一種計算聲波在溫度場和流場復(fù)合場中傳播路徑的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種計算聲波在溫度場和流場復(fù)合場中傳播路徑的方法，先利用三角形前向展開法計算得到聲波在溫度場中的出射點，之后計算等腰三角形區(qū)域在流場作用下的偏移變形，根據(jù)溫度場和流場的影響計算聲波入射方向，根據(jù)聲波在溫度場中的出射點及等腰三角形區(qū)域在流場作用下的偏移變形計算得到聲波出射點，根據(jù)聲波入射點、聲波入射方向及聲波出射點得到聲波傳播路徑。本發(fā)明在三角前向展開法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步研究，提出綜合考慮溫度場和流場對聲波傳播路徑影響的新方法，具有算法簡單，占用計算機(jī)資源少，可擴(kuò)展至三維計算的新方法。
【專利說明】
一種計算聲波在溫度場和流場復(fù)合場中傳播路徑的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于聲學(xué)測溫技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種計算聲波在溫度場和流場復(fù)合場中 傳播路徑的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，使得傳統(tǒng)能源（比如火電）與新能源（比如核電、風(fēng)電等） 緊密結(jié)合，共同為我國工業(yè)及居民生活提供電力。在電力能源互聯(lián)網(wǎng)中，調(diào)負(fù)荷的任務(wù)主要 由火電廠承擔(dān)，且我國電力能源大部分都是火電，雖然燃煤機(jī)組技術(shù)不斷發(fā)展，但火電廠的 關(guān)鍵設(shè)備的安全性、可靠性等問題也愈加凸顯。
[0003] 在大型火力發(fā)電廠中，電站鍋爐的燃燒狀態(tài)直接影響到機(jī)組運行的經(jīng)濟(jì)性和安全 性，爐膛內(nèi)溫度場的分布就是確定設(shè)備狀態(tài)的重要參數(shù)之一。爐內(nèi)火焰溫度場的分布直接 影響到燃料的著火、燃盡和污染物的排放量，對鍋爐控制和燃燒診斷具有重要意義。
[0004] 傳統(tǒng)的接觸式測溫方法并不能長期有效監(jiān)控爐膛溫度場分布，非接觸式測溫方法 開辟了爐內(nèi)溫度場的新領(lǐng)域。近十幾年來，聲學(xué)測溫技術(shù)得到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究， 逐漸受到了企業(yè)及科研院所的重視，取得了 一定的進(jìn)展。
[0005] 聲波測溫技術(shù)在鍋爐爐膛上遲遲沒有大面積推廣普及的原因是溫度場重建精度 不夠，盡管國內(nèi)外在提高聲波收發(fā)器、消除背景噪聲干擾等方面進(jìn)行了諸多嘗試，但效果仍 不是很理想，其主要原因就是對聲波在爐膛內(nèi)的傳播規(guī)律等基本問題研究不夠，無法有針 對性的提出理想的溫度場重建算法，因而了解聲波在爐膛中的傳播路徑是十分必要的。
[0006] 傳統(tǒng)的聲波傳播路徑算法主要有角位移法以及直接利用Fermat原理和數(shù)學(xué)捷線 問題進(jìn)行求解等，但這些方法需要求解復(fù)雜的TOE方程組，計算復(fù)雜，而且在三維中實現(xiàn)求 解很困難。三角前向展開法理論基礎(chǔ)是幾何聲學(xué)，在空間中構(gòu)造出三角形（二維問題）或三 棱錐(三維問題），根據(jù)Snell法則確定聲波傳播路徑。當(dāng)我們將三角形取得足夠小時，可認(rèn) 為聲速在此三角形空間中是線性變化的，基于線性聲速場，進(jìn)行代數(shù)迭代計算，可快速得到 結(jié)果。國內(nèi)有學(xué)者根據(jù)三角前向展開法做過聲波在溫度場中傳播路徑的研究，目前還沒有 看到有學(xué)者綜合考慮溫度場和流場對聲波傳播路徑的影響方面的研究報道及文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 發(fā)明目的：采用占用計算機(jī)資源少，快速簡單的方法得到聲波在爐膛溫度場和流 場中傳播路徑，將能極大提高爐膛溫度場的重建精度，實現(xiàn)電站鍋爐長期的準(zhǔn)確的在線檢 測 。
