烧器区 域之E 某个断面计算得到的温度场呈现典型的单峰分布特征；2 3 0 M W 负荷水平下 的最高温度比2 0 0 M W 负荷水平下的最高温度高约8 0 K ；断面温度场可视化结果刷新 一次的时间不超过5 秒，满足在线监测的要求。．，L 丘～ 关键词燃煤炉％辙婀咚温度场厘建} 牟昌身于参数、二绷蟪F 场分哆 华中科技大学硕士学位论文 A b s t r a e t T h ec o m b u s t i o np r o c e s s e si ni n d u s a 词f I Ⅱn 嬲a n db o i l e r sm ev e r yc o m p l e xp h y s i c a l a n dc h m a i c a lo n e so c c u l r 啦i nh 翟e - s c a l e ’t h r e e - d i m e n 菌o n a ls p a c e s ．n 把m e a s m c r n e n to f t h r e e - d i m m s i o n a o 登M e 妣幢缸甲臣越哪e o f f l a m e i s a c o m p l e x a n d i m p o r 衄a t 妣a n d i t i s e s s e n t i a l 缅曲d e v e l o p m e n to fc o m b u s i o n 岫a n dt c c t m o l o g y ．T h et e m p e r a t u r e d i s m b u t i o n so f l h em t l n ei nt h ef u l m c e s r e p r e s e n t t h ec h a m c t e r So f t h ec o m b u s t i o n p r o c e s s e s ， a n d c a n h e l p p l a n t e n g i n e e r s t o o p t i e ，a n d c o n g o l t h e c o m b u s t i o n ． R a d i 血v ei f n a g ep r o c e 咖t e c h n i q u e sh a v e b e e nu s e da se f f e c t i v et o o l sf o rf l a m es t u d y , f o rt e r n p e m a l r em 删e r a , f o r c o m b u s t i o n 删y s i s b a s e do nt c Ⅱm d 锄∞r c so b t a i n e df r o m n 纽圮m a g e s ，a n d f o rc o m b u s t i o nc 0 吐0 1 ．T h ei d e ao fm c o 删o no f3 - Dm n p e r a t t 胎 d i s t r i b u t i o n s i n f u r n a c e s t h r o n g h r a d i 蚯v e 唧, i m a g e g o c e s s i n g w a s s t u d i e d n u m e r i c a l l y ． W eu s et h en a l l l ei r I 举f r o mf o u rC C D ∞m 黜l o c a t e d a tl i a es a n a eh e i g h to ft h e f u r n a c et Or e c o n s m l c tt h eI n n ／m m Ⅱed i s t r i b u t i o no f f i l es e c t i o n , a n dr e v i s e 丑l ep r e s u p p o s i t i o n o f t h e 丑黝er a d i 血o nr e c e i v e