The objective of this thesis is to study the methods of extracting more useful information from limited data generated by combustion studies. Specifically, signals of optical emission or extinction measurements are integrated over the path. In this case, 2-dimensional experimental results of optical combustion diagnostics may be used to generate 3-dimensional data. On the other hand, 3-dimensional experimental or numerical results are difficult to handle. In this case, visualization using the degeneration concept would be useful to observe overall structures. These are the approaches in this study of generation of 3-dimensional data from 2- dimensional images, and 2-dimensional image generation from 3-dimensional scalar data field information.
By modifying the radiative transfer equation, the single wavelength/multiple projection inversion tomographic technique was applied to the combustion fields. Photographic image is the line-of-sight emissions from an axisymmetric diffusion flame. The image data were measured using a CCD array camera and a frame grabber, and then used to reconstruct the original 3-dimensional spatially resolved distributions of emission intensities by using the computed tomographic technique. The reconstructed volumetric emission intensities were then converted into optical temperatures of soot particles by assuming that the system response parameters were constant. The constants were determined from the calibration tests with a blackbody cavity and thermocouple measurements. The reconstructed temperatures of soot particles showed reasonable resemblance to the expected distribution. Characteristics of the optical system, such as F-number and pixel distance (magnification of images), with respect to the accuracy of 3-dimensional reconstructed data were discussed.
For fuel-lean premixed flat flame and Bunsen burner flame, CH ($A^2Δ→X^2Π$ transition)radical distributions were measured using a two-axis scanning mirror system and monochromator. This scanning mirror system has merits that the combustion objects and measuring system can be fixed during scanning process, so it can be applicable under any restricted conditions. From the horizontal and vertical line-integrated measurement data, point data were obtained by using single wavelength/multiple projections reconstruction technique. As a result, typical CH distributions were ensured.
Visible spectral characteristics of cross-sectional emissions from a partially premixed methane/air flame and a propane/air flame were investigated. An optical train with a two-axis scanning mirror system was used to record line-of-sight emission spectra from 354nm to 618nm, and inversion technique was applied to obtain cross-sectional emission spectra. By analyzing the reconstructed emission spectra, cross-sectional intensities of CH and $C_2$ radicals were separated from the background emission. The blue flame edge and yellow flame edge were also obtained by image processing technique for edge detection with color photographs of the flames. These edges were compared with radial distributions of CH, $C_2$ radicals and background emission. The CH radicals were observed at the blue flame edge. The background emission was generated by soot precursors at upstream of the flame and by soot at downstream of the flame. The $C_2$ radicals in the propane/air flame were more noticeable than those in the methane/air flame.
To visualize the 3-dimensional data generated by experiments and computations, a new and simple technique was proposed to display spatially 3-dimensional scalar fields of geometrically complicated objects. This technique employed the concept of seeding radiative particles in the 3-dimensional scalar field, and the projective planes were constructed by line-of-sight integration of the radiation intensities of seeded particles. The temperature fields of a hypothetically constructed rectangular flame and a computationally simulated furnace of a municipal solid waste incinerator were demonstrated. The visualized images were discussed along with the physical insights into the data structures as well as the limitations.
본 논문의 목적은 연소장 연구 중 생성되는 제한되고 한정된 데이터를 처리하여 보다 나은 정보를 얻기 위한 방안을 강구하는 것이다. 특히 광학적 기법을 이용한 연소진단 연구에서 흔히 얻어지는 2차원 선적분 측정 결과는 시선방향으로 적분된 정보를 제공하며, 따라서 연소장 내의 3차원 구조를 파악하기 위해서는 2차원의 선적분 데이터로부터3차원 데이터를 생성하기 위한 연구가 필요하다. 반면에 실험이나 계산을 통해 얻은 3차원의 풍부한 정보는 오히려 연소장내의 전체구조를 파악하는데 어려움을 준다. 이와 같은 경우에는 3차원 데이터를 2차원의 입체영상으로 축소하여 나타내기 위한 연구가 필요하다. 이와 같은 배경에서 다음과 같은 연구가 수행되었다.
