粉体浓度场成像算法研究及matlab实现【字数：13923】
粉体浓度场成像算法研究及matlab实现[160515102559755]
摘 要粉体是由许许多多的小颗粒物质组成的集合体，它是固体，但具有流动性，在我们的实际生活中，它有广泛的应用，在实际工程中，煤粉就属于粉体。超声过程层析成像技术(Ultrasonic Process Tomography, UPT)是利用主动式超声探头阵列获取被测区域的声学信息进行声学成像，运用图像重建算法再现被测区域横截面上的两相分布状况，UPT 的图像重建问题是病态逆问题，对于场域中任一精确点无法求取其解析解，可采用有限元方法求解正问题。利用超声气固两相流的层析成像技术难度在于重建图像精度不高，不能得到合适的图像重建算法，因此本文主要用不同的算法，利用UPT技术对煤粉进行成像算法研究，利用MATLAB编程，得到图像重建进行研究，得到的重建图像进行比较得出较为合适的成像算法。目录
一、 绪论 1
1.1 课题的研究背景及研究意义 1
1.2 课题的研究发展与现状 1
1.3 课题来源及论文组织结构 3
1.4 本章小结 3
二、 UPT的衰减机制 4
2.1 UPT声衰减机制 4
2.2 浓度测量的衰减机制 4
2.3 本章小结 6
三、 粉体浓度场UPT重建算法 7
3.1 图像重建流程原理 7
3.2 几类图像重建算法 8
3.2.1 最小二乘法 8
3.2.2 Landweber迭代法 8
3.2.3 Tikholov正则化算法 9
3.2.4 广义极小残差（GMRES） 9
3.2.5 基于广义极小残差的改进方法（REGMRES） 11
3.3 图像滤波 11
3.3.1 均值滤波器 11
3.3.2 中值滤波器 11
3.3.3 形态滤波器 12
3.3.4 脉冲噪声过滤 12
3.4 章节小结 13
四、MATLAB的GUI面板设计 14
4.1 GUI简介 14
4.2程序界面 14 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
4.3 程序框架 15
4.4 变量解释 15
4.5 文章小结 20
五、UPT数值仿真 21
5.1 图像仿真 21
5.2 结论 26
六、总结与展望 28
6.1 本文总结 28
6.2 本文展望 28
6.3 课题的环境保护与社会的发展 28
参考文献 29
致谢 30
绪论
1.1 课题的研究背景及研究意义
燃煤电厂气动管道中的煤粉是典型的气固两相流。在线监测煤粉的浓度和大小对于提高运行安全性，减少粉尘和NOx的排放，从而提高煤的燃烧效率变得越来越重要。
到目前为止，已经开发了各种气固流动参数测量方法，如差压法，光波动法，静电法和热平衡法。基于循环流化床水平段压降测量的估算固体质量流量。通过带有两个显微镜的图像处理系统提出了一种粉煤的三维测量方法。用消光光谱诊断法研究了粒度反演的优化参数。通过光波动法进行了煤粉大小和浓度变化监测的实验，结果反映了不同运行方式下的预期响应。利用热平衡原理获得球形粉碎系统中煤粉的浓度。此外，依赖于静电波动信号的静电方法已广泛应用于某些行业用于气动输送固体的流量测量。
超声波测量已从理论建模到微粒两相流实验技术取得了显著的进展。虽然常用于悬浮液或乳液中，但它也可以显示粉煤大小和浓度的敏感变化。此外，超声波具有吸引人的特性，如传输能力，作为在线测量方法时的抗污染性。因此，超声波方法可以是用于在线测量粉煤运输的方法。原则上，当超声波在气固两相流中传播时，波将衰减，其主要特征在于在经历与所涉及的颗粒的相互作用之后的声散射，粘性损失和热损失。目前，可以采用不少理论模型来预测粒子系统中的声衰减系数，但大多数假设粒子是理想的光滑球体。因此，用于在线测量的超声波方法目前面临若干挑战。粉煤的粒度并不总是相同的。相反，测量的粒径范围相当宽，从微米级到厘米级。各种形状的颗粒可以是球形，椭圆形或任意不规则几何形状。
本文首先对煤粉不规则性引起的声衰减的影响进行了理论研究，从声学信号捕获的角度仔细考虑探头，并进行数值模拟估计它们对流场的影响。利用MATLAB编程软件，计算超声波经过粉体之后的声衰减特性。之后提取出该数据矩阵，并将其带入编写的浓度场重建算法，获得浓度场重建图像。然后将其与模拟图像的结果进行比较，从数值模拟的角度，探究图像重建算法的可行性与可靠性。
1.2 课题的研究发展与现状
在近几十年来的形成以及学术研究的快速发展中，科学的进步与时代的发展下新的学科越来越多，而多相流技术就是新学科之一。
多相流作为新学科才逐渐步入我们的视野中，但是在自然界我们的生产实践中有关多相流的现象却早已存在，例如沙尘暴的形成，颗粒矿料、粮食的输送，以及在许多国内外的锅炉厂中以及蒸汽发生装置中有多相流现象，一直广泛存在我们周围。早在我国古代，就有利用多相流来将河道中江水的沙石分离，从而引清水对农田进行灌溉。
两相流的技术在很早就已经有学者进行研究，生活中泥沙的沉降与运输的研究，在1877年由法国物理学家Boussinesq提出过。在随着时代的逐步进步，关注两相流的学者也逐渐增多，声波在泡沫液体中传播逐渐的衰减，在1910年由Mallock提出过自己看法，并且对声波在两相流中衰减进行相应的研究。而在1924年，Gasterstadt研究了谷物气固两相流在气流输送的问题，发表了研究论文，由此两相流的研究打开了序幕。这些研究当时由于交流不便，都是各自进行研究，并没有分享交流成果，而是到50年代两相流才被熟知。在60年代之后，1963年Marble、1965年Murray以及1968年Panton等众多学者，都开始关注两相流的运动规律，都分别发表了他们对两相流的研究以及探索得到的运动规律。有关对两相流介绍的书籍也由此陆续增加了出版。1976年，在比利时Von Karman的流体力学实验室中由物理学家Rudinger在以“气体颗粒流基础”为题进行了相关的专题讲座，并于1980年整理成书。
有关两相流的研究发展有大半世纪，随着科技的进步，我们对两相流的研究也有了更多的手段，在较为稀释的气固两相流中，我们可以用数学建模的方法，借助计算机来对稀相流进行求解。但是在浓相流中，由于固体颗粒较为繁杂，颗粒与颗粒之间较为分散，这就加大了我们对浓相流的计算量，在目前所掌握的技术，在大规模的 浓相流我们不能用数值来进行模拟计算。
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