db yC C D s i st h ei n 伦g r a t i o nf r o m1 8 0d e g r e e sn o i l l l a lt ot h e S e C l I O I LT h er e 、，i s e dp r o g r m lu s e dt oc a l c u l a t et h e ∞仪m 盘m ‰c o e i f i c k m tn 城血n o w c a n p r o v i d ef o u rC C D 删’U v m a n ／x c si n0 n eo p e 脚i o n ．T h e 卿聊c a ns e tp a r a m e t e r s , s u c ha Sf u r n a c es i z e , C C D s ’i n s t a l l e dp O S 砸O I I S ．g a sd c m e 吣’r a d i i o nf a c t o ra n dw a l l s ’ a b s o r p 西i V , a c c o r d i I 】g t o c i r c l m l s t n n c e s ．1 1 l i s i s f o r t h e c o n v e n i e n c e o f p r a c t i c a l a p p 蜘o n ． T h ce x p e r ／m e m a lr e s e a r c ho n 啊s l 】【a l i 翻缸lo f t w o - d ／m c n s i o m l 蕾自m p 芒嘲衄I 陀f i d d s 缸a 3 0 0 M Wc o a l - f i r e db o i l e rf u r n a c ew a s 弘臀僦u s i n gaf u r n a c ec o m b 戚o nn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc d e ．t h ev 砸i 砒i ∞o f p e r l i e l ev o l u m e u i cf l * a c l i o n sa b n z t h e l 】e i g , h to f f u r n a c e w a sc a l c u l a t e d , a n dc o n s c q u n 嘶, 吐l en l d 触o np m m c n x sn e e d e d 斯她r e c o 删o no f t h et w o - d i m e n s i o n a lt w n p c m t 眦d i s m “ o u t i o n s 、 恤o b a J ／I c c LT I 伦钯Ⅱm a 哥咖∞d i s l r i b u t i o no f as e c t i o na b o v et h ec o m b u s t o r s r e g i o nr e c o 删f r o mt h e 也叮玲i m a g e s ∞删f r o m h e s e c t i o ni nl i a ef O u rc o n l e I sd e m o n s U a t e dat y p i c a ls i n g l e - p e a km o d e ．_ F u r 岫u r e , a b ed e c l i n e o f 吐l e 馏珥髓锄啉d i s m ’’o n t i o n i sc o n s k s a 锄w i t hn l e0 p 唰描加面。删即。ei nt h ep l a n tT h e m a x i m u m 岬i n t h e 刚o n 咄l o a d o f 2 5 0 M W i s l l i 曲嚣1 h m 也武咄l o a d o f 2 5 0 M Wb ya b o u t8 0 I Cm 呷蛐t i m ef o r 墙嗽娩撕∞o ft h e w o - d i m c n s i o n a l m n p e m t u r ef i e l d s i s n o tl o n g e rt h a n5s e c o n d s , a n di t m 。