[0008] 技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種計算聲波在溫度 場和流場復(fù)合場中傳播路徑的方法，先利用三角形前向展開法計算得到聲波在溫度場中的 出射點，之后計算等腰三角形區(qū)域在流場作用下的偏移變形，根據(jù)溫度場和流場的影響計 算聲波入射方向，根據(jù)聲波在溫度場中的出射點及等腰三角形區(qū)域在流場作用下的偏移變 形計算得到聲波出射點，根據(jù)聲波入射點、聲波入射方向及聲波出射點得到聲波傳播路徑。
[0009] 包括如下步驟：
[0010]步驟（1):以入射點為頂點做等腰三角形；其中，等腰三角形高的方向與入射方向 一致；
[0011] 步驟(2):計算得到聲波在溫度場中的傳播路徑的圓心坐標(biāo)及半徑;再確定聲波出 射點;所述出射點為聲波在溫度場中的傳播路徑與等腰三角形底邊的交點；所述入射點與 出射點之間的圓弧即為聲波在溫度場中的傳播路徑；
[0012] 步驟(3):根據(jù)流場得到介質(zhì)在等腰三角形三個點的速度矢量，進(jìn)而得到偏移變形 后的等腰三角形底邊兩個端點位置；
[0013]步驟⑷：根據(jù)步驟⑵確定的出射點確定所述出射點分割所述等腰三角形底邊的 比例;從而根據(jù)步驟(3)得到的偏移變形后的等腰三角形底邊兩個端點位置確定聲波實際 出射點；
[0014] 步驟(5):根據(jù)溫度場與流場計算得到聲波實際入射方向；根據(jù)聲波實際入射方 向、入射點以及步驟(4)得到的聲波實際出射點得到聲波在溫度場和流場復(fù)合場中的傳播 路徑。
[0015] 所述步驟(5)中計算聲波實際入射方向如下：
[0017] 其中，為聲波實際入射方向矢量;《為聲波在溫度場中的入射方向矢量;Cin為A 的聲速;^為在流場作用下，介質(zhì)在點A的速度矢量。
[0018] 有益效果:本發(fā)明在三角前向展開法的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步研究，提出綜合考慮溫度 場和流場對聲波傳播路徑影響的新方法，具有算法簡單，占用計算機(jī)資源少，可擴(kuò)展至三維 計算的新方法。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的算法原理圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的算法流程圖。
[0021 ]圖3為本發(fā)明采用的截面模型和聲波入射矢量示意圖。
[0022]圖4為等溫場T = 293.16K;介質(zhì)靜止時的聲波傳播路徑示意圖。
[0023] 圖5為溫度場y = 14()〇xe-]〇和-°5l:Kr-a5):] + 400時的單峰溫度場模型。
[0024] 圖6為在圖5的溫度場下，介質(zhì)靜止時的聲波傳播路徑。
[0025] 圖7為溫度場為等溫場，T = 293.16K;速度場為|^| = 40(?//小方向向量為(〇，-1)時 的速度場模型。
[0026] 圖8為圖7的聲波傳播路徑。
[0027] 圖9為溫度場°5r：+(.V-°.5):] + 400，速度場為'"=40(w/5)，方向向量 為(〇，-1)時的聲波傳播路徑。
