基于虛擬光線再投影方法的激光吸收光譜燃燒場二維重建研究

那奕君，李 寧，黃孝龍，翁春生

南京理工大學瞬態物理國家重點實驗室，江蘇 南京 210094

引 言

燃燒火焰的溫度及其組分濃度是燃燒過程中非常重要的兩個參數，表征了燃燒效率高低，發動機性能的優劣等[1]。 開展燃燒場溫度和組分濃度的二維分布重建研究對提高燃燒效率，改良發動機設計等具有重要意義。 可調諧半導體激光吸收光譜技術(TDLAS)具有靈敏度高、響應速度快、可靠性和環境適應性強等優點，已經成功應用于氣體溫度、組分濃度等參數測量，并通過與CT技術相結合實現氣體多參數二維重建。

代數迭代算法(ART)在不完全投影時依然能獲得較好的重建結果因而被廣泛用于研究燃燒場氣體二維分布[2]。 例如美國弗吉尼亞理工大學Ma等[3]采用50 kHz測量頻率，在垂直和水平方向分別布置15條光線對15×15網格J85航空發動機出口處300～2 300 K氣體(H2O)溫度進行了重建。 Xia等[4]提出兩步迭代算法，采用5×6光線布置方法選取7 154.354/7 154.353 cm-1和7467.769 cm-1H2O吸收譜線對該重建算法進行了驗證，結果表明在無噪聲的情況下對于劃分成11×11網格的單峰燃燒場重建誤差小于0.1%。 Wang等[5]采用4個投影角度，每個投影角度6條光線的方式，測量了不同平面火焰溫度和濃度分布，數值分析表明在吸收信號存在3%的噪聲條件下仍可以得到重建結果。

在利用ART算法進行燃燒場二維重建時，目前主要存在的難點在于： (1)由于測量條件的限制，測量光線數量遠少于測量區域網格數量，即投影數量遠小于未知數數量，因此重建方程對應的矩陣條件數過大，如Ma等的對J85航空發動機進行測量的光線布置條件下方程條件數為8.6×1014。……