激光测距探头冷却优化数值模拟研究

激光测距探头冷却优化数值模拟研究

郭虎林

4104821992****2395河南省郑州市

摘要：激光扫描装置克服了传统“插入接触式”几何参数测量由于自身弯曲带来的误差，能够大大提升参数测量精度。为了能够在工业烟囱的高温环境下使用，基于实际装置参数建立了三维几何模型，并改变不同的冷却结构和冷却介质参数，依据实际应用环境设置模型边界条件进行仿真分析，得到激光探头的稳态温度分布散云图；根据换热仿真的结果分析，换热翅片与冷气管道轴线平行布置，增加冷气流量有助于提升冷却效果。

关键词：烟囱截面积，激光测距，冷却，数值模拟

1.引言

大气污染是各国在经济发展和工业化进程中不得不面对的共同问题，为了量化和实时掌握工业企业污染物排放情况，在实际运行过程中是通过计算烟气中污染物浓度与污染物体积流量的乘积来衡量企业的污染物排放量的，因此精确测量烟气体积流量对衡量污染物排放量尤为重要。烟气体积流量是烟囱截面积与截面平均流速的乘积，因此烟囱几何尺寸测量是影响烟气体积流量测量的重要因素之一。

传统的烟囱几何尺寸测量采用“插入接触式”方法，利用耐高温测量杆插入烟囱内部进行测量。工业烟囱尤其是大型工业企业烟囱口径一般都超过5米，测量杆插入烟囱后由于自身重力发生弯曲，导致烟囱几何尺寸测量误差极大，严重影响了烟气体积流量的测量精度。激光测距仪通过记录激光传播时间，可实现对几何尺寸的非接触精确测量。但烟囱内部温度最高可达200℃以上，远远超过激光器内部电子元件耐温极限。为了保证激光测距装置在高温烟囱内的正常使用，本文对几种冷却方案进行了数值模拟研究，为激光测距探头的结构设计提供了参考依据。

2.烟囱截面积激光测量

利用激光扫描装置对烟囱几何参数进行三维扫描测量。该扫描装置由激光探头、角度编码器和旋转机构组成。激光探头通过旋转机构放入烟囱内部，通过机构旋转可以使激光探头向不同方向发射激光光束，从而获得探头到烟囱内壁各点的距离，结合角度编码器记录的各点角度，得到烟囱内壁点的三维点云数据。

图1 激光扫描装置示意图

通过对烟囱内壁进行的若干组激光扫描，可以得到烟囱内壁在笛卡尔坐标系下的三维点云空间圆柱面，之后通过模型估计的方法拟合圆柱方程，最终得出圆柱的横截面积。通过选取合适的计算模型，可以最大限度消除扫描离群点，有效提升圆柱方程拟合精度和截面积测量精度。

图2 激光扫描三维点云

3.数值模型

烟囱内部的高温环境决定了利用激光扫描装置进行烟囱截面积测量的关键在于激光探头的冷却结构设计。本文借助三维数值模拟的方式对激光探头不同冷却结构设计下的降温效果进行了研究。

激光探头由内部激光发生器和耐温壳体组成，耐温壳体一端为玻璃面，用于透射激光，另一端设置有冷却介质进出口管道。本文基于激光探头真实几何参数进行三维建模和网格划分，采用非结构三角形和四面体网格，k-e湍流模型和辐射模型进行计算。

图3 激光探头网格模型

表1 边界条件设置

为了探究不同冷却结构和冷却介质参数对激光探头冷却效果的影响，本文改变了冷气进出口位置、冷却肋板的安装方式以及冷气进口流速和冷气温度等参数，对不同情况下的数值模型进行了仿真分析。

图4 温度分布散点图

图5 温度分布云图

4.结论

通过数值模拟研究得出如下结论：

（1）当冷却管道对角布置，肋板方向与冷却管道平行，且冷气进口流速10m/s时冷却效果最好。高温核心区出现在与玻璃棉相对应的激光探头表面一角，最高温度为76.83℃。

（2）换热分析结果表明，冷却介质参数对激光探头冷却效果影响最大。当条件相同时，增加冷却气进气量可以明显降低激光探头表面温度。

（3）冷却肋板的布置方式与冷却效果有关，肋板方向与冷气管道轴线平行布置的效果要好于垂直布置。