文摘
计算机断层扫描的化学发光(CTC)是一种很有前途的技术,燃烧诊断,提供瞬时三维信息的火焰结构,特别是在恶劣的情况下。这项工作侧重于评估CTC的可行性和研究结构hydrogen-air预混层流火焰用CTC。数值幽灵的一项研究进行了评估的准确性重建算法。一个精心设计的燃烧器用于生成稳定hydrogen-air预混层流火焰。的化学发光强度场重建来自37个视图使用CTC相比直接化学发光分布记录由一个ICCD相机从侧面视图。火焰结构在不同的流动速度和使用重建等价比率进行分析。结果表明,CTC技术可以有效地表明火焰化学发光的真实分布。火焰的高度变大而增加流速度,而它随等价比率增加(不超过1)。增加流速度逐渐提高火焰的反应区。的关键锥角4.76度获得避免排出。这些结果建立一个基础研究和方法可以进一步开发重建三维结构的火焰。
1。介绍
燃烧理论的发展和改进先进的燃烧火焰结构的设备需要详细研究。激光诊断技术的应用,如粒子图像测速仪(PIV),平面激光诱导荧光(PLIF),平面激光诱导瑞利散射,可以执行原位,火焰不干扰诊断特征。这些方法有优势的获取平面信息空间和时间分辨率高但代价昂贵和复杂的实验设备,如强大的激光、ICCD相机,和各种光学组件。
这些激光诊断技术相比,化学发光技术是相对简单和廉价的由于没有激光设备。化学发光是一种天然的火焰结构和燃烧特性的指标,因为它本质上代表电子兴奋激进分子形成的放热反应在反应区。最常见的化学发光的哦(ax)波长为310 nm, CH (ax) 430海里,天鹅群C2(数字-模拟)470 nm和550 nm之间1]。这三种类型的化学发光可以显示火焰结构(2,3),燃烧热释放率的特点(4),当地的等价比率(5)和稳定性(6]。尽管化学发光测量是一种有效的方法来研究火焰结构和燃烧特性,它只捕获在光路径积分结果。这个缺点,无法解决空间分布极大地限制了该诊断技术的应用。解决这个问题的一种有效方式和获取三维火焰结构的组合化学发光测量与计算机断层扫描(CT)技术,导致火焰研究未来的工具称为化学发光的计算机断层扫描(CTC)。1988年,赫兹,法里斯7)第一次使用CTC进行一个简单的二维重建。从那时起,研究CTC技术已经广泛开展。
重建算法和实验系统CTC的基础技术。他们吸引了全球利益的优化。丹尼索瓦等。8)开发了一个基于局部正则化算法和最大熵来满足窄发射区域的特点和大强度梯度,导致一个更好的重建甚至很少有相机和严重的噪音。Goyal et al。9)进一步优化算法,获得一个新的使用最大化熵的方法,大大减少了错误比2 d挤牙膏式重建算法。Cai et al。10)开发了一种混合算法来解决三维化学发光强度的测量问题领域和验证数值和实验方法。尽管相当大的进展,CTC的重建算法仍有巨大的潜力为进一步优化的计算速度、重建精度,通过提高效率和计算模型,权函数的访问方法,充分利用先验信息。Gilabert et al。11)和侯赛因et al。12)设计了一系列实验系统通过使用一个光传输单元和光纤束,分别增加CTC的效率和降低成本。光纤内视镜(fb)也适用于瞬时三维燃烧测量结合断层。康等。13)进行了一系列的测试,以量化的准确性视图注册和fb的空间分辨率。这些研究进一步提高CTC通过优化重建算法和设计实验系统,使CTC更适合燃烧诊断。数值测试执行评估重建算法。大多数测试的假设进行平行光束,这在实际实验中不确定的深度关注是有限的,因此需要更直接的实验验证评估CTC的可行性和准确性。然而,这样的令人信服的实验很少报道。
基于重建算法和实验系统的开发,CTC技术已广泛应用于燃烧诊断。弗洛伊德et al。14]重建三维紊流反对喷射火焰的化学发光领域CTC技术获取火焰表面密度,起皱的因素,火焰正常的方向,和热释放率。他们(15)还研究了瞬时三维火焰几何信息和兴奋物种浓度在一个矩阵燃烧器使用10同时相机测量。Anikin et al。16]重建二维化学发光分布空间分辨率约1毫米200年湍流扩散火焰的曝光时间μ年代。李(17]首先获得瞬时三维紊流射流火焰燃烧结构成像在相当大的测量体积在千赫基于层析化学发光技术,和鬼影火焰模拟实验也进行了比较和验证的目的(18]。取得了许多重建结果不同的火焰,但大多数研究只关注化学发光领域的重建无论化学发光信息和燃烧特性之间的关系。
