基於雷射散射機理及CCD成像的蒸汽濕度測量方法研究

《基於雷射散射機理及CCD成像的蒸汽濕度測量方法研究》是依託長沙理工大學，由黃竹青擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於雷射散射機理及CCD成像的蒸汽濕度測量方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：黃竹青
• 依託單位：長沙理工大學

項目摘要

如何實現汽輪機末級蒸汽濕度與水滴粒徑的高精度、線上和實時測量，至今仍是一個世界性的技術難題，國內外諸多研究人員做了大量工作，但目前仍沒獲得一種高效和可靠的測量方法。本課題研究目標是基於雷射散射理論和CCD成像技術實現對蒸汽濕度的實時測量。主要研究內容包括：（1）基於汽輪機末級低壓汽缸的內部結構，根據兩相流理論、相似理論和射流理論，研製濕蒸汽發生器實驗台；（2）採用兩相流理論和蒸汽凝結成核以及水滴生長理論，就濕蒸汽發生器中蒸汽濕度分布進行數值模擬研究；（3）基於米散射理論研究雷射波長、測量角度、水滴粒徑、水滴數密度等參數對散射光強分布的影響，建立散射光傳輸和測量模型；（4）根據米散射理論，通過建立散射光強分布與濕度參數的經驗模型，實現對實驗數據的實時處理；採用分形理論從濕蒸汽散射光分布圖像中重建濕蒸汽中水滴顆粒的三維分布。 本課題研究成果將為汽輪發安全經濟運行、故障診斷提供全新技術支持。

結題摘要

基於雷射散射和CCD成像的蒸汽濕度高精度線上測量技術是極具套用前景的含微粒流體工質參數測量技術。開展本項目研究是為了弄清蒸汽水滴的光散射及測量的機理和規律，解決散射光圖像高精度獲取、濕度參數反演及線上處理和等難題，以便提高CCD散射測量的精度和環境適應性。本項目基於汽輪機末級低壓汽缸的內部結構，根據兩相流理論、相似理論和射流理論，研製了蒸汽濕度測量實驗台，改進和最佳化了測量系統，構建了蒸汽測量系統模型及硬體結構框架，完成了系統硬體設計和軟體設計開發，使模擬的濕蒸汽環境更接近於真實的汽輪機工作環境，提高了系統測量的準確度；基於雷射散射原理，設計和最佳化了散射體模型，建立了基於後向異軸角散射法的蒸汽濕度測量模型；採用兩相流理論和蒸汽凝結成核以及水滴生長理論，對蒸汽濕度分布進行了理論分析和數值模擬，獲得了蒸汽濕度分布和水滴濃度特徵；基於Mie散射理論，研究了入射光光強、雷射波長、測量截面、散射光接收角度、水滴粒徑分布、水滴數密度等參數對散射光強分布規律的影響，建立了散射光傳輸、測量模型和散射光強分布參數模型，獲得了微粒群散射相函式與散射角關係，以及散射係數、消光係數、吸收係數之間的關係；通過建立散射光強分布與濕度參數的經驗模型，實現了實驗數據的實時處理，並通過對不同雷射波長、水滴粒徑和密度分布等條件下的散射相函式分布進行數值模擬反演尋優，獲得了蒸汽濕度分布測量過程中尺寸參量、質量中間半徑和散射光接收角度等因素對水滴群散射光強分布的影響規律，重建了濕蒸汽中水滴顆粒的三維分布；研究了單波長/雙角度測量蒸汽濕度的方法，揭示了各個截面在不同工況下的散透比和水滴質量中間半徑的變化規律，並通過實驗測量獲得了變工況下蒸汽濕度變化曲線，驗證了蒸汽測量系統的可行性和有效性，為將雷射散射和CCD成像技術運用於蒸汽濕度測量上提供了理論指導和技術支持。