e bt h er e q u e s to fr e a l - t i m e m o n i t o r i n g ． K e y w o r d s R a d i a t i v ei m a g ef o r m a t i o n ；R c c o n s l r u c t i o no fm r l p e m m r ed i s t r i b u t i o n s ； R a d i a t i o n p a r m a e t e 魑；E o a l - f i r e d f u r n a c e ；2 - I t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o m Ⅱ 华申科技大学硕士学位论文 ％； ；；{ ；≈ ；目 ； ； ；≈ 1 ．1 课题背景 1 绪论 在2 l 世纪，能源和环境仍然是困扰全球持续发展的两大主要问题。在我国 能源结构中，煤具有举足轻重的地位，约占我国一次能源的7 0 ％以上；虽然今 年来大力发展核电和以水电为代表的可再生能源发电，但即使这样，预计到2 0 1 0 年煤电仍将占我国发电总量的6 5 ．5 ％，基本与现在持平【1 1 。 炉内燃烧过程数值模拟在近几十年内有了长足的进步，已经成为了研究燃 烧过程的重要手段之一【2 J 】，但数值模拟只能给出在一定条件下炉内燃烧过程 的稳态参数分布而无法提供具有时间分别能力的瞬态参数分布，同时对数值模 拟的检验往往只是通过和点测量实验结果的比较来进行，对数值模拟的正确性 缺乏一个全面的验证，从而严重影响了数值模拟技术的发展。 随着节能降耗和环境保护方面要求的提高以及国民经济的发展对电力需求 的不断扩大，燃煤锅炉机组运行的安全性、经济性以及低污染问题显得特别突 出。大型工业炉膛内的燃烧过程发生在相对大的空间中，是脉动的、具有典型 三维特征的复杂物理化学过程。火焰温度分布是燃料在经过高温化学反应、流 动以及传热传质等过程后的综合体现，炉膛燃烧火焰温度直接体现了燃烧过程 的稳定性，温度场的分布与燃烧效率、气体污染物的生成以及炉膛出口未燃尽 炭损失都有重要的关系。 三维炉膛温度场可视化的实现对于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律 以及燃烧理论的发展都有非常重大的现实意义，同时也有助于燃烧设备设计方 法的改进以及设备运行的优化。建立三维炉膛温度场可视化技术将对大型工业 炉膛运行的安全、高效和低污染产生积极的影响，并对揭示燃烧现象的本质和 燃烧过程的规律以及燃烧理论的发展都有非常重大的现实意义，同时也有助于 改进燃烧设备设计方法以及优化设备运行。 炉膛温度场监测还对于锅炉安全运行和防止锅炉恶性事故有着重要意义， 而燃烧温度测试技术也是燃烧理论和技术发展的重要基础之一．电站锅炉燃烧 的基本要求在于建立和保持稳定的燃烧火焰。燃烧不稳定，不仅会降低锅炉热 效率，产生污染物和噪声，而且在极端情况下会引起锅炉炉膛灭火，如处理不 当就会诱发炉膛爆燃，造成事故【4 】。但由于大型工业炉膛的大尺寸以及运行环 境的恶劣，目前还没有建立有效的温度场可视化手段，以至于大容量电站锅炉 一皂由缢缝过猩鲍室全运堑堡堕至I 堕垫生壁丕坐垫塑竺兰堡兰苎至竺壁 华中科技大学硕士学位论文 爆炸等恶性事故，令人震惊的北仓港电厂6 0 0 M W 燃煤锅炉炉膛爆炸的恶性事 故就是最好的例证。因此，研究开发大型电站锅炉炉膛燃烧监测和诊断新技术 已经成为一项紧迫的任务胪J 。 炉膛温度场监测的目的就是为了得到实时的炉膛二维或三维温度场。炉膛 内燃烧火焰温度分布直接体现了燃烧过程的稳定性，可以帮助运行人员直观的 观察炉膛，根据实际情况进行燃烧控制；而且它延时小，以它作为控制参量相 对汽包压力而言具有明显的优越性。