[0028]圖10為在圖9條件下，聲波入射方向矢量與x軸正向夾角從零開始每隔^做18條 入射聲波，得到的聲波傳播路徑。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0030]原理圖見附圖1。如圖1所示，首先在爐膛空間中構(gòu)建一個等腰三角形，取此三角形 中介質(zhì)為控制對象，基于三角前向展開法和Snell法則計算聲波在溫度場中的傳播路徑，由 于流場的作用，此三角形控制對象將發(fā)生一定的偏移和變形，據(jù)此修改先前單獨考慮溫度 場的聲波路徑。
[0031]具體算法流程圖見圖2:
[0032] 設(shè)聲波入射點A(xin，yin)，入射方向為).以A為頂點，1為底邊長，h為高做 等腰三角形A ABC，其中高AD的方向和&方向一致，當(dāng)三角形取得合適小時，其內(nèi)部的聲場 就可看作是線性聲速場，在聲速線性變化的空間中，聲線軌跡是圓弧曲線，聲線傳播路徑的 計算就轉(zhuǎn)換為求圓弧曲線方程的數(shù)學(xué)問題，該方法也可同時求出聲波傳播路徑長度和和聲 波傳播時間。三角形內(nèi)部線性聲速場可以表述為：
[0033] c (x,y)= CxX+cyy+co (1)
[0034] 步驟一:先單獨考慮溫度場影響，方法如下：
[0035] 根據(jù)入射點A坐標(biāo)、方向矢量約定本發(fā)明中所有方向矢量都為單位矢量）、高h(yuǎn)和 底邊長1可以確定底邊兩點坐標(biāo)B(X1， yi)和C(X2，y2)，結(jié)合溫度場分布以及 ^(x, v) = z^jT(x.y)可以得到B點和C點處聲速，將三頂點對應(yīng)的聲速代入式（1 )，得到三個方 程，可求解出三個式⑴中系數(shù)CX，Cy，C0。
[0036] 根據(jù)Snell法則，可以求出為圓弧曲線的聲波傳播路徑的半徑為：
(2)
[0038]式中，cin，cB，cc分別為A點、B點和C點聲速。
[0039]為確定臨時出射點E需要先確定：的圓心0。線段A0所在直線方程是：
(3)
[0041]截取|A〇|=R，則點0即是所求圓心。以0為圓心，R為半徑做圓弧溢交底邊于E點， 貝1J點EUc^yout)即是溫度場單獨影響下的聲波出射點，出射方向矢量歹與向量 正交。臨時出射點E與底邊垂足D(xD,yD)的距離為j =.及-，.由此可以求得聲線臨時 出射點坐標(biāo)為： (4) (5)
[0043]計算臨時出射點E分割底邊BC的比例
[0045]步驟二:考慮流場影響，控制對象A ABC將因為流場存在變成A A' (/，修正后的 出射點變?yōu)镋'，出射方向矢量為歹。：
[0046]根據(jù)流場，可以得到介質(zhì)在點A、點B、點C速度矢，由于AABC的大小是自 由設(shè)定的（由h，l確定），為了得到合適的偏移變形后的三角形，定義流場影響大小比例尺
(6) ，可以確定點A'（XA，，yA，），B'（XB，，yB，），C'（xc，，yc，）， 進(jìn)而得到偏移變形后的三角形A A ' B ' C '。
[0049]接下來確定聲波出射點E'的位置，考慮到選擇的三角形控制對象合適小，可以認(rèn) 為E '（Xciut，，yciut，）分割線段B'C'的比例與E分割線段BC的比例相當(dāng)。即
_，所以可以得到E'坐標(biāo) (：7)
[0051 ]接下來需要確定聲波出射點的方向矢量歹。由于最初聲波入射點是點A，所以修正 后的聲波傳播路徑是步。由于流場速度矢量場的影響，聲波入射方向矢量5變?yōu)?br>(8) L0053J根據(jù)點4(^"，5^)，點以&。^，，7。^，）和經(jīng)過流場修正之后的入射方向矢量 )確定圓心0'（XQ，，y〇，），0'是直線A0'與線段AE'的中垂線的交點，其中直線A0'
(9)
[0055] 出射方向矢量歹=與向量= (xc, --.i，_,)正交，進(jìn)而確定
(10)
[0057]至此，由式(7)和式（10)確定聲波出射點位置和出射方向。從而可以最終確定聲波 在溫度場和流場復(fù)合場中的傳播路徑。
[0058]選擇1個lmXlm的正方形作為實驗?zāi)Ｐ停⑷鐖D3所示坐標(biāo)系，以點S(0.2,0)為 聲源發(fā)射點，聲波初始入射向量G-(〇.8，l).為了直觀顯示本發(fā)明算法的正確，選擇以下四種 情況做實驗：
