·1070* 工程科学学报，第37卷，第8期 过程顺利进行的保障.高炉风口回旋区中是一个非常 复杂的高温燃烧过程，在高炉煤粉喷吹和高速鼓风生 产条件下，风口方向焦炭颗粒一方面在高温气流的带 动下作回旋运动，另一方面焦炭燃烧并不断和气流进 电荷耦合器件 行质量和热量交换.文献]通过建立回旋区内非等 摄像机 拍摄的虚假面 温流动的方程组来模拟高炉内热量交换从而获得颗粒 质量变化和温度变化.但是这种方法边界条件难以确 图1高炉回旋区简化图 Fig.I Simplified diagram of a blast furnace raceway 定，方程也很复杂，计算上难度较大.另一种方法是采 用热电偶通过接触式测温来获得风口回旋区内某一 将高炉回旋区可分为a×b×c个像素，则有 点温度.这种方法测得的温度精确度高，但是插入的 亚=4-上 水冷枪可能会对温度分布造成一定的影响，而且测 a b c (2) 得的只是某一点的温度，不能得到高炉内较为全面 为减少计算的复杂度而又不影响整体温度的测量，将 的温度场回 长、宽、高各10个像素长度作为一个体积单元对高炉 近几年来，随着光电技术、计算机以及图像处理技 回旋区进行分块，其中每个体积单元块被看作是温度 术的发展，基于电荷耦合器件(CCD)的非接触式火焰 相同的，介质吸收系数以及颗粒密度分布均匀的区域 燃烧监测和分析系统成为国内外燃烧诊断的一个新的 不少学者针对高炉回旋区内介质的运动状态建立 研究方向.Yang等同、Luo等、王飞等利用电荷耦 了相应的回旋区宽度和风口直径以及回旋区深度之间 合器件摄像机拍摄的辐射图像对电站锅炉的温度场问 的数学关系模型-，借此我们仿真一个回旋区大小 题进行了重建研究.在对高炉回旋区温度场研究中， 为2.0m×2.5m×3.0m的高炉，通过电荷耦合器件摄 文献6]中用常用的双色测温法得到了高炉诊断面的 像机最终获得一个200×250像素的回旋区目标平面 二维温度场：但是由于高炉内含有吸收、发射和各向异 图像，根据式(2)以及假设条件可将回旋区分成20× 性的散射介质，如焦炭颗粒和煤粉，通过安装在风口直 25×30个体积单元块.我们令N是高炉内总的体积 吹管窥视孔的电荷耦合器件摄像机所拍摄得到二维辐 单元总数目，则N=20×25×30=15000:令电荷耦合 射图像其实是炉内整个三维空间温度场的累积.所以 器件摄像机目标平面被分成M个像素，则M=200× 对于高炉内三维温度场的重建是一门非常关键且有意 250=50000.由于回旋区内存在多组分、不均匀、能够 义的工作.文献H0]采用了蒙特卡洛方法对高炉内 产生发射、吸收和散射以及各向异性的气体一颗粒多 辐射传热进行模拟，获得了比较理想的三维温度场 相物质，所以高炉内所有体积单元都有可能对摄像机 本文考虑到辐射传热与距离具有一定的关系，提 目标平面的辐射能产生影响，所以我们建立如下等式： 出了一种基于距离的高斯函数来模拟高炉内存在大量 6∑E=G (3) 介质的辐射传热过程.从而获得了比较稳定的三维温 度场，并通过误差分析检验温度场的有效性，与蒙特卡 式中，E,代表高炉空间内第i个体积单元传到电荷 洛方法相比精准度更高 耦合器件摄像机辐射图像中第广个像素的辐射能，G 是电荷耦合器件摄像机辐射图像的第j个像素的灰度 1重建温度场 值，代表∑E,到G的关系映射，i=1,2,…,N,j= 1.1分析建立模型 1,2,…,M 为了计算方便，我们将高炉回旋区假设成一个宽 令高炉空间内第i个体积单元温度为T,发出的 度为W,高度为风口直径H,深度为L的立方体，如图1 辐射能为E,则E,与温度T,的关系通过下式网得到： 所示.在高炉运行过程中，我们通过电荷耦合器件摄 像机拍摄的火焰图像是根据调节摄像机参数所获得某 E:=4A(ad+api）· cA-ep(-)d 一个假设的虚假面的发光火焰辐射图像，然后通过图 (4) 像采集卡输入到计算机内得到高炉内火焰的数字 图像 式中：△V:是高炉空间内第i个体积单元的体积α，和 α：分别是高炉空间内第i个体积单元气体吸收系数 假设我们通过电荷耦合器件摄像机拍摄的二维火 和颗粒吸收系数，由于气体辐射吸收对波长具有明显 焰数字图像像素为a×b,对应回旋区的宽度W,风口 的选择性，故在电荷耦合器件摄像机可见光响应范围 直径H,则有 内可以忽略C0,等气体对辐射能的吸收，即&，=0，而 W H (1) 对于单元内的煤粉焦炭大颗粒，将其看作灰体，其辐射 a工程科学学报，第 37 卷，第 8 期 过程顺利进行的保障． 高炉风口回旋区中是一个非常 复杂的高温燃烧过程，在高炉煤粉喷吹和高速鼓风生 产条件下，风口方向焦炭颗粒一方面在高温气流的带 动下作回旋运动，另一方面焦炭燃烧并不断和气流进 行质量和热量交换． 