摘 要

燃烧火焰广泛存在于诸如金属冶炼、军工航空、能源动力、化学生产等各种工业过程中，许多工程技术对温度控制和火焰燃烧有着较高的要求，而辐射热流量是燃烧过程中的重要参数。进行辐射热流的测定，不论是对传热机制的理论研究，还是对于高效清洁利用能源都有着重要意义和价值。

本文基于单反相机的双色测温法，提出了一种非侵入辐射热流测量方法。对单反相机进行标定后，可以通过相机的红绿通道采用双色测温法结合MATLAB处理平台对火焰图像进行数字化处理，通过最小二乘QR分解算法，得到火焰正侧视图的温度场。通过正侧视图温度场近似重建三维火焰体积，基于此，开发了一种三维射线追踪模型对火焰到燃料表面的辐射热流进行计算。基于辐射传热及辐射传递方程，通过对每一条射线的追踪，计算在立体角内每一条射线的辐射传输方程，由每条射线的总辐射贡献计算出辐射热流。

关键词：双色测温；辐射热流；射线追踪；辐射传递

Abstract

Combustion flame widely exists in various industrial processes such as metal smelting, military aviation, energy power, chemical production and so on. Many engineering technologies have higher requirements for temperature control and flame combustion, and radiant heat flux is an important parameter in the combustion process. Measuring the radiant heat flow is of great importance and value for both theoretical studies on heat transmission mechanism and efficient and clean use of energy.

In this paper, a non-intrusive radiative heat flux measurement method is proposed based on the two-color pyrometry of DSLR camera. After calibrating the DSLR camera, the flame image can be digitized through the red and green channels of the camera using the two-color pyrometry combined with MATLAB processing platform. The temperature fields of the front view and the side view of the flame can be obtained through the least square QR decomposition algorithm. The three-dimensional flame volume is approximately reconstructed by the two temperature fields. Based on this, a three-dimensional ray tracing model is developed to calculate the radiant heat flow from the flame to the fuel surface. Based on radiation heat transmission and radiation transmission equations, radiation transmission equation of each beam in a solid corner is calculated by tracking each beam, and the radiation heat flow calculated from the total radiation contribution of each beam.

Key Words：two-color pyrometry；flame heat flux；ray tracing；radiation transmission

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文研究内容 3

第2章 基于单反相机的双色测温原理 5

2.1非侵入式测温 5

2.1.1声波测温法 5

2.1.2光谱测温法 6

2.1.3辐射测温法 6

2.2双色测温法原理 7

2.3基于单反相机的双色测温法原理 7

第3章 火焰图像处理 9

3.1数字图像采集与通道分离 9

3.2灰度转化 11

3.3图像去噪 13

3.4图像分割 14

第4章 非侵入式火焰温度和辐射热流测量 17

4.1测温系统 17

4.2火焰温度场重建 19

4.2.1火焰燃烧成像 19

4.2.2相机标定 19

4.2.3网格划分 21

4.2.4逆问题求解算法 23

4.2.5温度场重构 24

4.3炭黑浓度场重建 26

4.4辐射热流射线追踪模型 29

第5章 总结与展望 31

5.1总结 31

5.2展望 32

参考文献 33

致谢 36

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

燃烧火焰广泛存在于诸如金属冶炼、军工航空、能源动力、化学生产等各种工业过程中。许多工程技术对温度控制和火焰燃烧有着较高的要求，例如高速轧钢过程中对温度的控制测量，航空火箭发射时对发动机温度的监测，高炉炼铁时对温度的控制要求。同时，火焰的温度直接影响着火焰的高度、宽度、种类和烟尘浓度等火焰特性，它是与燃烧装置的性能密切相关的火焰最为重要的特性参数之一。在国家大力倡导环境保护政策的21世纪，提高燃烧效率，减少对环境的影响是大势所趋。各行各业的需求推动着火焰燃烧诊断技术的发展，为了更加深入的了解火焰，对火焰的扩散机制、火焰温度的测量以及火灾行为的量化一直是研究的重点。从根本上说，只有当燃烧区域和非燃烧区域之间存在“通信”时，火焰才会蔓延，这种通信的形式可以是热传导、热对流或热辐射^[1]。火焰的扩散机制由该过程中的各种传热模型所控制，但不论是哪一种模型，都是以每单位面积的热通量为基础。因此，从火焰到燃料预热区的热流得到了广泛的研究。

为了对火焰温度和热流进行测量和监测，过去已经发展了许多测量火焰温度的技术。使用物理探针（如热电偶、电阻温度计和充气探针）的接触测量方法易于实现，但存在明显的缺点，包括侵入感测、响应迟钝和单点测量。基于激光的光学方法，如分子的激光诱导荧光和激光散射，能够快速、准确地捕获温度分布。但由于测量原理和系统结构的复杂性，它们不适合于工业应用中的常规操作。声学测温是基于声音在不同介质中以不同速度传播的事实。这种方法有利于捕捉较大空间内的温度分布，但得到的空间分辨率较低。由于光学辐射测温系统结构简单，空间分辨率高，系统响应快，成本相对较低，已成为测量火焰三维温度的一种实用方法。近年来，光学传感器不断发展，光学图像技术和电子技术的结合不仅广泛应用于遥感、航空、医学等专业领域，也充分应用于日常生活诸如摄影、可视会议等方面。此外，得益于计算机技术的发展，数字图像处理技术也在不断发展，越来越多的应用于工业和生活的方方面面。