炉内燃烧火焰温度分布与燃烧效率、炉膛 出口未燃尽炭损失都有非常紧密的联系。炉内燃烧火焰温度分布与锅炉几何尺 寸的关系也反应出锅炉设计和制造的合理与否。炉内燃烧火焰温度分布的均匀 性对N O x 的生成也会有影响。由得到的温度场调节给粉和配风，可以提高燃烧 效率。若能同时得到壁面热流，则可判断炉壁是否结焦，通过调整燃烧器防止 爆管。我国燃煤机组的每千瓦时发电量耗煤比西方国家先进机组约丈1 0 ％，如 一3 0 0 M W 机组按年发电6 4 0 0 小时计算，若锅炉燃烧效率提高l ％，就可节约 燃料8 0 0 0 多吨，折合人民币3 0 0 多万元。 综上所述，我们可以知道，燃烧火焰的温度场测量是燃烧领域一个复杂但 很重要的问题，它是有效的燃烧诊断和燃烧过程控制的重要基础。电站锅炉炉 膛内燃烧火焰温度场可视化的实现对于揭示燃烧现象的本质和燃烧过程的规律 以及燃烧理论的发展都有非常重大的意义。此外，炉膛温度场可视化技术对于 燃烧设备设计方法的改进以及设备运行的优化也有巨大的推动作用。从锅炉燃 烧控制方面来讲，建立在炉内燃烧火焰温度分布技术之上的自动控制技术对于 锅炉运行的安全性、高效性和低污染性能提供有效的保证。 1 ．2 炉内温度场可视化相关研究技术的现状和发展 近年来，国内外对于炉膛内燃烧火焰温度场可视化技术进行了广泛和深入 的研究，光学技术、声学技术、图像处理技术等纷纷应用到火焰温度场可视化 中。 由于电站锅炉尺寸庞大、环境恶劣，在以前使用的研究方法一般是对其缩 小了的原型在实验室进行研究，或者采用计算机进行数值模拟研究。如华北电 力学院及江苏省电力局的王雅勤、孙志梅等采用数值方法预报了四角切圆燃烧 炉膛的三维温度分布，预报结果与热电偶测温进行了对比分析，结果表明两者 变化规律一致，符合较好[ 6 】；中国测试技术研究院的苏红雨等研制了电站锅炉 炉膛温度分布测量仪，并在一台2 0 0 M W 锅炉上进行了现场实验1 。 激光全息干涉技术已被应用到小型实验室对象的三维燃烧温度场检测的研 2 华中科技大学硕士学位论文 究过程中偈】，但由于技术上的困难还难以应用到大型工业炉膛燃烧的检测中。 由于大型工业炉膛燃烧过程具有强烈的三维立体特征，要深入全面地把握炉内 燃烧过程的变化，离开三维检测技术将是不理想的。炉膛三维燃烧温度分布测 量对于全面研究炉膛燃烧过程将是十分有效的。基于声波传递速度随介质温度 变化而变化的原理而开发的炉膛温度检测技术在二维断面温度分布可视化方面 取得了一定的成功，如文献[ 9 】报道了利用声波法C T 技术制作的高温计在一台 燃用具有轻微结渣倾向的低硫烟煤、四角布置切圆燃烧的4 0 0 M W 锅炉上进行 烟气温度监测和燃烧诊断的工作。但由于声波传递速度的限制以及声波检测方 法的制约，这种方法难于实现三维温度场的可视化。 现在国内外的一些研究单位 如华中科技大学、浙江大学、上海交大和东 南大学 ，把新型燃煤锅炉火焰检测装置的研究重点放在基于辐射图像处理的燃 烧火焰检测，已经做了多方面的研究[ i o - 1 4 ] 。目前，国内外电厂较多的使用锅炉 全炉膛火焰图像处理与检测系统和分散型锅炉燃烧器火焰检测装置这两种火焰 检测系统。前者通过全炉膛看火电视，着重检测火焰的稳定性；后者主要监视 单个燃烧器的燃烧状况。对于这两种方法，运行人员都只能凭经验定性地判断 炉内的燃烧状况，而不能定量的得到准确的炉内温度场，这为指导和优化锅炉 运行带来了困难。图像型火焰检测是由火焰电视综合数字图像处理技术和计算 机技术发展起来的。其中，东南大学和上海交大对燃烧火焰图像判断燃烧的稳 定性和火焰的熄灭等方面做了研究，其中上海交大已开发出一套用于反应炉内 燃烧状态和稳定性的处理系统。这些都是对火焰电视的改进，但还主要是做些 定性的分析。 在现阶段，研究的重点是如何将火焰原始图像转化为温度图像，从而对被 监视的燃烧工况进行分析诊断。随着研究工作向纵深发展，研究的重点转向将 火焰辐射图像检测作为炉膛空间辐射的二维能量传感器，对二维仨维燃烧对象 热物理参数的空间分布信息进行逆计算的研究。浙江大学岑可法院士所在课题 组提出基于彩色C C D 三原色的双色法f l 习的二维温度分布检测办法。