축대칭 확산화염의 사진영상을 단층 재구성기법을 이용하여 단면해석하였다. 기존의 단층 재구성기법에서는 선적분 투영값을 얻기위해 주의 깊은 장치설비가 필요하고, 측정을 위해 많은 시간이 요구되므로, 이와 같은 단점을 극복하기 위해 상용 CCD 카메라를 도입하였다. 축대칭 확산화염으로부터 발생하는 자발광의 2차원 선적분 투영값을 카메라와 영상처리기를 이용하여 측정하였고, 이 영상테이터를 단층 재구성 기법에 의하여 3차원 복사강도 분포로 재구성하였다. 재구성된 복사강도분포로부터 매연입자의 온도를 계산하는 방법을 제안하였으며, 이 방법으로 재구성된 온도분포는 확산화염의 일반적 온도분포와 정성적으로 일치하였다. 이 기법을 실용화염에 적용가능한지를 확인하고자, 검출광학계의 특성 (카메라의 F수, 영상의 크기)에 따른 재구성된 온도분포의 변화를 고찰하였다.
공기과잉 예혼합 평면화염과 분젠버너 화염내의 CH 라디칼 분포를 측정하였다. 이를 위해 스케닝미러 시스템과 단색분광기를 이용하였다. 스케닝미러 시스템은 대상화염과 측정광학계 모두를 고정시킨 상태에서 선적분 데이터를 얻을 수 있어, 대형화염과 같이 화염이나 측정계를 움직일 수 없는 제한된 상황에서도 적용 가능한 시스템이다. 측정된 선적분 CH 라디칼 분포는 단층 재구성 기법에 의해 공간 분포로 재구성되었다. 그 결과 전형적인 CH 라디칼 분포를 확인하였다.
부분 예혼합 화염내의 파장별 복사 특성을 알아보고자, 부분 예혼합 화염내의 자발광 단면 복사 스펙트럼을 측정하고, 측정된 스펙트럼을 분석하여 라디칼 복사와 배경복사를 분리, 비교하였다. 스케닝미러 시스템과 ICCD 를 이용하여, 화염으로부터 발생하는 자발광 스펙트럼을 측정하였으며, 이를 단층 재구성기법에 의해 단면해석하였다. 측정대상은 비슷한 C/O비(0.83) 를 가진 축대칭 부분 예혼합 메탄화염과 프로판화염의 두 화염으로 하였다. 배경복사를, 인접 파장대의 복사량으로 근사함으써 제거, 분리하여, CH, $C_2$ 라디칼 및 배경복사의 반경 방향 상대분포를 구하였다. 또한 화염사진을 영상처리하여 파란색 화염의 경계 (blue flame edge)와 노란색 화염의 경계(yellow flame edge)를 각각 구하고, 앞서 구한 라디칼 및 배경복사의 반경방향분포와 비교 분석하였다. CH 라디칼은 파란색 화염의 경계 부근에서 검출되었다. 매연 전구물질에 의해 발생하는 배경 복사는 화염의 상류에서, 매연에 의한 배경복사는 화염의 하류에서 관측되었다. 프로판화염 내의 $C_2$ 라디칼에 의한 복사량이 메탄화염에서 보다 더 많았다.
실험이나 계산에서 생성된 3차원 데이터의 구조를 쉽게 파악할 수 있도록, 공간적으로 복잡한 대상내의 스칼라 필드를 입체영상으로 표현할 수 있는 가시화 기법을 제안하였다. 이 기법은 온도장을 온도에 상응하는 등가의 휘도(intensity)를 갖는 입자가 존재하는 형태로 치환하고, 관측면에서의 휘도를 복사 열전달 관계식으로부터 선적분의 형태로 구하는 것이다. 이 기법을 이용하여 가상의 사각화염내의 온도분포와 계산을 통해 구한 도시 폐기물 소각로내의 온도분포를 가시화하였다. 가시화된 영상은 3차원 온도분포 및 열분포 상황을 이해하는데 도움을 주었다. 가시화된 영상의 한계와, 보다 사실적인 효과를 내기 위한 방안에 관해 토의하였다.