CTC技术的研究和应用仍不足虽然近年来已取得相当大的进展。在这项工作中,幽灵研究进行了评估算法艺术的能力。这时,一个精心设计的燃烧器是用来生成稳定的锥形hydrogen-air预混层流火焰,用于进行实验验证,进一步评估CTC的可行性。的化学发光强度字段,火焰方面的重要指标的反应区,使用CTC重建技术。使用这些重建,火焰结构和流动速度和等价比率的影响进行了研究。
2。CTC的方法
2.1。艺术的算法
CTC方法包含两个主要过程:收购化学发光强度的预测从不同的角度和重建这些预测的化学发光领域使用合适的重建算法。代数重建技术(ART)算法用于这项研究。
算法适用于艺术的CTC一系列强劲的重建算法由于这些原因:艺术算法是一种迭代重建算法,非常适合一些预测的重建和有严重噪音;艺术算法允许更灵活的投影几何图形,带来巨大的潜力的应用不同的火焰;艺术算法很容易得到改善与先验信息,大大提高了重建的效率。然而,艺术算法也有一些缺点,最严重的是其高计算资源的依赖。随着计算设备的发展,这一问题正在逐步解决,特别是在二维重建。在这项工作中,我们只关注二维重构和艺术的最严重的缺点算法并不是一个问题。基于上述原因,艺术算法应用于这项工作。
重建问题是解决一个欠定线性方程组。每个投影测量系统得到的近似作为一个有限和采取通过离散对象(火焰)域如以下所示(15]: 在哪里的强度值吗pth的投影问th视图(图像包含一系列的预测从投影角度测量使用ICCD相机);平均标量值的像素,这是我们的目标;是权重系数代表像素的贡献到pth(最大值)投影问th(最大值)看来,这是近似的比例投影光束之间的交叉区域的像素区域像素区域。与必要性为每个投影获得正确的权重系数和提高计算效率的重要性考虑,采用了一种简化计算方法在这项研究中,像素分为宫,然后这些亚像素的面积之和的中心通过计算梁交叉区域。在这部作品中,对象域分为像素索引由单个索引从1到。
轻松的添加剂版本的艺术算法用于这项工作如下(15]:
在这个方程,是一个维的向量;是一个维的向量;是一个维矩阵的;松弛因子,用于提高收敛的噪音,噪音和0.5这个工作不是很高;指数代表所有视图的投影的索引和迭代的数量。一旦解决了所有索引,开始下一轮迭代。
一个简单的标准描述Mishra et al。19是用来降低计算成本。曾经的绝对差异的和化学发光强度()低于阈值,重建被认为是聚集。
在这部作品中,2 d重建域分为131072像素()。37投影角度()选择,每个视图的预测数量是255 ()作为重建网格的数量是很小的。
2.2。幽灵的研究
幽灵的研究通常用于评估重建算法的可行性和准确性,CTC的基础技术。幻影对象设计的大小1×0.5(相对长度与1,单位长度单位是无意义的幻影研究),如图1分为200×100像素,列出了详细的参数表1。它包括四个矩形的几何形状和三个相交的环。这个幽灵对象类似于火焰的形状结构,用于我们的实验研究。矩形的角可以用来评估艺术算法重建的能力的详细信息和交叉环可以帮助评估空间分辨率。
预测是实现每5度从0度(投影的角度定位的基础幻影对象)到180度。收集总共37视图,每个视图包括225年预测。遵循严格的标准。
通过分析流场和以前的工作的经验,火焰的相对位置可以确定之前重建。这将大大有助于提高重建的准确性。该方法被称为先验知识的介绍。在这项工作中实现。图2显示了一个初始分布的重建,这是由先验知识确定的。详细参数表中列出2。
重建结果如图3与幻影,这显示了一个好的协议对象一般几何形状的分布信息,但是可以看到小噪音和详细的信息有一些错误。
