球形火焰半径测量技术研究及计算机实现

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1、球形火焰半径测量技术研究及计算机实现第1章绪论1.1研究背景及意义有研究表明，全球范围内超过96％以上人和物品的运输所需要的能量是由石油基燃料燃烧提供的[1]。而石油作为不可再生能源，其存储量正在持续减少。因此，为了缓解能源危机和减少环境污染，有关现有燃料的掺混燃料、可再生且清洁的替代燃料的燃烧特性正成为内燃机领域的研究热点，建立可持续的能源体系，提供多元化的可再生灵活燃料策略被越来越多的国家和地区采用[2,3]。目前，除了常见主要燃料及其掺混燃料外，国内外开发的内燃机替代燃料主要包括了液化石油气、天然气、氢气、二甲醚、甲醇、乙醇以及生物柴油等[4,5

2、]。层流火焰是综合体现混合气气体流动、化学反应和分子运输等特性的最基本的燃烧现象，它是发展与验证燃料燃烧化学反应动力学机理的重要手段[6,7]；是湍流火焰研究的重要基础；是优化燃烧设备、改善燃烧过程、提高效率的重要依据；同时还可以用于建立燃料的闪点和最小点火能量的预测建模[8,9]，最终为发动机燃烧模拟以及优化研究提供基础数据[10]。事实上这也是近几十年里，国际上大批的学者将主要精力都投入到层流火焰的实验和数值模拟研究上的一个重要原因[11,12]。为了获得现有燃料及其掺混燃料的层流燃烧特性（包括层流燃烧速率、马克斯坦长度(Marksteinleng

3、th)、火焰拉伸率以及不稳定性参数等），近年来各国的研究者员们提出了不同的实验手段与方法。主要包括本生灯火焰法、一维平面火焰法、对冲火焰法、向外传播的球形火焰法等。其中向外传播的球形火焰法因具有相关参数易于控制、火焰拉伸率定义明确、实验条件较为宽广等优点，在获取燃料层流燃烧特性上得到了广泛应用[13]。..1.2国内外研究现状随着火焰可视化技术的发展，以Bradley[17]、Gu[18]、Milton[19]等为代表的一批学者开始利用高速纹影系统结合定容燃烧弹，直接以火焰发展的图像为对象，测量火焰半径，进而求取燃料的层流燃烧特性参数。目前关于球形火焰

4、图像处理技术的研究主要集中在国外。美国麻省理工学院(MIT)机械工程系的Parsinejad等[20,21]第一个从基于几何光学的数学建模的角度讨论了忽略以及不忽略火焰厚度的情况下球形火焰图像的边缘定位问题，同时得出了一个重要结论，即相机分辨率是使边缘检测算子能成功探测火焰边缘的重要因素之一。德国卡尔斯鲁厄大学(UniversityofKarlsruhe)的ével以及Lafosse等[24]在利用球型火焰测定氢/氮氧化物混合物的层流燃烧速率的研究中采用Matlab编程的方法，把高速摄像机的帧率和窗口直径作为试验参数当做程序的输入量，火焰

5、半径是对时间的函数作为输出量。此外，对于椭圆型火焰的边缘检测，则计算其等价圆的半径。而计算层流燃烧速率所选半径数据的范围则根据火焰半径对时间的回归系数确定，其Matlab编程应用效果如图1-2所示，该方法虽然考虑了非标准圆的问题，但对于存在裂纹的火焰却不适用。第2章球形火焰纹影图像半径测量方法研究2.1定容燃烧弹与球形火焰实验装置系统图与实物图分别如图2-1、图2-2所示，该装置由定容燃烧弹、配气系统、纹影系统、高速摄像系统、点火时序控制系统以及数据采集系统等组成。所采用的定容燃烧弹弹体是一个体积为5.86L的不锈钢材质的圆柱体，弹体的两侧分别安装了两

6、块直径为80mm的光学石英玻璃视窗，为高速纹影摄像系统提供必要的光学通路，容弹中心布置有两根直径为3mm的不锈钢电感式放电电极。实验所用的高速摄像机的拍摄速度在1000~675,000fps之间可调，本文所选取的图片均是在帧率为10000fps的条件下拍摄的。此外，本实验系统通过压阻式高压传感器以及相应的电荷放大器对燃烧过程中定容弹内的压力变化情况进行实时采集，而高速摄像机与电脑通过以太网来实现通讯，并利用高速摄像机同步软件PhotronFastcamVies，这使得虽然单幅图片的背景噪声较大，但每一组实验图片的背景几乎没有变化（尤其是电极造成的影响）

7、，即前后两帧的背景区域灰度差值极小。基于以上考虑，本文先对球形火焰的灰度图片采用动态差帧法，以去除未燃区域的噪声及电极干扰。由于得到的差值图像存在大量的噪声，需要对所得差值图像进行滤波去噪，以提高信噪比。目前，数字图像去噪的方法主要可分为两大类：第一是空间域滤波法，第二是借助变换域对图像信号进行处理的变换域滤波法。常用的经典滤波方法主要有均值滤波、中值滤波以及维纳滤波等，这里做出简要介绍：均值滤波：该滤波方法的实质是基于几何概念的邻域平均法。均值滤波的主要步骤是先创建一个由需要处理的处理像素点及其相邻像素点构成的相应模板，再计算该模板中所有点灰度值的均

8、值并用其代替待处理像素点的值，将模板将整张图像内滑动以覆盖所有像素点。均值滤波器对于目标图像中