CN101672858B

CN101672858B - 基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法

Info

Publication number: CN101672858B
Application number: CN2009103081565A
Authority: CN
Inventors: 孙锐; 于欣; 彭江波; 杨鹏; 陈德应; 刘辉; 杨晓川; 伊亚超
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2009-10-10
Filing date: 2009-10-10
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: CN101672858A

Abstract

基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，它涉及火焰传播速度的测量方法。它解决了现有的应用二值化的图像处理技术对气体燃料在本生灯火焰过程中测量火焰传播速度的测量结果准确度低的问题。它将本生灯燃烧器中通入气体燃料点燃，产生本生灯火焰；使用CCD成像仪对本生灯火焰进行N次成像；对每张图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合；将拟合后的曲线围成的区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰锋面的表面积并求平均，获得当前本生灯火焰内焰锋面的表面积值；根据火焰内焰锋面的表面积值和燃气流量计算获得本生灯火焰的传播速度。本发明适用于气体燃料燃烧过程中本生灯火焰传播速度的测量。

Description

基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种火焰传播速度的测量方法。

背景技术

火焰传播速度是指平面火焰波面沿着垂直其表面方向上通过邻近未燃气体移动的速度。火焰传播速度是可燃气体混合物的一个基本常数，它不仅在考虑火焰的稳定性方面有很大的实际意义，而且在研究火焰的传播理论方面也具有很大的理论价值。然而平面火焰波面仅能在非常特殊的条件下才能得到，几乎在所有的实际情况下，火焰波面不是扭曲，就是不与气流速度相垂直，因此很难直接进行测量。常用的火焰传播速度计算方法有古伊火焰面积法、本生灯火焰法、喷嘴法、颗粒示踪法等。而这些方法都存在一些问题，如古伊火焰面积法存在没有考虑发光锥体顶部变圆和烧嘴壁处的散热问题，而使火焰传播速度有所改变；本生灯火焰法使焰尖变圆和焰锥底部扩张所造成的误差有较大的消除，但采用的锥形面积模型计算，使结果较为粗略；喷嘴法只能够进行火焰传播速度的计算，而不能进行火焰结构的描述；颗粒示踪法过于复杂，不宜作为常用的火焰传播速度的测量方法。上述都不能既简单又准确的计算火焰传播速度。

2004年12月，《燃烧科学与技术》第10卷第6期第526-528页的《应用图象处理技术进行预混层流火焰传播速度的在线测量》公开了一种采用二值化的图像处理方法在线测量火焰传播速度的方法，这种方法实现了非接触火焰传播速度的测量，但其测量准确度较低。

发明内容

本发明是为了解决现有的应用二值化的图像处理技术对气体燃料在本生灯火焰过程中测量火焰传播速度的测量结果准确度低的问题，从而提供基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法。

基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在本生灯燃烧器中通入流量为Q的气体燃料，并将所述气体燃料在本生灯燃烧器的管口点燃，产生本生灯火焰；

步骤二、使用CCD成像仪对本生灯火焰进行N次成像，获得N张图像；

步骤三、对步骤二获得的每张图像进行亮度分析、边缘提取后进行曲线拟合，获得拟合后的曲线；

步骤四、将步骤三获得的拟合后的曲线围成的区域进行曲面积分，获得每张图像中本生灯火焰内焰锋面的表面积；

步骤五、将N张图像中本生灯火焰内焰锋面的表面积求平均，获得当前本生灯火焰内焰锋面的表面积值F；

步骤六、根据公式：S_n=Q/F

获得本生灯火焰的传播速度S_n；

所述Q为正数；

所述N为正整数。

有益效果：本发明采用非接触的方式测量火焰传播速度，对本生灯火焰法使焰尖变圆和焰锥底部扩张所造成的误差有较大的消除，同时对本生灯火焰采用火焰轮廓曲线拟合，来替代锥形法引入的误差，使测量结果准确度提高5%~15%，且不会破坏火焰本体结构；本发明使用CCD成像仪对火焰进行成像，采集数据后进行处理，测量过程简单。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；图2是本发明具体实施方式七中实验装置结构示意图；图3是本发明具体实施方式七的实验中采集的火焰锋面示意图；图4是本发明具体实施方式七的实验中火焰锋面的特征图；图5是本发明具体实施方式七的实验中的火焰锋面拟合曲线图；图6是本发明测量火焰传播速度的原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，它由以下步骤实现：

步骤一、在本生灯燃烧器16中通入流量为Q的气体燃料，并将所述气体燃料在本生灯燃烧器16的管口点燃，产生本生灯火焰；

步骤二、通过设置在CCD成像仪17光输入端的调焦望远镜18调整本生灯火焰与CCD成像仪17之间的焦距，然后使用CCD成像仪17对本生灯火焰进行N次成像，获得N张图像；

步骤六、根据公式：S_n=Q/F

获得本生灯火焰的传播速度S_n；

所述Q为正数；

所述N为正整数。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于，所述的气体燃料在本生灯火焰过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于所述气体燃料为甲烷、氧气和氮气的混合燃料。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于，所述甲烷的体积比为6%~50%、氧气的体积比为13%~70%、氮气的体积比为 10 %~ 80%。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式一、二或三所述的所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于，采用最小二乘法对每张图像进行曲线拟合。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于，本生灯燃烧器的管口内径为3mm~15mm。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三或五所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于，使用图像亮度处理软件对每张图像进行亮度分析和边缘提取。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于N=150。

