基于近红外光谱分析的轴对称乙烯扩散火焰温度及碳黑浓度检测

论文摘要

碳黑是化石燃料不完全燃烧时产生的,是没有被有效利用的能量,直接排放会导致能源利用效率的降低,以及对环境污染的加剧。碳黑颗粒对人体健康,环境污染,工业应用都有很大的影响。发展燃烧诊断技术,对燃烧过程中碳黑的形成和燃尽过程的研究,以及碳黑模型的检验都是十分必要的。基于火焰光谱信息处理技术同时重建火焰温度和碳黑浓度分布的方法近年来受到广泛关注,而基于火焰近红外波段光谱的分析处理较为少见。本文介绍了基于火焰近红外波段光谱信息同时重建火焰温度和碳黑浓度的方法。首先建立轴对称火焰的辐射光谱模型,然后介绍了从火焰检测强度分布中根据Abel逆变换同时反演重建火焰温度和碳黑浓度的计算方法;最后给定预设值,进行模拟计算,在三个不同的波长范围900-1900nm,1000-1700nm和1200-1650nm进行重建,得到的温度和碳黑浓度分布基本与预设值一致:并且在不同的信噪比进行重建,在SNR为200的噪声条件下也可以得到比较理想的重建结果。实验研究以轴对称乙烯火焰对象开展,在实验中,乙烯的流量为130ml/min,空气的流量为200l/min。利用近红外光谱仪检测获得火焰五个不同高度层的光谱辐射信号分布。根据黑体炉标定得到的修正系数进行修正得到辐射强度分布,然后经过滤波,多项式拟合,对称等一系列数据处理过程,再根据Abel逆变换从中重建出火焰不同高度层温度和碳黑浓度分布。在火焰下部,靠近火焰中心位置,碳黑浓度分布接近于零,在火焰中部（30mm高度）时,碳黑浓度分布达到峰值,然后随着高度层变化到40mm高度,碳黑浓度分布开始减小。重建的火焰温度范围为15001800K,碳黑浓度分布范围为04.5ppm,与基于图像处理的检测结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 碳黑测量的研究现状
• 1.3 本文的主要工作及内容安排
• 2 火焰温度及碳黑浓度重建模拟研究
• 2.1 轴对称火焰辐射模型
• 2.2 重建温度和碳黑浓度的Abel 逆方法
• 2.3 模拟验证
• 2.4 本章小结
• 3 乙烯火焰检测实验研究
• 3.1 燃烧器及检测装置
• 3.2 火焰辐射光谱标定及平滑去噪
• 3.3 检测结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 全文总结及展望
• 4.1 全文总结
• 4.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读硕士学位期间发表论文