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摘 要

大型火力发电机组中，炉膛内温度场分布对运行状态的诊断及参燃烧的优化控制具有重要意义。声波测温法作为新型的非接触式测量法，可以适应炉内的恶劣环境，给出炉膛平面乃至整个三维温度场的分布情况，具有重要的研究意义。本文从声波测温法的基本理论出发，选择锅炉炉膛作为研究对象，通过有限元与多物理场分析软件COMSOL Multiphysics建立声波传递模型，研究了声波在两个典型温度场——单峰温度场和火山口温度场，以及在单峰温度场和最基本平行背景速度场耦合情况下的传播特性。通过COMSOL采集到的声波发射点和各接收点的声压信号，基于信号相关法求得声波在各路径上的传播时间。并基于Fermat定理，通过微分的思想求得声波在各传播路径上的理论传播时间。将两者进行了比较，验证了COMSOL计算结果的准确性，并进行了相关的误差分析，为以后更加深入的研究声波在多相流介质中，在多物理场耦合情况下的传播特性打下了基础。

关键词：声波测温，温度场模型，声波传播特性，COMSOL

Temperature Modeling And

Experimental Study Of Acoustic

Abstract

In large-scale thermal power generating units, the temperature distribution within the furnace running state diagnosis and parameter optimization of combustion control is important. As a new non-contact measurement method, acoustic thermometry can be adapted to the harsh environment of the furnace. It can give distribution of the plane furnace and even the entire three-dimensional temperature field, which has important significance. This paper starts from the basic theory of acoustic thermometry, selects the boiler furnace as the research object, establish the acoustic transfer model through multi-physics finite element analysis software COMSOL Multiphysics. We studied at two typical acoustic temperature field - a single peak temperature field and volcano mouth temperature field, and propagation characteristics in single peak temperature field and velocity field background basic parallel coupling conditions. By COMSOL’s collecting each voltage signal at acoustic emission point and the sound reception point, acoustic propagation time is obtained on each path based on signal correlation. And based on Fermat's theorem, the theory sonic travel time on each propagation path is obtained by differentiating idea. The two were compared to verify the accuracy of COMSOL calculation results and relevant error was analyzed. All I have done laid basis for the future more in-depth study of propagation characteristics of sound waves in multiphase medium and the under multi-physics coupling conditions.

Key Words: Acoustic temperature measurement; Temperature field model; Acoustic wave propagation characteristics; COMSOL

目 录

第一章 前言 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 声波测温技术发展历史及研究现状 2

1.2.1国外发展历史及研究现状 2

1.2.2国内发展历史及研究现状 2

1.2.3评述 3

1.3本文主要工作 4

第二章 声学测温原理 6

2.1 声速方程 6

2.2单路径测温原理 8

2.3 多路径测温原理 8

2.4 本章小结 9

第三章 基于COMSOL模拟声波在温度场中传播过程 10

3.1温度场声传播模型 10

3.1.1 数学模型 10

3.1.2 几何模型 11

3.1.3 材料 11

3.1.4 边界条件 11

3.1.5 声源 12

3.1.6 网格和时间步长 13

3.1.7 温度场模型 14

3.2 结果及讨论 15

3.3 本章小结 22

第四章 基于声线理论模型的声传播路径和传播时间 23

4.1 声线理论模型 23

4.2 声波路径（声线）分布 25

4.3 声波传播时间 28

4.4 本章小结 29

第五章 结果验证及扩展讨论 30

5.1 声波传播时间对比及分析 30

5.2声波实际传播路径与直线路径对比与分析 31

5.3 在单峰温度场模型基础上添加一均匀平行流场后的实验结果 32

5.4本章小结 33

第六章 结论与展望 34

致谢 35

参考文献 36

第一章 前言

1.1 课题背景和意义

我国经济的腾飞离不开能源行业的大力支持，尤其是电力的供给尤为重要。2013年，我国发电总量为53975.86亿千瓦小时，其中火电发电量为42358.71亿千瓦小时，占极大比重。我国煤炭已探明储量为4万亿吨，储量十分丰富；水能、风能等新兴可再生能源由于自身的局限性，发电量极为有限。所以在目前这种能源格局下，火电仍将在今后很大一段时间里作为电力行业的主力军。为了保障火电厂锅炉的安全运行，炉膛内部必须有一个合理的燃烧情况。如果燃烧工况不合理，煤粉就无法保证充分燃烧，还有可能导致火焰中心偏斜、火焰刷墙，而它们都与炉膛结焦、灭火等运行事故息息相关。只有合理的燃烧工况，才能使煤粉的燃烧最优化，从而提高锅炉效率和能源利用率；只有合理的燃烧工况，才能减少氮氧化物、硫化物等污染源的产生，有利于环境的保护；只有合理的燃烧工况，才能降低锅炉热应力，延长锅炉的使用时间。综上所述，通过相关手段获取锅炉炉膛实时燃烧信息，我们才能通过相关调节使燃烧工况处在一个合理、良好的状态，而这具有重要的意义^[1]。

火电厂锅炉炉膛内部煤粉燃烧会直接影响到内部空间的温度分布，这样我们就可以通过获知炉内温度场的分布来判别燃烧工况的合理性。而锅炉内部燃烧状态非常混沌，可以说是瞬息万变，再加上庞大的空间，这就导致我们很难实时测量炉内温度。这时声学测温技术应运而生。它作为新型的非接触式测温技术的典型代表，可以适应炉内的恶劣环境，可以比较精确的获取整个炉膛空间的温度分布，因而前景广阔。在声学测温技术中，我们只有精确的测量出了声波的传播时间，才能获得真实有效的温度场分布情况。当测量区域的温度梯度不大时，声波基本按直线传播，这时温度场重建的结果与真实值相差无几。而当温度梯度比较大的时候，声波传播路径将产生所谓的“折射效应”。这时如果我们仍然按照声波传播路径为直线来进行温度场重建，所得结果与实际值将有很大的偏差，并不具有应用价值。火电厂锅炉内部的温度场非常复杂，研究不同流场、温度场下声波的传播路径，研究测温补偿算法，对声学测温技术在电厂锅炉中的实际应用具有重要的参考意义。

1.2 声波测温技术发展历史及研究现状

1.2.1国外发展历史及研究现状

早在1687年，就由牛顿最早推导出了声学测温的原理公式，并由拉普拉斯在1817年进行了相关的修缮工作^[2]。但是对声学测温技术的研究和应用的尝试是从上世纪七八十年代才开始出现并逐步发展的。

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