为了进一步评估艺术算法的准确性,最大偏差系数和归一化均方根误差(NRMSE)计算。他们分别定义如下: 在哪里是一个维重建结果的向量;平均标量值的像素;平均标量值在同一像素的最大元素。代表之间的最大偏差幻影对象和重建。它表示重建的最糟糕的情况。代表一个总体偏差水平。这两个系数可以有效地评估重建的准确性并验证艺术算法的可行性。
相对强度分布(在底部)上方不同高度比较如图4在三个不同的相对高度的0.25,0.50,和0.75从底部到顶部,分别。的相对强度,实现从强度值除以每个高度上的平均值,表明一个好的协议。在这个幽灵,被计算为0.059,这是一个非常小的一个。它定量地表示一个艺术算法的良好性能。然而,在大强度梯度、错误可以发现高达9.3% (是0.093),这表明一个弱点艺术算法重建的详细的信息。尽管如此,重建结果表明伪对象的结构的主要特性,验证艺术算法的可行性。
(一)
(b)
(c)
3所示。实验安排
3.1。燃烧系统
燃烧器和燃气供应系统见图用于这项研究5(一个)。燃烧器有两块15毫米的高度,是安排在多孔板2毫米的距离。它主要包括预混料室,灭火器装置,多孔板,保护气体室。多孔板上的圆形喷嘴的布置如图5 (b)。灭火器装置安装在钢球的预混料室主要由两种不同直径的2毫米和1毫米,分别摆脱适得其反。止回阀和适得其反安全阀也受雇于管道安全原因。气体被Alicat科学调整质量流量控制器(mfc电池),可以提供足够的流量控制精度高。预拌反应物(hydrogen-air)进入燃烧器和预混料的进一步混合室,以确保等价的准确性比反应物燃烧器出口流块以上。N2被用作保护气体提供一个相对封闭的地区环境空气的消除干扰。稳定hydrogen-air预混层流火焰,完美的验证实验,是由于燃烧器的特殊结构来实现。
(一)
(b)
在这工作,9不同火焰条件下设计研究流速的影响和火焰结构等价比率。考虑火焰的稳定性,流动速度限制从11米/秒到15米/秒和等价比率从0.35改为0.55,如表所示3。
3.2。光学系统
图6(一)说明了两个方向的投影视图和视图。投影视图定向展示了一架飞机,预测得到的,而侧面定位了一个方向的投影平面垂直于积分图像直接记录。整体的图片化学发光从侧面视图作为一个真正的二维分布化学发光与重建的结果比较。一个环形导轨工作制动机制垂直安装在燃烧器出口位于中心,如图6 (b)。一个相机安装在导轨和围绕中心旋转,同时保持校准和中心的750毫米的距离。每隔5度从0度到180度,加起来共有37个角,被选为投影角度。由于对称的观点,预测从0度到180度是一样的,其中的角度179度被选为第37投影角。视图从37投影角度测量如上所述使用PI-MAX我512×512像素ICCD相机50毫秒曝光时间和增加20,这是适合获得高信噪比(信噪比)。307海里有17%传输的干扰带通滤波器在频率和峰值半宽度为12海里添加前的紫外线镜头获取化学发光。
(一)
(b)
进行校准,确保中心的精确位置,以及相机旋转。化学发光图像的边界很容易认为是火焰的形状在这个研究很简单。中线的边界作为重建平面(这是一个在一个图像行)在每个视图,也有助于获得投影几何图形。
图7显示4画面(视图)的投影角度0,45岁,90年,135度。中线的化学发光的边界分布在每一个图像被用作预测重建如上所述。
4所示。结果与讨论
4.1。实验验证了CTC
使用CTC技术获得的重建结果呈现在图8(一个),随着图像(积分图像实现从侧面视图如前所述)如图8 (b)。侧面图像处理位置转换,让它更容易比较。很明显,重建结果的分布可以反映化学发光的火焰虽然轻微的细节差异。
(一)
(b)
为了进一步评估CTC的可行性,两个图像之间的相对强度分布比较图8。图9上面显示的是在三个不同的高度比较出口平面的2毫米,6毫米,分别和10毫米。如图8相对强度相互吻合较好,0.185计算。差异可以发现特别是在底部的最大偏差高达26.7%,这显示了艺术的一个弱点算法重建领域的空腔周围有价值的信息(大强度梯度的区域)。尽管如此,重建结果表明火焰结构的主要特性,并验证CTC的可行性。
