一種離散的四角切圓速度場中聲線追蹤計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于離散的四角鍋爐爐膛速度場中聲線追蹤的領(lǐng)域，是一種基于運動介質(zhì) 中Snell定律的離散四角切圓流場中聲線追蹤計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著國民經(jīng)濟發(fā)展邁入"新常態(tài)"，社會對能源尤其是電力的生產(chǎn)提出了更高的要 求，其安全性、經(jīng)濟性和環(huán)保性備受關(guān)注。目前，國內(nèi)電力的70%左右來自火電，其中尤以燃 煤為主。在大型燃煤鍋爐中，爐膛內(nèi)的溫度場和速度場是反映燃燒過程和設(shè)備狀態(tài)的重要 參數(shù)，不僅對于鍋爐控制和燃燒診斷具有十分重要的意義，并且直接影響到污染物的排放 量。爐內(nèi)溫度、速度分布能反映爐內(nèi)燃燒情況，為運行人員的操作提供可靠依據(jù)，并為熱工 控制的自動化裝置提供信號。然而，由于爐內(nèi)的復(fù)雜環(huán)境，使得溫度和速度場的測量存在很 多困難。
[0003]目前，常見的測量方式可分為接觸式和非接觸式兩種。接觸式測量法，因為受限于 測量元件材料的耐高溫、耐腐蝕等性能，只能進行短時間測量，無法實現(xiàn)在線監(jiān)測。同時，其 測量結(jié)果為各測量點的溫度，難以實現(xiàn)全區(qū)域的重建。聲學(xué)法作為一種基于聲波理論的新 型測量技術(shù)，能夠適應(yīng)各種高溫、腐蝕、多塵的惡劣環(huán)境，并實現(xiàn)全區(qū)域和在線的實時監(jiān)測， 在爐膛熱工參數(shù)測量方面具有很廣的應(yīng)用前景。
[0004]經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)形成了較為成熟的聲波測溫技術(shù)和應(yīng)用，然而均 認(rèn)為介質(zhì)為靜止的，并未考慮運動介質(zhì)對聲線傳播特性的影響。在利用聲波法重建爐內(nèi)速 度場方面尚處于探索階段。在重建時均認(rèn)為速度場中聲線沿直線傳播，并未考慮聲線的折 射效應(yīng)，而針對速度場對聲線傳播的影響只有定性的分析，并未給出定量結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的：針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，提供一種離散的四角切圓速度 場中聲線追蹤計算方法，能夠定量得給出速度場中聲線傳播的變化，揭示聲線在四角切圓 速度場中傳播的規(guī)律，從而為更加精確地還原速度場或溫度場提供理論基礎(chǔ)。
[0006]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)方案為一種離散的四角切圓 速度場中聲線追蹤計算方法，包括如下步驟：
[0007] 1)設(shè)置初始入射點及入射角度，并進行三角形越界判斷：如越界說明小三角形超 出速度場范圍，則執(zhí)行6)步驟；如未越界，則繼續(xù)進行2)步驟。
[0008] 2)計算小三角形內(nèi)參數(shù)，確定小三角形的幾何形狀，包括三角形高h、底邊長t、并 確定各個頂點坐標(biāo)（X，y)，（Xi,y)，（x2,y2)、底邊中點坐標(biāo)（即出射點坐標(biāo)）（x。^，yj= (xh,yh)、出射角度與入射角度相同，即af(alx,aly)，其中alx,aly分別為a在x和y坐標(biāo)軸 方向的分量。
[0009] 3)利用插值法求解出射點介質(zhì)的速度矢量，根據(jù)離散的速度場數(shù)據(jù)并以出射點所 在的正方形網(wǎng)格為對象，將速度矢量分解為x和y方向的分量Vx和Vy，采用線性插值分別 得到出射點速度分量，最后利用速度合成方法得到合速度大小V及方向tan0。
[0010] 4)計算相鄰三角形聲線折射角，假設(shè)在每個三角形內(nèi)介質(zhì)速度相同，并以各三角 形入射點處介質(zhì)速度代表即此時滿足Ci=c2，以相鄰三角形內(nèi)介質(zhì)相對速度AV所在平 面為分界面，以分界面法線與入射點介質(zhì)速度的夾角為入射角0i，根據(jù)運動介質(zhì)中Snell 定律（參見文獻：楊訓(xùn)仁.平面聲波在運動分層介質(zhì)中的反射和折射[J].聲學(xué)學(xué)報， 1982, 2:005.)，求解聲線的折射角02，并以折射后的聲線方向為下一三角形的入射點方 向。
[0011] 5)在三角形內(nèi)聲線沿直線傳播，即入射點與出射點之間的距離；三角形內(nèi)聲波飛 渡時間與介質(zhì)速度在聲線傳播路徑上的投影相關(guān)，通過計算聲速與聲線上介質(zhì)速度和或 差，便能得到飛渡時間。完成后返回步驟1)。
[0012] 6)將所有三角形內(nèi)的路程及時間累加，得到聲線路徑的總長度及時間。
[0013] 步驟4)中：
[0014]若入射角01= 90,則折射角02=0i，此時聲線不發(fā)生折射；
[0015] 若入射角90,則折射角
C.2Sltl
[0016] 此時fsinC;;..丨―妗溈>>1，則發(fā)生全反射，判斷折射角02 =90;
[0017] 上述中，Cl為相鄰三角形中前一三角形內(nèi)的聲速，c2為后一三角形內(nèi)的聲速；^和 v2分別代表相鄰三角形的介質(zhì)速度。
[0018] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：通過利用插值法得到離散速 度場中相關(guān)點的速度矢量，并利用三角形前向展開法結(jié)合運動介質(zhì)中Snell定律得到聲線 的傳播路徑和飛渡時間，能夠定量說明在四角切圓速度場中聲線傳播路徑以及飛渡時間的 變化，為進一步提高溫度場和速度場重建精確性提供分析基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本發(fā)明的算法流程圖；
[0020] 圖2為相鄰三角形之間聲線折射圖；
[0021] 圖3為四角切圓速度場與各聲波路徑的關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實例僅用于數(shù)目本 發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等 價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0023] 如圖1所示，本發(fā)明公開了一種離散的四角切圓速度場中聲線追蹤計算方法，包 括以下步驟：
[0024] 1)設(shè)置初始入射點及入射角度，并進行三角形越界判斷。
[0025] 如圖3所示，在四角切圓鍋爐的四周爐墻上共有8個聲發(fā)射/接收器，并能形成24 條有效的聲波路徑。這8個聲發(fā)射/接收器按順時針編號為1-8,其坐標(biāo)可在圖中查閱。在 確定初始入射角度時，可預(yù)先利用打靶法得到。一般令\=l，ay的數(shù)值根據(jù)打靶法確定的 入射角度設(shè)置。在越界判斷中，如果小三角形的任意一個頂點在計算域外則認(rèn)為越界，此時 小三角形的入射點與終點的連線即為打靶聲線的最后一段并執(zhí)行6)步驟；如未越界，則繼 續(xù)進行2)步驟。
[0026] 2)計算小三角形內(nèi)參數(shù)，確定小三角形的幾何形狀。
[0027] -般令三角形高h和底邊長t均為0. 01m，此時各個頂點坐標(biāo)（X，y)，