本文作者所 在的课题组采用数字化C C D 摄像装置从炉膛燃烧空间摄取火焰辐射图像，然后 基于辐射图像处理和辐射逆问题求解建立了炉膛燃烧二维、三维温度场重建方 法，模拟研究工作取得了较为理想的结果【№埽l 。其基本方法是采用数字化摄像 装置从电站锅炉炉膛燃烧空间摄取燃烧辐射图像，然后基于辐射图像处理和辐 射传热逆问题求解建立一种二维炉膛温度场重建方法I l 州。 我们把火焰辐射图像探测系统当作一种炉内辐射能量传感器，然后从能量 传递和平衡的角度，由所得图像重建空间的温度场。由于实际对象的不同部位 由其所在空间的不同成像于图像的不同像素区域，即图像的不同像素的影像是 华中科技大学硕士学位论文 由不同方向进入照相传感器的辐射能所决定的；而且一幅图像由各像素的信息 可提供大量数据。由于成像过程的这些特性，从图像信息中求取对象的二维或 三维参数分布就有了基础，也使得从图像所携带的辐射能信息中求解炉膛燃烧 温度等参数分布成为可能。 我工作的重点之一是修改断面温度场系数矩阵计算程序，可在一个程序中 计算得出断面中4 个C C D 镜头的u v 数组，这里u V 数表示各个气体单元和壁 面单元发射出的辐射能被各个成像单元接收的份额 见参考文献[ 2 0 】 。程序可根 据实际条件设定炉膛尺寸和四个C C D 镜头的安装位置，在设定气体单元吸收系 数、散射系数以及壁面吸收率后，可计算得到重建温度场所需的系数矩阵，便 于实际应用。 值得注意的是u V 数与单元和镜头的大小、单元的位置和沿程衰减系数有关， 对于气体单元衰减系数为气体吸收系数与气体散射系数之和，而对于壁面单元 衰减系数就是壁面吸收率。我们设置不同的气体吸收系数、气体散射系数时， 所得到的R d 数结果差异较大，进而对温度场的结果也有很大的影响。因此，要 得到准确的u V 数，研究炉膛空间的辐射参数是必要的。下面介绍一下炉内介质 辐射特性的研究方法。 1 ．3 炉内介质辐射特性相关研究技术综述 在锅炉炉膛内，需要考虑的对象包括煤粉燃烧的各种气体、颗粒产物和灰 污壁面。 在炉内辐射传热中，比较重要的气体产物主要是C 0 2 、H 2 0 和s 0 2 等三原子 气体。这些气体对辐射能的散射不明显，主要表现为选择性吸收，因此必须考 虑其辐射性质随波长的变化。对气体的辐射特性的研究已经成熟，并建立了一 些标准的图表和适于工程计算用的光谱模型，如t l o t t e l 图【2 1 1 、窄带 N a r r o wB a n d 模型阎、宽带 W i d eB a n d 模型倒等。在类似于煤粉炉的燃烧设备中，由于燃烧 产物中固体颗粒的存在，气体的辐射特性对总体辐射挟热的影响份额相对较小， 在颗粒产物的辐射特性尚不明了的情况下，单纯地对气体产物采用精确的光谱 性质是不必要的，因而目前普遍采用的是较简单的模型，如宽带模型。 对于燃烧颗粒产物的辐射特性，虽然早在上世纪7 0 年代郎在国际上引起广 泛的重视，并作了大量的研究，但现有的研究仍然只是限于少数几种煤种的煤 粉、炭粒、飞灰的辐射性质，炭燃尽过程中颗粒辐射特性的演变就更不明确了， 并且各研究者所获得的数据结果存在着很大的分歧，即便是对于烟黑，其结构 和辐射特性的研究至今仍是国际辐射传热学界的研究热点。随着锅炉尺寸的增 大，颗粒对辐射的影响更加显著[ 2 4 1 ，颗粒的辐射特性是大型电站锅炉炉内辐射 一_ - - _ - _ _ _ ’_ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ ●- _ _ - _ - - _ _ - _ - _ _ _ - _ _ - ’●- _ ●- _ - ●_ ●_ _ 一 4 华中科技大学硕士学位论文 计算所迫切需要解决的关键问题。下面讨论～下炉内颗粒的辐射特性。 通常将炉膛内的颗粒产物区分为两大类含碳的 煤粒、炭粒、未燃尽炭 粒和烟黑 和不含碳的 飞灰 【2 5 】。含碳的颗粒主要集中在火焰面以内，不含 碳的颗粒则弥散于近8 0 ％的炉膛空间。 