本具体实施方式通过具体实验验证本发明的效果：

实验装置如图2所示：所述装置包括甲烷气瓶1、氧气气瓶2、氮气气瓶3、甲烷质量流量控制器7、氧气质量流量控制器8、氮气质量流量控制器9、质量流量显示仪13、混气罐14、本生灯燃烧器16、CCD成像仪17、调焦望远镜18和计算机19，所述甲烷质量流量控制器7用于测量和控制甲烷气瓶1流出气体的流量；氧气质量流量控制器8用于测量和控制氧气气瓶2流出气体的流量；氮气质量流量控制器9用于测量和控制氮气气瓶3流出气体的流量；甲烷质量流量控制器7的测量信号输出端、氧气质量流量控制器8的测量信号输出端和氮气质量流量控制器9的测量信号输出端分别与质量流量显示仪13的三个测量信号输入端连接；控制甲烷气瓶1的出气口、氧气气瓶2的出气口、氮气气瓶3的出气口分别与混气罐14的三个进气口连通；混气罐14的出气口与本生灯燃烧器16的进气口连通；CCD成像器17的光输入端处设置有调焦望远镜18，所述本生灯燃烧器16产生的火焰光输入至调焦望远镜18的光输入端；CCD成像器17的信号输出端与计算机19连接。

本实验中选用的参数有：甲烷质量流量控制器7、氧气质量流量控制器8、氮气质量流量控制器9分别控制甲烷、氧气、氮气的流速为0.1~5m/s；混气罐14的混合气体流出的流速为0.2~10m/s，本生灯燃烧器16的管口内径为3mm~15mm，区间取值每隔1mm。

实验中采用CCD成像仪17对同一工况采集150张火焰图像，获得图像如图3（图中横坐标为水平距离，纵坐标为垂直高度）所示，再使用图像亮度处理软件分别对每一张火焰图像进行火焰亮度分析、边缘提取，处理后图像如图4（图中横坐标为水平距离，纵坐标为垂直高度）所示，再采用最小二乘法进行曲线拟合，拟合后图像如图5（图中横坐标为水平距离，纵坐标为垂直高度）所示，拟合出的曲线再进行曲面积分，分别求出此150张图片中内火焰锋面的表面积的平均值，所得平均值即认为在此工况条件下内火焰锋面的表面积，再由质量流量显示仪读出流量，即获得本生灯火焰的传播速度。

原理：本生火焰由内焰和外焰两层火焰组成，内焰表面即为焰面，是由燃气与预先混合的空气燃烧所形成。燃气预先混合后，以层流状态从本生灯孔口逸出；外焰表面是由尚未燃烧的燃气或中间燃烧产物依靠扩散作用与周围空气(二次空气)混合后燃烧形成。如图6所示，实验通过锥形内焰锋面的表面积来测定火焰传播速度S _n的，静止的锥形内焰说明了锥形内焰表面各点上的火焰传播速度S _n (方向指向锥形内焰内部)与该点气流的法向分速度v _n是平衡的。也即对于锥形火焰面上的每一点存在以下关系式，称为余弦定律：

式中：S_n表示锥形火焰面上一点的法向火焰传播速度；表示该点的气流速度；v _n表示该点气流速度的法向分速度；表示气流速度与焰面法线方向之间的夹角。

火焰传播速度由公式：S_n= v _n= Q/F计算获得。

式中：S_n表示火焰传播速度；Q表示混合气体燃料的流量；F表示本生灯火焰锋面的外表面积。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于N=300。

具体实施方式九、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于N=500。

具体实施方式十、本具体实施方式与具体实施方式六所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法的区别在于N=800。

Claims

1.基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、在本生灯燃烧器（16）中通入流量为Q的气体燃料，并将所述气体燃料在本生灯燃烧器（16）的管口点燃，产生本生灯火焰；

步骤二、使用CCD成像仪（17）对本生灯火焰进行N次成像，获得N张图像；

步骤六、根据公式：

S_n=Q/F

获得本生灯火焰的传播速度S_n；

所述Q为正数；

所述N为正整数。

2.根据权利要求1所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于所述气体燃料为甲烷、氧气和氮气的混合燃料。

3.根据权利要求2所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于所述甲烷的体积百分比为6%~50%、氧气的体积百分比为13%~70%、氮气的体积百分比为10%~ 80%。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于采用最小二乘法对每张图像进行曲线拟合。

5.根据权利要求4所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于本生灯燃烧器（16）的管口内径为3mm~15mm。

6.根据权利要求1、2、3或5所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于使用图像亮度处理软件对每张图像进行亮度分析和边缘提取。

7.根据权利要求6所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于N=150。

8.根据权利要求6所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于N=300。

9.根据权利要求6所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于N=500。

10.根据权利要求6所述的基于曲面积分图像处理技术的气体燃料在本生灯燃烧过程中火焰传播速度的测量方法，其特征在于N=800。