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光谱学与光谱分析 2022年第3期42卷 672-677页

作者：彭吴迪宁甲练陈志莉唐瑾刘礼喜陈林桂林理工大学环境科学与工程学院广西桂林541006 生态环境部华南环境科学研究院广东广州510000

CS_(2)在当今化工等领域占据了重要地位,而CS_(2)火灾污染事故危害性极大。通过研究CS_(2)燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS_(2)燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(... 详细信息

CS_(2)在当今化工等领域占据了重要地位,而CS_(2)火灾污染事故危害性极大。通过研究CS_(2)燃烧火焰光谱辐射以探究其火灾污染特性极为必要。搭建了CS_(2)燃烧火焰光谱测试平台,采用黑体辐射源对VSR仪器进行了标定,通过多用途傅里叶变换(VSR)红外光谱辐射仪测试了5,10和20 cm三种燃烧尺度下CS_(2)燃烧的火焰光谱,并通过热电偶测试了整个燃烧时间段内不同燃烧时刻下的火焰温度,以及在火焰上方安装了烟气分析仪对火焰中的燃烧产物浓度进行监测。测量了CS_(2)整个燃烧时间段内火焰温度,以及不同燃烧时间、不同燃烧尺度下的火焰光谱、燃烧产物组分信息。测试结果表明,CS_(2)火焰中主要含有高温SO_(2),CO_(2),CO气体和空气中卷入的H_(2)O分子,并获取了特征污染产物SO_(2)的浓度。由于现有光谱仪测量分辨率有限,室内实验测量的火焰尺度有限,为了能实现火灾在线监测需要建立一个火焰光谱辐射模型来反演CS_(2)火灾时的污染物浓度相关信息。基于HITRAN数据库可知在2.7μm附近为高温水蒸气的发射峰,4.2μm附近特征峰为高温CO_(2)气体的发射峰,4.7μm附近有CO微弱的发射峰,在7.4μm附近特征峰为高温SO_(2)气体的发射峰,并获得了CS_(2)燃烧时产生的SO_(2),CO_(2),CO和H_(2)O气体在火焰燃烧相同温度下的吸收系数,通过计算得到了CS_(2)燃烧时产生的SO_(2),CO_(2),CO和H_(2)O混合气体的透过率与发射率,并结合气体辐射传输方程、气体吸收系数等方程,创建了CS_(2)燃烧的火焰光谱辐射模型。利用该光谱辐射模型反演了不同燃烧时间下特征污染产物SO_(2)的浓度,并与实验测得的数据进行了对比分析。结果表明,该模型精度高,可用于燃烧产物浓度的定量化反演,SO_(2)分子含量在燃烧时间20,40,60和80 s时的反演精度分别是89.5%,82.5%,85.6%和86.5%。为遥感反演CS_(2)型大尺度火灾中燃烧产物的浓度奠定基础。

关键词：二硫化碳火焰光谱光谱辐射模型气体浓度定量反演

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高温气体特定波段光谱辐射模型

高温气体特定波段光谱辐射模型

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作者：王圣刚哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

对高温气体辐射特性的认识,源于对炉膛内参与辐射换热的高温气体的研究。在有气体参与的高温工程应用中,气体辐射成为重要的传热形式。近年来,能源、冶金、航天、气象等领域,相继出现了针对气体光谱辐射特性的技术应用,如多光谱辐射测... 详细信息

对高温气体辐射特性的认识,源于对炉膛内参与辐射换热的高温气体的研究。在有气体参与的高温工程应用中,气体辐射成为重要的传热形式。近年来,能源、冶金、航天、气象等领域,相继出现了针对气体光谱辐射特性的技术应用,如多光谱辐射测温、红外遥感、目标探测与追踪、红外制导等等。现在已有的光谱辐射模型,大多是以求解一定区域内高温气体辐射换热为目的。它们本质上描述了在不同光谱间隔上,对一定谱带内的气体特性的近似;主要区别是所用的光谱间隔的宽度不同,即由逐条谱线到整个谱带宽度。但是由于对参与性气体的辐射特性认识不足,以及缺乏计算快且精度高的辐射模型,使得建立气体辐射模型的工作非常困难。本文首先对现有的光谱辐射模型进行了分析,然后在气体分子光谱学理论基础上,研究了温度对气体辐射吸收系数的影响;经过大量数据分析得出不同特定谱带上计算吸收系数的通用近似计算公式。以最新的参数数据库HITEMP数据库为基础,用USF HITRAN-PC软件计算特定波段透射率τη,再反推出波段吸收系数,使用拟合公式得到模型参数;研究不同用途的波段中,CO2、H2O及其混合物的吸收系数随温度变化的情况,并运用非线性最小平方法对数据进行拟合得到相应的拟合参数。用拟合模型计算了不同光学厚度下特定波段的谱透射率,结果表明:在光学厚度小于1.0的气体介质中,拟合模型在多数波段计算的结果与逐线计算法较为接近,最大误差不超过20%;而光学厚度大于1.0的气体介质中,两者相差较大。最后用该拟合模型计算了探测火箭尾喷焰的问题,得到了与逐线计算法一致的结果。