颗粒的辐射特性与气体的辐射特性有显著的差异首先，气体对光波是选 择性的，而颗粒能吸收和发射一切波长的辐射能。W a l l 等【2 4 】曾计算和比较了高 灰分烟煤 2 5 ％灰 在2 0 ％过量空气中燃烧产物的发射率随光程的变化，发现随着 设备尺寸的增加，粒子云的发射率较纯气体介质的发射率更快的接近l ，因此， 在大型燃烧设备中，颗粒的辐射特性对辐射传输的影响大于气体的影响；其次， 颗粒尺寸与波长之比大到一定程度，就会出现显著的散射特性，在燃烧过程感 兴趣的波长范围 1 ～1 6 u m ，而颗粒的粒径在 2 ～3 0 0 um 之间，相应的尺寸参 数为0 ．9 ～9 4 0 ，因而颗粒的散射相当强烈1 2 6 J ，而气体的散射性则很微弱，可以 忽略不记。由于颗粒同时具有吸收、发射和散射的特性，因此它们对辐射传输 的影响便很复杂一方面，颗粒发射将增强辐射，另一方面，颗粒的散射将使 辐射在传输方向上的衰减增大。 对颗粒辐射特性的描述，历史上先后有两类方法【2 ”。一种是传统的描述方 法，即由实验获得粒子云黑度或衰减系数，这种方法虽然数据形式简单，宜于 工程实用，但其准确性受到实验范围和条件的限制，缺乏通用性，且实验耗资、 需时都较大。另一种方法是随着电磁理论在辐射计算中的应用而产生的，它采 用三个参数来描述粒子云的辐射特性，即吸收系数 K 。， 、吸收系数 K 。 、 和散射相函数 o ，7 【2 引，它们能完整地描述粒子云地吸收、发射和散射特性。 这些参数可由两种途径获得一种是实验方法，即直接在炉膛或实验炉上测量 辐射热流和温度，由简化的辐射传递公式计算得到口9 ，3 0 】；另一种则是基于经典 的电磁理论【3 ”，先由实验铡得颗粒的光学常数聊。 埘； 刀。 i k ；，其中n 。为单 色折射率；J j } ，为单色吸收因子 ，再通过理论和数组计算来得到具有一定尺寸参 数和形态的颗粒的吸收、散射效率和散射相函数，这些和环境温度、颗粒粒径 分布、颗粒数密度相结合，即可得到粒子云的总体辐射特性盖。、X 。和o 功。 这种方法可以很好地反应颗粒辐射的本质特征，因而准确性高、适用面宽。故 我们在炉膛温度场可视化中辐射参数的计算就是以这种方法为基础的。我们使 用F u r n a c e 程序模拟燃煤锅炉的煤粉燃烧过程，由此估计在锅炉内气体一颗粒 两相流中颗粒数密度的分布，然后进一步求出炉膛空间的辐射参数。 华中科技大学硕士学位论文 1 ．4 本文的主要工作和内容安排 我们把火焰辐射图像探测系统当作一种炉内辐射能量传感器，然后从能量 传递和平衡的角度，由所得图像重建空间的温度场。使用C C D 炉膛火焰探测器、 视频采集卡、视频分割器、工控计算机等设备检测到火焰二维温度图像，根据 辐射成像新模型建立的火焰断面温度分布和火焰二维温度图像的定量关系，重 建出炉膛一层断面空间的温度分布。整个过程由开发的一套可视化系统来完成， 利用该系统对青山热电厂3 0 0 M W 燃煤锅炉炉膛和汉川电厂3 0 0 M W 锅炉进行了 断面温度场可视化实验研究，通过对不同工况下的火焰二维温度图像的分析比 较，给出了断面温度场重建的结果。 我工作的重点是修改断面温度场系数矩阵计算程序，然后给出一种计算炉 膛空间参数参数的方法，并应用于断面温度场可视化实验研究，最后得出断面 温度场可视化结果。其具体内容安排如下 第一章介绍了课题的背景以及相关领域的研究状况。 第二章介绍对断面温度场系数矩阵计算程序的修改，并给出相关计算结 果。 第三章介绍了计算炉膛空间辐射参数的方法，并得出结果。 第四章在3 0 0 M W 的锅炉上进行了断面温度场可视化实验研究，分析比 较了不同工况下的火焰二维温度图像，给出了断面温度场可视化结果。 第五章全文总结。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 温度场可视化的基本原理和对u V 数程序的改进 ’ 我们把火焰辐射图像探测系统当作一种炉内辐射能量传感器，然后从能量 传递和平衡的角度，由所得图像重建空间的温度场。由于实际对象的不同部位 由其所在空间的不同成像于图像的不同像素区域，即图像的不同像素的影像是 由不同方向进入照相传感器的辐射能所决定的；而且一幅图像由各像素的信息 可提供大量数据。