可见光-红外光谱联合诊断在氢掺混甲烷火焰中实现炭黑、H2O和CO2多参数同步重构

本文提出了一种可见光与红外光谱联合检测方法，实现了氢掺混甲烷火焰中气固组分（炭黑、H2O、CO2）浓度与温度场的同步重构。通过可见光波段反演炭黑浓度与温度分布，在红外波段扣除炭黑辐射贡献后，采用集成光谱带比（ISBR）方法精准重构H2O和CO2浓度场。实验表明当氢掺混比为50%时，火焰平均温度从1410K降至1205K，炭黑体积分数仅为纯甲烷的十分之一，为清洁燃烧诊断提供了创新技术方案。

　　

重建原理

给定高度火焰的示意图如图2所示。本研究将火焰沿径向划分为等间距的环形网格，假设每个网格的特征参数均匀分布。相机传感器接收的光谱辐射强度可表示为沿相机视线的网格辐射源项路径积分。

在高光谱相机的25个波长中，考虑气体吸收和炭黑辐射特性，选取特定波段进行重建。

火焰温度和炭黑体积分数分布

本研究使用高光谱相机拍摄层流火焰的灰度图像和辐射强度图像，进而计算炭黑体积分数和火焰温度。图4显示了三种氢掺混比下的火焰图像以及九个代表性波长下的辐射强度图像。可以观察到，随着氢掺混比的增加，火焰高度和辐射强度逐渐降低，而火焰形状也发生变化。

结论

本研究提出了一种同时测量层流火焰中气固组分和温度的方法。在可见光谱范围内，讨论了火焰温度和炭黑体积分数随氢掺混比的变化。在红外光谱范围内，通过扣除炭黑的辐射贡献，确定了H₂O和CO₂浓度随氢掺混比变化的情况。主要结论如下：

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  （1）本研究提出了一种...