关键词：特定波段光谱辐射模型拟合模型气体辐射特性

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低碳化学品燃烧的火焰光谱特性及产物定量反演研究

低碳化学品燃烧的火焰光谱特性及产物定量反演研究

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作者：彭吴迪桂林理工大学

学位级别：硕士

近年来低碳化学品火灾污染事故频发,造成了重大经济损失、人员伤亡及生态环境破坏。空天遥感是快速远距离探测低碳化学品火灾污染的最佳手段,其中特征污染产物浓度的探测是定量识别该类型火灾的主要判据。为了给定量识别低碳化学品火灾... 详细信息

近年来低碳化学品火灾污染事故频发,造成了重大经济损失、人员伤亡及生态环境破坏。空天遥感是快速远距离探测低碳化学品火灾污染的最佳手段,其中特征污染产物浓度的探测是定量识别该类型火灾的主要判据。为了给定量识别低碳化学品火灾污染提供基础,进行了“低碳化学品燃烧的火焰光谱特性及产物定量反演研究”。本文开展了低碳化学品火焰光谱测试实验、燃烧产物的平面激光诱导荧光(PLIF)探测实验,进行了基于PLIF实验的火焰产物浓度场与温度场模拟计算研究,构建了低碳化学品火焰光谱辐射模型,并依据模型进行了火焰产物组分浓度的反演。全文的主要工作、主要结论与创新性成果如下:(1)采用VSR光谱仪开展了近红外-中红外波段范围的多种化学品池火的光谱测试实验。结果表明低碳化学品火焰烟气颗粒少,近红外波段光谱辐射微弱,中红外波段光谱以燃烧生成的高温气态产物分子辐射为主;不同尺度和不同种类化学品混合燃烧产生的火焰光谱,其中乙腈和二硫化碳等火焰的特征污染产物具有单独的发射峰,NO在5.6μm附近存在发射峰,SO在7.4μm附近存在发射峰且不受其他产物特征峰的影响,这些特征光谱信息可用于污染物的探测识别。(2)采用PLIF技术进行了低碳化学品火焰产物组分探测实验,并进行了火焰产物浓度场、温度场的模拟计算。采用CFD仿真模拟对PLIF探测的甲烷-空气火焰的OH基荧光图像进行了标定,获取了荧光强度与产物浓度的定量关系;针对乙腈池火荧光图像进行详细研究,计算其燃烧20s、40s、60s、80s下的特征污染产物NO的浓度场,同时模拟出其他燃烧产物浓度场和火焰温度场数据。(3)建立了基于HITRAN数据库的低碳化学品火焰光谱辐射模型,该模型计算光谱分辨率可达0.1cm以上,并且通过仪器响应函数卷积可得到与实验仪器同分辨率的光谱数据。采用乙腈、二硫化碳等火焰光谱实验数据对该模型进行了验证,结果表明其对火焰的特征峰位置和强度的计算均较为准确,其中在NO特征峰处精确度可达84.9%,在SO特征峰处精确度为86.6%;与Radcal模型计算的光谱辐射值相比,该模型模拟精度提高约10%。(4)采用自行构建的火焰光谱辐射模型反演了火焰中的特征污染产物浓度。选择5cm尺度的乙腈与二硫化碳池火,利用特征波段光谱辐射值对火焰特征产物NO与SO浓度进行了反演计算,结果表明在20s、40s、60s、80s时刻下,乙腈池火中NO的浓度反演精度为76.9%、78.5%、94.7%、81.3%,而二硫化碳池火中SO浓度反演精度更佳,达到了88.7%、85.2%、89.1%、81.3%。

关键词：化学品火焰光谱火焰产物浓度与温度光谱辐射模型产物浓度反演

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