基于光场成像的火焰三维温度场测量方法研究

基于光场成像的火焰三维温度场测量方法研究燃烧广泛存在于日常生活和钢铁、冶金、电站、航空航天等工业生产过程。燃烧火焰三维温度场的重建研究,为探究燃烧化学的本质、调整燃烧方式、优化燃烧过程以及控制燃烧污染物生成等提供重要数据支撑,具有重要的科学意义和应用价值。针对现有火焰温度测量系统复杂、调试繁琐等问题以及相应测量装置在辐射信息采样与重建方面的不足,本文提出了基于光场成像技术的火焰三维温度场测量方法,开展了系统的理论与实验研究。提出了火焰辐射光场成像光线追迹方法,介绍了火焰内部辐射传输过程及光线辐射强度的计算方法,耦合光场成像与火焰辐射传输模型,建立了火焰辐射光场成像数学模型。

计算了不同类型光场相机和不同火焰物性参数下的火焰辐射光场图像,提出了火焰辐射光场图像有效像素和像素利用率的概念,以衡量图像探测器采集火焰辐射信息的能力,计算分析了火焰不同深度处的重聚焦图像。结果表明,光场成像系统能够采集火焰不同方向、不同位置的三维辐射信息。在火焰有限的体积范围内,火焰内部不同深度处的重聚焦图像之间差异较小。提出了基于光场成像的火焰三维温度场重建策略与方法。

介绍了线性优化算法LSQR(Least Squares via QR factorization,最小二乘 QR 分解)和 NNLS(非负最小二乘,Non-negative Least Squares)以及非线性优化算法Levenberg-Marquardt的基本原理与算法,求解了光场成像火焰三维温度场重建中的辐射传输方程。在此基础上,针对辐射传输方程中吸收系数未知的问题,提出了 NNLS(Non-Negative Least Squares)-LMBC(Levenberg-Marquardt with Boundary Constraint)混.合算法,同时重构火焰的温度及吸收系数。设置了四种不同温度和吸收系数分布的火焰,计算了不同条件下的火焰光场图像,进行了光场成像火焰三维温度场重建数值模拟。结果表明:四种情况下,LMBC-NNLS 混合算法可实现火焰温度及吸收系数同时重构,重建结果的相对误差小于0.1,

表明LMBC-NNLS混合算法具有较高的可靠性和精度。

以单个像素为采样单元,提出了采样域(SR,SamplingRegion)、单位采样角(SAPU,Sampling Angle Per Unit)和采样角(SA,SamplingAngle)的概念,以衡量单个像素火焰辐射光场采样的单方向性。定义了采样光线的概念,比较了不同微透镜与探测面距离及不同类型的微透镜阵列(单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜

阵列)的采样光线在火焰内部的空间分布,分析了不同参数下火焰光场图像及火焰三维温度场重建结果。结果表明:相比于光场相机2.0,光场相机1.0火焰辐射采样光线空间位置分布不均匀,不利于火焰温度重建。相比于多焦距微透镜阵,单焦距微透镜阵列采样光线空间位置分布更均匀,因而,其火焰三维温度场重建结果优于多焦距微透镜阵列。

研制了基于光场成像的火焰三维温度场测量系统,评价了系统组件的基本性能。提出了聚焦光场相机几何参数标定新方法,建立了基于光场图像的聚焦光场相机标定模型,利用Levenberg-Marquardt算法求解了相机几何参数,进一步结合光场相机F数匹配特性获得了标定参数,并与全聚焦图像的标定结果进行了比较验证。开展了光场相机图像探测器辐射强度标定实验研究。几何标定结果的重投影误差小于7个像素,证明了提出的聚焦光场相机标定方法的可行性。

开展了光场成像火焰三维温度测量方法实验评价及实际应用研究。设计加工了同流燃烧器(Co-flow Burner),利用光场成像火焰三维温度场测量系统,采集了火焰光场图像,根据光场成像火焰三维温度场重建算法,重建了乙烯层流扩散火焰的三维温度分布,将重建结果与热电偶测量结果进行了对比评价。分析了测量结果的误差来源,评价了测量系统的精确度。结果表明:与热电偶温度测量结果吻合较好,两种测量结果最大相差150.9K,表明了光场成像火焰三维温度场重建方法的可行性和可靠性。

并进行了流化床生物质颗粒燃烧火焰的三维温度场测量实际应用研究。结果表明,光场成像火焰温度测量系统能够进行流化床生物质颗粒燃烧火焰温度及吸收系数同时重建,为煤粉/生物质颗粒燃烧可视化实验提供了新的测试方法和实验手段。