基于图像处理及模式聚类的二次仿真方法及其在回转窑温度监控中的应用摘要：提出一种基于图像处理和模式聚类的二次仿真方法。应用Fluent商业软件对回转窑内粉煤在27类设定工况的燃烧进行温度场的三维数值模拟，将仿真结果构建仿真结果数据库；采用模式聚类的方法判断实际工况属于哪一类标准工况，调用仿真结果数据库建立温度与该类标准工况的数学模型，求解模型并计算实际工况下的温度场；利用图像处理中的伪彩色变换得到二次仿真结果，用VC++6.0来实现。结果表明：该方法能够较准确地给出仿真结果，极大缩短计算时间，为回转窑内温度监测提供一种新思路，具有较大的现场应用价值，并很容易推广到其他领域中。关键词：二次仿真；模式聚类；图像处理；Fluent数值模拟；回转窑：TP311;TF811.522文献标识码：A随着计算机软硬件技术的飞速发展，计算机数值仿真开始越来越广泛地应用于各领域，为产品的设计和优化提供数据基础，并为各种工业诊断和分析提供依据。但是，由于仿真建模及求解时间周期长，在实际工业监测中应用较少。近年来，已有学者开始尝试[1-2]解决这方面的问题，周乃君等提出了一种二次仿真的技术，仿真计算四角粉煤炉在一个标准工况下的温度场，再建立温度场和工况的数学模型，动态计算温度场，但在实际应用中无法归纳出仅有一个标准工况，[3-4]故据此来仿真可能存在较大误差。此外，周怀春等还提出了基于辐射图像的炉膛温度分布重建技术，该方法采用多个数字摄像头获取信息，采用线形重构方法重建温度场，该方法在电站锅炉炉膛的温度场重构上能够快速较好地得到结果，但对于有的对象内部无法使用摄像头获取信息该方法则无法使用。本文作者提出一种新的二次仿真方法：即以回转窑为对象，应用商业软件Fluent计算出各种标准工况下的回转窑粉煤燃烧的温度场，建立仿真结果数据库，采用模式聚类的方法判断实际工况属于设定工况中的那种类别(目前标准设定工况数设为27)，然后读取相应数据库中该类别的仿真温度结果，并利用这些仿真温度与实际工况间的数学关系模型，计算出实际工况下的温度场，最后利用图像处理中的伪彩色技术输出二次仿真结果。本文中的二次仿真系统应用VC++6.0编程语言实现。1二次仿真原理1.1回转窑仿真模型建立了一个d4m×50m的回转窑简化模型，如图1所示。粉煤随一次风(Air1)由喷射孔A喷入窑内，二次风(Air2)由喷射孔B进入窑内。在窑内粉煤开始燃烧，尾气从窑尾C排出，考虑底部有物料层，取其为简化的平面。煤粉在窑内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发份的释放、粉煤的燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，涉及到多相流动、传热传质和燃烧等多个领域。本文作者采用了适用范围广的Standardk-ε紊流模型模拟气相湍流运输，用[5-7]混合分数-概率密度函数(mixture-fraction/PDF)模型模拟气相湍流燃烧，用P-1辐射模型(P-1radiationmodel)计算辐射传热。回转窑中粉煤燃烧的主要影像参数及其取值范围如表1所示，其中一次风温度为常温300K，边界条件设定如表2所示。本文中回转窑内的温度场只考虑窑内粉煤的燃烧过程，作为二次仿真的一个简单应用实例，并通过与离线仿真结果对比，检验二次仿真的精确度。1.2模式聚类设有c类已知类别的模式，从每一类中找出一个标准样本或者样本均值：m1,m2,…,mc，对于待聚类样本x，则可定义聚类的判别函数为待聚类样本和已[8-9]知类别样本的欧式距离：即样本x与已知的k类距离最近，则判别x属于第k类。1.3图像伪彩色处理设仿真得到的温度值范围为[Tmin,Tmax]，则对任意仿真结果T可应用下述公式将其映射到[0,255]的灰度空间：式中Tgray为T在图像灰度空间p中的对应值。此时得到的图像还是灰度图，为了更直观地显示，需要进行伪彩色变换。根据色度学的原理，将原图像的灰度分段经过红、绿、蓝3种不同变换，如图2所示，变成三基色分量，然后用它们分别去控制彩色显示器的红、绿、蓝电子枪，便可以在彩色显示器的屏幕上合成一幅彩色图像。本文中所选用变换函数如图3所示，其中(a)、(b)、(c)分别为红、绿、蓝3种变换函数，图(d)是把3种变换函数画在同一张图上以便看[10-15]清相互间的关系。L为灰度值。1.4温度...