(一)
(b)
(c)
系数(和)在这个重建更大比幽灵的3.1倍和2.9倍,分别。这主要是由于实验设备和投影系统中的错误。CTC系统燃烧诊断的不确定性是由最大偏差在这项工作(26.7%)。这是一个很大的一个用于定量分析。然而,的相对分布化学发光火焰是相当精确的。它很好的执行CTC的火焰结构的研究技术。
4.2。火焰结构基于CTC
图10显示的重建化学发光8火焰的条件。排出的现象出现在F9重建的结果并没有显示为没有化学发光是在这种情况下获得的。这些重构的结果能代表真正的化学发光强度字段辐射分布。分布的一个重要指标是反应区域的火焰方面,它可以描述火焰结构。流速度较大的强度值增加,如图10,由于增加了反应物混合物。图10也显示同样的趋势随着等价比率。
为了描述火焰结构信息,火焰的高度(高频)和相对的比例分布的火焰化学发光(RDF)了数据分析。火焰的高度(高频)被定义为 在哪里垂直坐标的火焰和环境之间的分界线确定阈值,即1/3峰值在每一个图像,然后呢的垂直坐标燃烧器出口。的比例相对分布的火焰化学发光(RDF)被定义为 在哪里是最高的化学发光强度的总和的一半火焰;是整体的化学发光强度的总和的火焰。火焰结构可以通过这两个参数初步特征。
HFs和RDFs不同流速度和等价比率呈现在图11。高频变大而增加流速度,如图(11日),而它随等价比率增加(不超过1)如图11 (b)。高频依赖于相对流速之间的关系和火焰传播速度,这是与等价比率。附近最大的火焰传播速度通常是获得1的等价比率与其他参数不变。这意味着更大的火焰传播速度与更大的等价比率(不大于1)。图12显示了一个火焰结构和速度的几何关系。很明显,高频成正比,这是由流速和火焰传播速度。它显示了相同的规律与实验结果。9日火焰条件下显示了一个排污现象,随着锥角太锋利的火焰。因此,锥角4.76度,计算了高频和出口宽度,在8日火焰条件下可以被认为是一个关键的锥角,这将是一个有用的标准,以避免排污现象,虽然实际的人应该更清晰。
(一)
(b)
图(11日)显示了一个积极的流动速度对RDFs的影响,表明反应区与增加流速度逐渐解除。等价比率显示了一个次要的影响见图11 (b)。因此,RDF是独立于高频和流速有关,建议RDF是一个有用的火焰结构的参数。图(11日)也揭示了一个临界流大约15米/秒的速度,导致RDF,至0.5。这是一个指标的化学发光分布。它表明,反应相对聚集的火焰和火焰从燃烧器的出口逐渐分离,而流速增加到15米/秒。应该注意的是,这只是一个粗略的估计。其他一些因素也可能导致RDF,呼吁更多的实验数据和进一步的研究。
5。结论
数值和实验验证的结论,计算机断层扫描的化学发光(CTC)的结构进行了hydrogen-air预混层流火焰进行了使用CTC。幻影研究评估算法艺术的能力。一个精心设计的燃烧器是生成一个稳定hydrogen-air预混层流火焰CTC的实验验证。实验验证是由比较重建结果直接从侧面图像记录。的化学发光强度由CTC领域重建被用来表明火焰结构和研究流速度的影响在火焰结构和等价比率。详细列出了从这项研究中获得的结论如下。
CTC系统燃烧诊断的不确定性决定26.7%在这个工作,它不适合定量分析。然而,重建结果仍然可以有效地表明火焰化学发光的相对分布。它很好的执行CTC的火焰结构的研究技术。
火焰的高度影响流速和等价比率。高频的增加,火焰结构的锥角减少,直到排出的现象出现在一个关键的锥角4.76度。
增加流速度逐渐提高的反应区,而等价比率有轻微影响。
应该注意的是,CTC技术仍未显示精度高的火焰结构强度梯度大的地区,要求进一步优化。此外,CTC的扩展方法重建复杂的三维湍流火焰也需要在下一步。
相互竞争的利益
没有利益冲突有关。
确认
作者想表达他们的感谢中国国家自然科学基金委的支持(授予号。11272351和11272351)。