文献［1］通过建立回旋区内非等 温流动的方程组来模拟高炉内热量交换从而获得颗粒 质量变化和温度变化． 但是这种方法边界条件难以确 定，方程也很复杂，计算上难度较大． 另一种方法是采 用热电偶通过接触式测温来获得风口回旋区内某一 点温度． 这种方法测得的温度精确度高，但是插入的 水冷枪可能会对温度分布造成一定的影响，而且测 得的只是某一点的温度，不能得到高炉内较为全面 的温度场［2］． 近几年来，随着光电技术、计算机以及图像处理技 术的发展，基于电荷耦合器件( CCD) 的非接触式火焰 燃烧监测和分析系统成为国内外燃烧诊断的一个新的 研究方向． Yang 等［3］、Luo 等［4］、王飞等［5］利用电荷耦 合器件摄像机拍摄的辐射图像对电站锅炉的温度场问 题进行了重建研究． 在对高炉回旋区温度场研究中， 文献［6］中用常用的双色测温法得到了高炉诊断面的 二维温度场; 但是由于高炉内含有吸收、发射和各向异 性的散射介质，如焦炭颗粒和煤粉，通过安装在风口直 吹管窥视孔的电荷耦合器件摄像机所拍摄得到二维辐 射图像其实是炉内整个三维空间温度场的累积． 所以 对于高炉内三维温度场的重建是一门非常关键且有意 义的工作． 文献［7--10］采用了蒙特卡洛方法对高炉内 辐射传热进行模拟，获得了比较理想的三维温度场． 本文考虑到辐射传热与距离具有一定的关系，提 出了一种基于距离的高斯函数来模拟高炉内存在大量 介质的辐射传热过程． 从而获得了比较稳定的三维温 度场，并通过误差分析检验温度场的有效性，与蒙特卡 洛方法相比精准度更高． 1 重建温度场 1. 1 分析建立模型 为了计算方便，我们将高炉回旋区假设成一个宽 度为 W，高度为风口直径 H，深度为 L 的立方体，如图 1 所示． 在高炉运行过程中，我们通过电荷耦合器件摄 像机拍摄的火焰图像是根据调节摄像机参数所获得某 一个假设的虚假面的发光火焰辐射图像，然后通过图 像采集卡输入到计算机内得到高炉内火焰的数字 图像． 假设我们通过电荷耦合器件摄像机拍摄的二维火 焰数字图像像素为 a × b，对应回旋区的宽度 W，风口 直径 H，则有 W a = H b ． ( 1) 图 1 高炉回旋区简化图 Fig． 1 Simplified diagram of a blast furnace raceway 将高炉回旋区可分为 a × b × c 个像素，则有 W a = H b = L c ． ( 2) 为减少计算的复杂度而又不影响整体温度的测量，将 长、宽、高各 10 个像素长度作为一个体积单元对高炉 回旋区进行分块，其中每个体积单元块被看作是温度 相同的，介质吸收系数以及颗粒密度分布均匀的区域． 不少学者针对高炉回旋区内介质的运动状态建立 了相应的回旋区宽度和风口直径以及回旋区深度之间 的数学关系模型［11--13］，借此我们仿真一个回旋区大小 为 2. 0 m × 2. 5 m × 3. 0 m 的高炉，通过电荷耦合器件摄 像机最终获得一个 200 × 250 像素的回旋区目标平面 图像，根据式( 2) 以及假设条件可将回旋区分成 20 × 25 × 30 个体积单元块． 我们令 N 是高炉内总的体积 单元总数目，则 N = 20 × 25 × 30 = 15000; 令电荷耦合 器件摄像机目标平面被分成 M 个像素，则 M = 200 × 250 = 50000． 由于回旋区内存在多组分、不均匀、能够 产生发射、吸收和散射以及各向异性的气体--颗粒多 相物质，所以高炉内所有体积单元都有可能对摄像机 目标平面的辐射能产生影响，所以我们建立如下等式: fj ( ∑i Ei→j ) = Gj ． ( 3) 式中，Ei→j代表高炉空间内第 i 个体积单元传到电荷 耦合器件摄像机辐射图像中第 j 个像素的辐射能，Gj 是电荷耦合器件摄像机辐射图像的第 j 个像素的灰度 值，fj 代表 ∑i Ei→j到 Gj 的关系映射，i = 1，2，…，N，j = 1，2，…，M． 令高炉空间内第 i 个体积单元温度为 Ti，发出的 辐射能为 Ei，则 Ei 与温度 Ti 的关系通过下式［8］得到: Ei = 4ΔVi ·( αg，i + αp，i )·∫ λ2 λ1 c1λ － 5 ( exp － c2 λT )i dλ ( 4) 式中: ΔVi 是高炉空间内第 i 个体积单元的体积; αg，i和 αp，i分别是高炉空间内第 i 个体积单元气体吸收系数 和颗粒吸收系数，由于气体辐射吸收对波长具有明显 的选择性，故在电荷耦合器件摄像机可见光响应范围 内可以忽略 CO2等气体对辐射能的吸收，即 αg，i = 0，而 对于单元内的煤粉焦炭大颗粒，将其看作灰体，其辐射 · 0701 ·