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当今世界,人类利用的能量主要来源于各种矿物燃料的燃烧。地球上的矿物燃料是一次性能源,它的储量有限,因此,如何高效清洁地燃烧各种燃料是许多科技工作者的目标。尤其在目前环境保护和能源危机的双重压力下,这种要求更是迫切。 燃烧过程中,存在许多物理化学参数的变化。在这些参数中,温度无疑是最重要的参数之一,它不仅是燃烧能否发生的主要决定因素,也是决定燃烧效率的重要因素。无论在燃烧学还是燃烧工程应用中,了解燃烧过程中温度变化都具有十分重要的科学意义。 在现有的许多火焰温度测量方法中,无论是传统的接触式测量方法,还是近年来发展的光学方法,均不能实观火焰温度两维,甚至三维分布的测量。发展一种新的火焰温度分布测量方法成了当务之急。现在计算机断层扫描摄影(Computed Tomography,简称CT)技术已经成功地应用于临床中。借鉴此技术的基本概念,利用介质吸收辐射现象,结合CT技术,本文引入了火焰温度两维分布的新测量方法—吸收发光CT法。此技术应用于实际,有可能使燃烧科学出现重大突破。 作为物理学理论基础,本文首先介绍了气体红外辐射和吸收、分子光谱等方面基础知识,在此基础上,推导出火焰辐射和吸收的基本性质,并给出了实用的计算公式。作为数学理论基础,本文详细介绍了由投影重建图像的数学方法,并结合测量系统实际,推导出适合于计算机实现的数值计算方法。在此基础上,推导出火焰温度分布吸收发光CT法测量原理公式。 为验证上述测量原理的正确性和可行性,建立了吸收发光CT法火焰温度测量系统。利用该系统对稳定平面预混火焰和重复性好的非稳定火焰—定容燃烧弹内火焰温度分布进行了实验测量研究。实验结果表明测量值同理论分析值和其它测量方法得到的测量值吻合得比较好,系统具有较高的测量精度,从而证明测量原理正确,其技术路线是切实可行的。此外,实验系统具有资金投入少、设计合理、操作方便等优点。 到目前为止,对CT技术测量火焰温度的误差定量分析尚嫌不足。本文首次从计算算法和实验系统两方面全面分析了各个因素对测量精度的影响。在理论分析基础上,选择了具有最佳测量精度的窗函数和卷积函数,并对算法进行了改进,提高了计算精度;对实验系统各部分对测量精度的影响也进行了定量分析。上述工作为进一步优化实验系统奠定了理论基础。 最后,对全文进行了总结,并指出今后研究工作重点。指出:①瞬时得到各方向的投影是此技术实用化关键;②在获得温度分布信息基础上,进行必要的假设和推导,能同时得到火焰中某特定组分浓度的分布,这必将进一步我们对燃烧本质的理解;③利用方向性好,辐射强度高的激光源代替常规的黑体炉,能得到辐射干涉投影图像,这样就能测量所介绍系统不能测量的发光火焰温度分布。