第一作者简介：

李蜜，工学硕士，华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室。研究领域：燃烧检测。

通讯作者简介：

程强，工学博士，教授，博士生导师，华中科技大学“华中卓越学者”，美国佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）访问学者，国际传热传质中心（ICHMT）科学理事会成员，《AIMS Energy》、《煤炭转化》、《湖北电力》等期刊编委。长期坚持热辐射理论分析及其应用工作，致力于解决高温工业过程及燃烧检测中出现的复杂辐射传热问题，并提出新型燃烧检测技术，同时在微纳尺度热辐射方面做出了一些有特色的工作，拓展了热辐射在太阳能等新能源及新技术中的应用。已发表SCI论文120余篇，其中以第一作者/通讯作者在Reports on Progress in Physics、Small、Physical Review Applied、Physical Review B、Optics Express、Combustion and Flame（6篇）、International Journal of Heat and Mass Transfer（6篇）等物理、光学、燃烧及传热领域顶级国际期刊上发表SCI论文60余篇；出版排名第一的专著1本（35万字），译著1本（64.3万字）；以第一发明人获授权国家发明专利六项，软件著作权四项。主持国家自然科学基金项目、国家自然科学基金重大科研仪器研制项目课题、湖北省自然科学基金项目、中央高校自主创新基金创新团队培育项目等；曾获首届中国博士后特别基金资助及中国博士后基金一等资助；获2012年度北京科学技术进步奖三等奖、2010年度国家能源科学技术进步奖二等奖、2007年湖北省技术发明一等奖、2006年高等学校技术发明二等奖等多项科技奖励；连续多年担任国家自然科学基金通讯评审专家，教育部学位与研究生学位授予通讯评议专家，全国大学生节能减排社会实践与科学竞赛评审专家，国际燃烧学会会员，美国机械工程师学会会员，美国光学学会会员，International Journal of Heat and Mass Transfer、Energy Conversion and Management、International Journal of Thermal Sciences等多家国际权威刊物杰出审稿人。

题目

基于粒子群算法的非灰火焰温度及发射率检测

作者

李蜜常珂张怡雯

刘蒙罗自学程强

作者单位

华中科技大学能源与动力工程学院煤燃烧国家重点实验室,430074 武汉

研究背景

火焰温度和发射率能反映燃烧的状态，是燃烧检测中倍受关注的参数，准确测量这两个参数对深入研究燃烧机理具有重要的指导意义，对于电站锅炉和工业锅炉等设备的燃烧调控也具有重要参考作用。目前，以被测对象自身辐射信息为测量信号的被动式检测方法越来越广泛地于应用火焰温度测量，主要包括比色法和多波长法。其中，比色法在计算温度时具有简洁性，但适用对象局限于灰体。当检测对象不满足灰性假设时，采用多波长法可提高测量准确性。近年来，高光谱成像技术因兼具光谱分辨率高和场测量的特点，在非均匀复杂火焰检测时具备优越性，结合多波长法越来越广地应用到燃烧检测领域。此外，随着计算机技术的发展，越来越多的智能算法涌现并应用于各个领域，粒子群算法便是其中之一。因此本研究提出了一种基于粒子群算法的多波长测温法，以相对简单的手段准确检测非灰火焰的温度和发射率，首先对以实验室乙烯火焰为检测对象，并以热电偶验证测温方法的可行性和准确性；此外本研究进一步将此方法发展到非灰非均匀的工业火焰对象检测中，综合高光谱相机的特点得到更为准确的高空间分辨率的测温结果，以期为炉膛燃烧策略调整提供数据参考。

摘要

为了简单并且准确地检测非灰性火焰的温度和发射率,提出了一种基于粒子群算法的多波长测温法。首先,使用光谱仪检测乙烯层流扩散火焰,得到了不同波长不同位置的光谱辐射强度信息;随后,基于光谱辐射强度采用前述提出的基于粒子群算法的多波长测温法计算了乙烯火焰不同位置的温度和发射率,并将计算结果与采用热电偶和比色法的测温结果进行对比,验证了研究提出的方法的可行性和准确性。将该检测方法拓展应用到垃圾焚烧炉炉膛火焰,协同使用光谱仪和多光谱相机,先对光谱仪数据采用研究所提的多波长法计算了发射率函数,修正多光谱相机对应的波段发射率比值,然后将发射率比值和多光谱相机得到的炉膛火焰单色辐射强度用于比色计算,得到了修正的炉膛火焰的温度云图和发射率分布图,修正前后温差达到150 K;并进一步估算了炉膛火焰吸收系数和烟黑体积分数沿视线方向的平均水平,反映了垃圾焚烧炉炉膛内不同区域燃烧情况的差异性和辐射介质的空间分布不均匀性。

结论

1) 本研究提出了一种基于粒子群算法的多波长测温法,对于非灰性的火焰对象,使用简单的光谱仪实验装置结合此方法便可同时得到较为准确的表观温度和发射率。

2) 运用此方法得到了乙烯层流扩散火焰不同位置的温度,并与B型热电偶测得的温度和比色法计算的温度进行比较,验证了方法的可行性和准确性;另一方面,利用光谱仪也得到了火焰不同位置的光谱辐射强度及其分布规律,辐射强度随高度和径向均呈现先增后减的趋势,峰值在火焰腹部区域;测得了乙烯火焰不同位置处的表观发射率,进一步计算了乙烯火焰平均吸收系数和烟黑体积分数的平均水平。

3) 将多波长测温法拓展应用到非灰的垃圾焚烧炉炉膛火焰对象,提出了基于光谱仪发射率修正的炉膛火焰比色测温方法,综合光谱仪光谱分辨率高和多光谱相机面成像的优势将二者协同使用,以较为简单的装置实现了炉膛火焰这种非均匀介质的相对准确的燃烧检测;利用光谱仪数据采用上述多波长法计算了发射率函数,以此修正多光谱相机对应波段发射率比值;利用多光谱相机得到了不同工况不同波长的炉膛火焰单色辐射强度,然后将发射率比值和单色辐射强度用于比色计算,得到了炉膛火焰的温度和发射率分布情况,并进一步估算了烟黑体积分数沿视线方向的平均水平。

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