[0059] 1、模型內(nèi)為等溫場T = 293.16K;介質(zhì)靜止，即速度為零。驗證結(jié)果如圖4;得到等溫 場，介質(zhì)靜止時，聲波傳播路徑是一直線。
[0060] 2、模型內(nèi)溫度場和，:+(1-°5r] + 400，溫度場模型如圖5;介質(zhì)靜止，驗 證結(jié)果如圖6;由結(jié)果圖可以看出，聲波傳播路徑不是直線，并且由高溫區(qū)向低溫區(qū)彎曲；由 Snell法則可知，聲線總是彎向低聲速區(qū)域方向。因此，算法結(jié)果和理論結(jié)果一致。
[0061] 3、模型內(nèi)溫度場為等溫場。T = 293.16K，速度場為p| = 40(m/4,方向向量為(〇，_ 1)，速度場模型如圖7,驗證結(jié)果如圖8;由于介質(zhì)的移動，聲波傳播路徑也產(chǎn)生了偏移，與我 們的實際認(rèn)知一致。
[0062] 4、模型內(nèi)溫度場U4〇〇xe-Wx[(T-°'5):」+400 :,速度場為 v =40(講，方向向 量為(0，_1)，驗證結(jié)果如圖9;圖9對比圖6和圖8,在溫度場和流場的共同作用下，聲波彎曲 程度更大，與我們的認(rèn)知一致。
[0063] 在上述溫度場和流場共同作用下，聲波入射方向矢量與x軸正向夾角從零開始每 隔^做18條入射聲波，得到的聲波傳播路徑如圖10。
[0064] 以上說明了本發(fā)明方法能有效應(yīng)用于聲波在溫度場和流場共同作用下的傳播路 徑的計算，為爐膛聲波測溫技術(shù)提供理論指導(dǎo)。
【主權(quán)項】
1. 一種計算聲波在溫度場和流場復(fù)合場中傳播路徑的方法，其特征在于：先利用=角 形前向展開法計算得到聲波在溫度場中的出射點，之后計算等腰=角形區(qū)域在流場作用下 的偏移變形，根據(jù)溫度場和流場的影響計算聲波入射方向，根據(jù)聲波在溫度場中的出射點 及等腰=角形區(qū)域在流場作用下的偏移變形計算得到聲波出射點，根據(jù)聲波入射點、聲波 入射方向及聲波出射點得到聲波傳播路徑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:包括如下步驟： 步驟(1): W入射點為頂點做等腰=角形;其中，等腰=角形高的方向與入射方向一致； 步驟（2):計算得到聲波在溫度場中的傳播路徑的圓屯、坐標(biāo)及半徑;再確定聲波出射 點；所述出射點為聲波在溫度場中的傳播路徑與等腰=角形底邊的交點；所述入射點與出 射點之間的圓弧即為聲波在溫度場中的傳播路徑； 步驟(3):根據(jù)流場得到介質(zhì)在等腰=角形=個點的速度矢量，進(jìn)而得到偏移變形后的 等腰=角形底邊兩個端點位置； 步驟(4):根據(jù)步驟（2)確定的出射點確定所述出射點分割所述等腰=角形底邊的比 例;從而根據(jù)步驟(3)得到的偏移變形后的等腰=角形底邊兩個端點位置確定聲波實際出 射點； 步驟(5):根據(jù)溫度場與流場計算得到聲波實際入射方向；根據(jù)聲波實際入射方向、入 射點W及步驟(4)得到的聲波實際出射點得到聲波在溫度場和流場復(fù)合場中的傳播路徑。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述方法，其特征在于:所述步驟巧）中計算聲波實際入射方向如下：其中，之為聲波實際入射方向矢量；a為聲波在溫度場中的入射方向矢量;Cin為A的聲 速;萬為在流場作用下，介質(zhì)在點A的速度矢量。
【文檔編號】G06F17/12GK105912507SQ201610252158
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月21日
【發(fā)明人】何成洋, 潘蕾, 劉西陲, 沈炯, 李益國, 吳嘯
【申請人】東南大學(xué)