由于成像过程的这些特性，从图像信息中求取对象的二维或 三维参数分布就有了基础，也使得从图像所携带的辐射能信息中求解炉膛燃烧 温度等参数分布成为可能。本章先简述温度场可视化的原理、然后介绍我对求 解u v 数程序的修改和相关结果。 2 ．1 辐射成像基本原理 在一个由灰性介质、壁面组成的系统中，C C O 镜头所接收的辐射能是来源 于壁面和体积区域的辐射按照成像规律在成像面上的累积效果。C C D 接受的辐 射能如式 2 ．1 所示。 B ∑R d 8 i k 4 K g i 叫△％ ∑R d 。u 斗．i } 占。o 露丛。 2 ．1 l t l 1 “ 1 式中，4 K 譬，叫△％为具有吸收系数为K ，、温度为露、体积△％的第f 气 体单元发射的辐射能；盯为玻尔兹曼常数；8 w j D 嘭△％为具有发射率为占。、 温度为≈、面积丛岬的第_ ，壁面单元发射的总福射能；R d g i j 七 、 R d 。 i 专七 称为R E A D 数 R E A D 即辐射能量吸收分布的英文缩写 ，分别表 示第i 个气体单元发射出的辐射能和第_ ，个壁面单元发射出的辐射能被第k 个 成像单元接收的份额。 我们希望由火焰辐射图像探测系统获得的图像信息中获得C C D 镜头所接收 的辐射能最，然后根据式 2 ．1 求出空间单元得温度乙。 将系统划分为若干小区域，在这些小区域中，其内部的温度和其他特性参 数不变，整体上允许区域间各项参数取值不同，考虑散射。基于M o n t eC a r l o 的思想，认为任意网格单元i 辐射的被C C D 像素k 接受的能量分为两部分，一 7 华中科技大学硕士学位论文 部分是由网格单元直接辐射到C C D 像素单元的，能束在到达C C D 成像面的过程 中不改变方向，即直接辐射部分，对应的R d 数由矗d 乙表示；另一部分是经过 其周围的区域包括自身单元散射和 或 壁面反射后改变方向到达C C I 像素的 间接辐射部分．用R d 。／r i d 表示【3 2 】。则总的R d 数表示为 R d Ⅲ R d 幺 R d 盘 2 ．2 跟踪一个能束经过散射、吸收和壁面反射最终到达C C D 成像面的整个过程， 将这一过程按照散射和壁面反射以及最后到达C C D 镜头的环节分解为”个步 骤，能束完成第疗一1 个步骤时所到达的单元编号为_ ，，辐射源单元编号为f 。 很显然，在从n l 到n 的过程中，能束是从J 单元直接到达C C D 的。将f 单元 辐射的经过』单元的最后到达C C D 第女像素的R d 数记为R ∥． ，． 。，所以 R d ．．，_ ，。 R d 二 ，R d 鼻。 2 ．3 R d 二，表示f 网格辐射的被J 网格散射或反射的R d 数所以R d 墨为 I n R 娼；∑R ％x R 哝。 2 ．4 ，- l R 啦 为_ ，网格直接辐射到C C D 第七像素的R d 数这样f 单元辐射到C C D 第k 像素总的R d 数为 R Z ．。 R d 生 ∑R d , L ，R 眵k 2 5 p l 对于壁面单元月d 二， 1 一e ／e ，￡为壁面发射率；对于气体单元则需要运 用M o n t eC a r l o 方法来进行计算。通过上述分析，将R d 数的计算分解为两部 分，首先计算网格单元对C C D 像素的直接R d 数分布，然后通过各网格之间散 射、反射的R d 数与直接R d 数的结合来计算间接辐射的R d 数分布，两者的合 并就得到了总的R d 数分布。 对于直接辐射R d 数的计算，文献【1 9 ] 假设C C D 镜头在炉膛垂直方向上的 视角为1 8 0 度，C C D 接收到的火焰辐射是在炉膛垂直方向1 8 0 度范围内的累 积 积分 。但实际上C C D 镜头在垂直方向上的视角没有1 8 0 度，而且实际三 维炉膛在高度方向的热物理参数分布的非均匀性也很难将其简化为理想的．Y - 8 华中科技大学硕士学位论文 维系统。重要的是，实际成像过程得到的二维火焰图像在水平、垂直两个方向 均有相似的方向分辨率。