基于偏振光场成像理论的含非规则粒子火焰温度场重建

High-temperature combustion exists in a large number of devices such as gas turbine, internal combustion engine, utility boiler and rocket engine, etc. The three dimensional flame temperature field is the significant parameter to characterize the combustion devices. They will directly affect the design index of equipment operation and the approach to achieve the index. Thus accurate and current measurement of the three dimensional temperature of flame is indispensable. This research focus on the mechanism of polarized characteristics of high-temperature flame flow field containing various kinds of irregular particles and reconstruction of temperature and physical parameters field utilizing polarized light field information in complex participating media,via theoretical analysis, numerical calculation and verification of experimental principle. It is supposed to obtain targets as follows: demonstrating the mechanism of anisotropic polarized characteristics of irregular particles; proposing the method to measure polarized light field using microlens array and clarifying the mechanism how the interior structure of light field camera affect polarization information; developing the model of flame temperature reconstruction based on polarized light field information and anisotropic radiative physical field on the basis of existing inverse algorithm. The numerical study of large-scale flame temperature reconstruction will be perfected further and the related disciplines and technologies, such as, radiative heat transfer, calculation of radiation, optical radiation and instrumental optics, will be promoted through the above research.

对于燃气轮机、内燃机、电站锅炉、火箭发动机等高温设备，燃烧火焰的三维温度场是表征燃烧设备的重要参数，会直接影响设备运行的设计指标和达到设计指标的途径，因此准确、在线测量其三维火焰温度场便十分必要。本课题通过理论分析、数值计算及实验原理验证等手段，研究含有各类非规则粒子的高温火焰流场的偏振特性产生机理及利用偏振光场信息的复杂参与性介质温度场、物性参数场重建问题。通过研究，拟实现以下研究目标：揭示非规则粒子的各向异性偏振特性产生机理，建立三维复杂高温火焰流场的辐射特性计算模型；提出利用微透镜阵列的偏振光场信息测量方法，厘清光场相机内部结构对偏振辐射信息的作用机理；在现有反演算法的基础上，发展基于偏振光场信息并结合各向异性辐射物性场的火焰温度重建计算模型。通过本课题的研究，可进一步实现对大型火焰温度场重建工作的数字研究，促进辐射传热学、计算辐射学、辐射光学、仪器光学等相关学科及技术的发展。

对于燃气轮机、内燃机、电站锅炉、火箭发动机等高温设备，燃烧火焰的三维温度场是表征燃烧设备的重要参数，会直接影响设备运行的设计指标和达到设计指标的途径，因此准确、在线测量其三维火焰温度场便十分必要。本课题通过Lorenz-Mie理论计算了具有不同介电常数的均匀多分散球体的散射特性；通过T矩阵法研究了不同数量的粒子团聚对于颗粒物的偏振散射特性的影响；通过T矩阵研究了不同数量及介电常数的粒子掺杂对颗粒物的偏振散射特性的影响；为获取光波的偏振态信息，提出了在光场相机中添加体积较小、易于集成的亚波长金属光栅偏振器；优化设计了适用于红外偏振光场成像的嵌入式光栅偏振器的结构及尺寸；进一步设计了2×2像素式偏振器结构，实现了对不同入射光的不同偏振分量进行测量与处理；设计了一种可以实现偏振分束的梯形硅超表面，其偏振分束波段可以通过设计超表面梯形结构单元的具体尺寸来确定；探究了梯形纳米天线偏振相关的连续2π相位调控的机理；发展了针对微透镜阵列误差引起的原始畸变光场的局部校正方法及其优化算法，确定了不同误差情况下测量系统的容许误差范围和校正精度；提出了基于成像环节不确定度的误差自动识别校正系统，实现了高温火焰光场图像的局部几何和灰度校正；针对高温发光火焰光场重聚焦图像分别应用了Lucy-Richardson解卷积法和最近邻域法并提出了二者联合解卷积算法，进而逐步重构得到了相对准确的三维火焰分层温度分布；通过沿火焰轴向区域性划分单层，两层和四层介质，分析了非均匀分布的衰减系数对温度重建效果的影响；研究了不同类型的层流扩散火焰光场图像并采用温度重建方法流程对温度场进行重建，对乙烯层流扩散火焰进行了光场成像数值模拟和实验拍摄其光场图像，获得了温度重建结果。