利用化学发光计算机断层扫描（CTC）对湍流工业火焰进行三维瞬时重建

摘要

利用化学发光计算机断层扫描技术(CTC)首次重建了大功率工业火焰的瞬时三维(3D)化学发光场，并使其具有可光学性。重建使用了24个同时测量的投影，在一个平面上等距，总扇形角度为172.5°。通过绘制垂直和水平切片来检查3D结果，以良好的清晰度显示高度褶皱结构。该结果是CTC应用于湍流气体火焰的一系列实验证明之一。这项工作揭示了使用任何类型的发光测量的潜力，例如燃煤火焰中被加热的粒子的发射，以直接在3D中分析火焰形状。

1.导言

煤炭等化石燃料的使用仍然是当今发电的主要来源，并可能在未来几十年继续如此。然而，传统的煤炭燃烧伴随着有害的污染物，扰乱我们的环境，导致全球变暖。因此，越来越多的科学努力和投资被用于开发更清洁、更有效的燃煤技术。在这种情况下，需要对相关火焰采用先进的监测技术，这些火焰通常是紊流的、固有的不稳定的和三维(3D)的。因此，瞬时体积数据是深入了解此类火焰的关键，有助于优化煤炭燃烧效率与能源和污染物的产生。火焰的形状和膨胀以及时间波动，例如燃烧不稳定性，都是有助于开发和优化所涉及的热过程的重要信息。

目前已有几种非侵入式火焰诊断技术，如基于激光的技术，这些技术最初是为了传递平面信息而开发的。原则上，可以利用高速摄像机、激光和旋转镜子等复杂实验，从多个准瞬时光片测量中获得有关物种和温度的时间解析3D信息[1，2］.尽管如此，这种方法是非常昂贵和具有挑战性的。另一方面CTC技术[3.，4]至少可以在三维中直接计算瞬时空间和时间解析的火焰形状信息，使用相对简单和成本较低的安排。CTC采用火焰化学发光测量，因此不需要外部光源照明。由于化学发光发生在靠近反应区的区域，重建的三维化学发光场可以揭示火焰传播和起皱、火焰方向、涡脱落和破裂、射流进动和再循环以及局部淬火等重要几何特征。原则上，任何类型的排放测量，如Hossain等人所证明的火焰中加热烟尘颗粒的排放[5]可以与CTC一起使用。到目前为止，我们对气态火焰的关注证明了CTC的能力，并为将该技术应用于燃煤燃烧做好了准备。在燃煤燃烧中，加热的煤炭颗粒排放的气体将用于体积火焰重建[6］.CTC最初是由Floyd开发用于重建气体火焰的瞬时化学发光场[7，并被证明可以使用普通相机工作。它最初是使用几个幻像进行测试的(与它们的重建进行比较，以量化分析重建质量)。一些火焰实验，其中一个摄像机围绕稳定的火焰旋转[8或镜子捕捉到10个火焰化学发光图像用于重建[3.)。

我们已经建立了一个新的设置，包括24个低成本(<€600)和轻量(< 90 g)单色CCD相机，用于CTC对一系列不同的火焰的应用。它首先被应用于准稳态[9和不稳定的本生灯火焰[10]，以及湍流漩涡火焰[4在我们学院内。为了证明该技术在当前阶段的多功能性，我们在埃森的Gas- und Wärme-Institute (GWI)上进行了安装，重建了一个大功率工业燃烧器火焰的化学发光场，使其易于获得。三天之内，在燃烧器周围完成了安装和火焰重建，揭示了火焰形状的信息，这是第一次在本文中提出。

2.CTC技术

CTC使用从不同角度获得的多个测量值（以相机图像的形式）直接计算瞬时三维化学发光场围绕对象，如图所示1．像素(或投影)的总数 ，在同一角度获得的一个摄像机图像中 ，形成一个视图q，具有总数的观点。在摄像机像素上检测到的光谱密度对应于沿通过探头体积的光线路径发射的光的总和(视线投影)。这是基于基本辐射传递方程(RTE)，该方程将沿射线路径的辐射强度变化与局部吸收和体积发射联系起来[11，12］.在CTC中，忽略了散射和重吸收，简化了RTE。投影测量通过三维场近似为一个有限和，也就是说，离散成一个总数体素(1).在(1）表示每个体素的贡献到视图q的视线投影p和 为要重构的标量场。 使用投影测量的CTC算法基于迭代代数重建技术(ART) [13]。相机光学系统通过简单的光线跟踪表示进行建模，并采用非平行光线来考虑透视效果。这意味着光线作为焦距的函数扇出，并作为焦距的函数覆盖聚焦在焦平面上的大体积，因此需要在3D中进行直接重建，与之相反在二维重建中，投影光线也考虑模糊效应，考虑到有限的景深。对于重建过程，测量投影。与通过当前迭代估计领域的等效预测进行比较 ，在哪里表示当前迭代步骤。假设在一次迭代到下一次迭代的场向量和的绝对差低于阈值时，重构收敛 ．的价值是由用户选择的，通常在和 ．深入的算法细节和初始的广泛参数幻影研究可以在[3.，7，8］.