考虑到这些因素后，我们利用水平方向投射过来的辐 射信息 当镜头视角中心线处于水平方向时，该辐射信息对应于二维辐射图像 中处于垂直方向中心线上一行像素接收的辐射信息 进行分析。这样就必须对 求解直接R d 数的程序进行修改，下面给出直接R d 数的计算方法，然后给出 程序修改后得到的结果。 2 ．2 直辐射刚的计算 将网格单元分解为若干微元，则网格单元对像素的直接辐射R d 数是各微 元直接辐射R d 数之和。在网格单元_ ，被像素i 视角所覆盖的区域中取微元血， 对于一个简化的二维系统，在计算直接辐射R d 时，微元船所辐射的直接到达 C C D 的能量在二维平面内沿直线衰减，衰减过程用穿透率f 来表示。引入有效 角系数f 来表示C C D 镜头的方向选择性。微元血对i 像索的直接辐射R d 数为 R d 4 H f x f A s 2 ．6 式中厂是微元血位置的函数“ g - - e 一叫，K ．为衰减系数，，．为沿程穿过各 网格的在二维平面内的长度。 对于灰体壁面，设壁面单元的辐射力为E ，由兰波特定律，与壁面法线 方向的夹角为口方向的单位立体角的区域幽上的辐射为 ％ 8 2 ．7 考虑衰减后的辐射为 ， ． E 。；r 罢c 。s 口 2 ．8 由于实际的辐射过程都是发生在三维空间中的，在M o n t eC a r l o 方法的模 拟过程中，能束的追踪也是在三维空间中进行的，所得到的R d 数分布实际上 是沿高度方向的累积值。对于直接辐射肘数的计算，文献【1 9 】假设C C D 镜头 在炉膛垂直方向上的视角为1 8 0 度，C C D 接收到的火焰辐射是在炉膛垂直方 向1 8 0 度范围内的累积 积分 。由于现在我们考虑的是镜头- 4 , 视角问单元对 镜头的辐射，我们没有用到参考文献[ 19 】中的等效衰减系数。对于二维温度场 重建，其直接R d 数的计算在二维平面内进行的，为此，本文考虑镜头一小视 角间的可见厚度与单元离镜头的距离成正比，考虑此因素后将 2 ．8 纠正为 华中科技大学硕士学位论文 E t 一E l c o s 8L e 切n g t h 2 ．9 式中，L e n g t h 为单元距镜头的距离，幻在给定系统中为常数 即离镜头 最远的单元距镜头的距离 。 图2 ．1 三维空间中壁面和镜头像素单元示意图 若d A 为面积为S 的一个镜头像素单元，则壁面单元由与法线方向的夹角 为目的方向发射到幽上的辐射为 如 r 口等‘雨S E 万c o s 8 埘屯S 丽 f 曼c o s 8 堡坐2．10eos8 可i L x y ．L e n g t h u ‘ 如图2 ．1 所示，S d 1 ．d w 。式中，L e n g t h 为壁面单元距镜头的距离，E 为 此壁面单元发射的总的辐射能。由于讲和上叫在系统中为常量，而我们计算的 R d 数关心的是它们间的相对大小，可将式 2 ．1 0 化简为 毛f 皇c o s 鲥妒 2 ．1 1 万 1 0 华中科技大学硕士学位论文 同理，对于气体单元可得，气体单元发射到面积为S 的镜头像素单元幽上 的辐射为 ％ 7 寺d 少 2 ．1 2 式中，L e n g t h 为气体单元距镜头的距离，占为此气体单元发射的总的辐射 能。 ． 由于散射R d 数在文献[ 1 9 】中已有叙述，而且其计算过程改变不大，这里 不再重复。 2 ．3 修改后R d 数的计算结果 分析图2 ．2 所示的系统。它由包含在发射率O ．8 的灰色壁面中的1 0 m x l O m 的二维灰色气体区域组成。C C D 镜头安放在一个角上。为了便于比较，这里 我们将程序的一些参数设置为文献[ 19 】一致，网格发出的能柬数为1 0 0 0 0 0 ，气 体和壁面单元的微分数为2 0 0 0 0 。R d 的计算程序由在同一工作区的四个源文件 组成，三个子程序分别计算直接R d 数、散射j 搿数、总R d 数。下面给出程序 得到的结果 系统中C C D 镜头分为1 0 0 个像素单元，当吸收系数为0 ．1 散射系数为 0 ．0 0 0 1 和0 ．15 时，第1