3.实验装置

使用了一个标准的工业燃烧器，通常用于加热过程的目的。燃烧器模块化，可配置不同的喷嘴配置。这里使用的陶瓷喷嘴的出口直径为 65毫米长 300毫米。燃烧器未被包裹，预混燃烧气体由天然气(90 mol%甲烷)和大气条件下的空气组成。在陶瓷喷嘴内实现预混合。获得了热功率分别为83 kW和105 kW的火焰的化学发光图像。完整的试验条件如表所示1．

如图所示1，共= 24个CCD相机(Basler acA645-100gm含索尼ICX414单色传感器，尺寸为9.9,659 × 494像素9.9μm） 安装在一个板上，具有恒定的角度间隔 在燃烧器周围的总风扇角度为172.5°的一个平面内7.5°。摄像机安装采用与燃烧器固定距离处的预置孔和上述角度分离。一个背光针孔，安装在旋转台上，测量与内部的角度0.5°精度，放置在燃烧器位置。相机对准是通过首先将点光源排列到相机1上，并连续旋转7.5°来指向其余的相机。每次调整相关相机，以确保光点的图像落在相机图像的中心像素上。我们在之前的工作中检查了这种相机对准方法的充分性[4］.

在> 60%时，相机的光谱响应在400 ~ 680 nm之间。使用koa C-mount透镜(焦距12mm)。每台相机都装有一个光学滤光片(Schott BG40)，以消除对发出近红外和红外范围光线的热加热水的检测。这些图像是通过捕捉所有其他激发物种发出的信号而拍摄的，其中最突出的是CH(约430 nm₂ (约515 nm)和宽带CO₂ ．数字2说明了摄像机的光谱响应和所用滤波器的传输曲线。向所有摄像机发送一个触发信号，并通过连接到控制和评估计算机的两个以太网交换机（千兆智能TL-SG24P）同时进行图像读取。这里使用的层析成像装置与最近用于重建湍流漩涡火焰的装置相同[4］.

人们的兴趣在于降低相机的曝光时间尽可能地减少运动模糊，以便更好地解决火焰结构。洞口设置为最大的开口尺寸，1.4、曝光时间为 是女士使用。火焰测试结束后，各摄像机直接获取背景信号(无火焰场景)图像。背景校正采用从火焰图像中减去背景图像像素强度的方法。

4.火焰的三维瞬时重建

火焰的所有24个视图都被用于重建。火焰图像的像素分辨率为0.8毫米，在水平和垂直方向上分别包含164 × 168像素(每视图提供27,552个投影测量值)。三维重建域由164 × 164 × 168体素构成坐标如图所示3..在一个瞬时时间内，在不同角度获得的火焰图像示例如图所示4．

图中显示了重建的83 kW火焰的体积渲染视图和iso表面，用于不同的时间实例，特别是选择用于显示大尺度结构在水流方向上的脱落5．在一个案例中, ，图中还显示了另外两个随机角度下的两个倾斜视图。从与任何原始视图角度不一致的角度观察场非常重要，因为这些角度将偏向于更好的重建质量。

燃烧器上方不同高度的水平切片的例子 ，重建场的垂直切片如图所示6和7,分别。同时提供了瞬时火焰和时间平均火焰的数据(平均值是从100个瞬时快照中计算出来的)。由于只从垂直方向提供给算法信息，因此从重建场中检查水平切片是一个特别严格的测试。图中的切片6显示良好的重建质量，不显示低质量CTC结果中常见的伪影，如穿过该区域的平行线。瞬时切片显示，从非常靠近燃烧器出口处，火焰高度褶皱。平均火焰重建显示出预期的平滑形状但由于火焰是非常不稳定的（正如在实验中观察到的），大概需要100多个瞬时快照来产生一个完全对称的场。两种不同动力的火焰之间似乎没有明显的区别。

5.结论

首次使用CTC技术重建了GWI中高度紊流和不稳定的工业燃烧器火焰的化学发光场。CTC技术包括24个低成本CCD相机(用于捕捉火焰的化学发光)的实验装置，以及一种包括非平行透视校正投影的层析算法。通过观察重建场的体积渲染视图和不同的水平和垂直切片，可以看到瞬时重建中的褶皱火焰形状和时间平均情况下的平滑场。结果表明，低成本和通用的CTC技术可以获得良好的重建质量，证明它是一种实用的火焰成像方法。不同时间点的重建结果表明，火焰在下游方向释放了大规模的结构物。

数据可用性

所有用于手稿制作的数据，包括原始火焰图像和重建场，都可以在我部门专门分配的硬盘中获得，可以不受限制地访问。

披露

这项工作在布拉格(2017年10月)举行的欧洲科技合作委员会工业成本行动1404第三次大会和研讨会上提出。

利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢Ministerium für Innovation、Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen的资助，以及杜伊斯堡-埃森大学开放获取出版基金的支持。

参考文献

1. B. Peterson, E. Baum, B. Böhm, V. Sick, A. Dreizler，“内燃机温度分层的高速PIV和LIF成像”，燃烧研究所论文集，第34卷，第2期，第3653-3660页，2013年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
2. K.Y.Cho、A.Satija、T.L.Pourpoint、S.F.Son和R.P.Lucht，“利用扫描平面激光诱导荧光系统进行多相燃烧的高重复率三维OH成像，”应用光学，第53卷，第53期3, p. 316,2014。浏览：出版商的网站|谷歌学者
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8. J. Floyd和a . M. Kempf，“化学发光的计算机断层扫描(CTC):基质燃烧器的高分辨率和瞬时三维测量”，燃烧研究所论文集，第33卷，第1期，第751-758页，2011年。浏览：出版商的网站|谷歌学者
9. K.Mohri和A.Kempf，“准稳态预混合火焰三维重建的化学发光计算机断层扫描”，年在燃烧研究所(英国分部)的会议，演讲和海报，伦敦，帝国理工学院，2014年。浏览：谷歌学者
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11. J. R. Howell, R. Siegel，以及m.p. Mengüc，热辐射传热， CRC Press, Taylor & Francis Group, Boca Raton，佛罗里达州，美国，5版，2010。
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版权

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