CN109671112A - 一种定容燃烧火焰传播半径的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种定容燃烧火焰传播半径的测量方法，先对需要计算火焰传播半径的纹影图片进行预处理，得到火焰边缘轮廓图，再确定半径测量中心，然后计算标定比例K，即拍摄的实际尺寸与纹影图片中对应像素值之间的比例关系，由该比例关系确定火焰传播半径值，最后排除点火电极影响范围，在剩余范围内计算最终的火焰传播半径值。本发明可以根据不同的研究需要计算纹影图片中火焰前锋面圆周各方向上的火焰传播半径值，得到不同半径测量角度θ对应的火焰传播半径值，可以测量得到更加精确的火焰传播半径。

Description

一种定容燃烧火焰传播半径的测量方法

技术领域

本发明涉及层流火焰研究技术领域，具体为一种定容燃烧火焰传播半径的测量方法。

背景技术

研究层流火焰对于改善内燃机燃料燃烧状况和提高燃烧效率具有重要作用，也是燃烧过程以及排放物生成机理理论研究的重要基石。同时，层流火焰的研究对于模拟湍流火焰传播也具有重要意义。近年来，随着可视化技术的发展，一些学者开始结合定容燃烧弹，利用高速摄影机拍摄火焰的发展历程，得到纹影图片，测量火焰传播半径，进而得到燃料的层流燃烧特性参数。

目前针对火焰传播半径值的测量有各种各样的方法，常见的有：射线定弧法和等价面积法等。射线定弧法是一种基于弧线几何特征的检测方法，从圆心坐标出发，在视场范围内，向不同方向发射射线，当到达圆形边界圆形弧段时停止，记录圆心到各方向圆形边界距离，利用统计学特征，计算平均距离，即为半径。等价面积法是一种操作简便的圆弧半径提取算法，利用等量原则，使所得等价圆与原图像的面积相当，保证两者在量上的一致性，即利用原图像的面积计算等价圆的半径作为火焰传播半径。射线定弧法基于原始轮廓点进行计算，如果边缘提取方法不恰当或者火焰前锋面褶皱较多，导致原始轮廓点中杂点较多，则射线定弧法得到的火焰传播半径将会变得不精确。等价面积法则没有考虑点火电极对火焰传播的影响，造成火焰前锋面凸起或凹陷，这样提取到的火焰传播半径仍然不精确。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够得到更加合理的火焰传播半径的定容燃烧火焰传播半径的测量方法，能够进一步分析不同火焰传播方向上的半径差异，排除杂点和点火电极对提取火焰传播半径的影响，对火焰传播半径分布状态进行合理化分析和评价。技术方案如下：

步骤1：对需要计算火焰传播半径的纹影图片进行预处理，得到火焰边缘轮廓图；

步骤2：确定半径测量中心：

步骤21：在所述火焰边缘轮廓图中，以点火电极连线所在的直线为基准线，在基准线左右两侧的火焰前锋面上分别确定一个离基准线最远的像素点M₁和N₁，以M₁和N₁两点的连线的中点作为初始半径测量中心Q₁；

步骤22：在火焰前锋面上，以固定角度间隔画出n-1条经过Q₁的直线，将直线与火焰前锋面的两点交点记作原始点M_i和N_i，i＝2,3,4,……,n，；将每条直线上两个原始点连线的中点作为修正半径测量中心Q_i，i＝2,3,4,……,n；

步骤23：根据在纹影图片中的像素坐标值，计算各修正半径测量中心Q_i像素坐标和初始半径测量中心Q₁像素坐标的平均值，将该平均值作为最终半径测量中心Q的像素坐标：纹影图片中左上角像素点的像素坐标值为(0，0)，若Q₁的像素坐标为(s₁，t₁)，Q_i的像素坐标为(s_i，t_i)，则Q的像素坐标为

步骤3：计算标定比例K，即拍摄的实际尺寸与纹影图片中对应像素值之间的比例关系；

步骤4：测量火焰传播半径：

步骤41：在所述火焰边缘轮廓图中，根据在纹影图片中的像素坐标值，找到边缘轮廓点中纵坐标和Q点相等，且横坐标比Q点小的点，记作E；

步骤42：以射线QE为半径测量角度的起始边，将火焰前锋面外边缘上的任一点定义为点P，则由QE顺时针旋转到QP的角度∠EQP为半径测量角度θ，θ的取值范围为0～360°；

步骤43：建立点Q和点P的像素坐标与半径测量角度θ之间的反三角函数关系：将点Q和点P的像素坐标分别记作(x₀，y₀)和(x₁，y₁)，则

步骤44：将纹影图片上PQ两点之间的像素差值乘以标定比例即为半径测量角度θ条件下所测量的火焰传播半径值R_j，计算式为：

R_j＝L_PQ×K

式中R_j为各半径测量角度θ上的半径提取值，L_PQ为PQ两点像素差值。

进一步的，，所述步骤1的具体过程包括：

步骤11：挑选背景图片：某一工况试验中，挑选点火前一刻的一张纹影图片作为背景图片；

步骤12：去背景：挑选需要计算火焰传播半径的纹影图片，利用图片处理软件的图片相减函数，将挑选的纹影图片减去步骤11所得的背景图片，得到去背景后的新图片；

步骤13：转灰度图：利用图片处理软件中的灰度化函数，将步骤12所得的新图片转化成灰度图；

步骤14：增亮灰度：利用图片处理软件中的调节灰度值函数，设置调整参数，将步骤13所得灰度图的灰度值调节至特定区间，增加图片的对比度；

步骤15：除孤岛：利用图片处理软件中的除孤岛函数，设置参数值，去除步骤14所得灰度图中的孤岛；

步骤16：除孤立亮点：利用图片处理软件中的除孤立亮点函数，设置参数值，去除步骤15中所得灰度图中的孤立亮点；

步骤17：边缘检测：利用软件中的边缘检测函数对步骤16中所得灰度图进行边缘检测，提取火焰边缘；

步骤18：进一步除杂点：根据步骤17所得边缘检测点，结合纹影图片特点编写代码，进一步将边缘轮廓点以外的杂点除掉；

步骤19：边缘轮廓点拟合：根据步骤18所得边缘轮廓点，采用最小二乘法进行多段拟合，分别包含：一次多项式拟合、二次多项式拟合、椭圆拟合，拟合公式分别为：y＝a₀+a₁x、y＝a₀+a₁x+a₂x²、x²+gxy+cy²+dx+ey+f＝0。

更进一步的，所述步骤4之后还包括：

步骤5：排除点火电极影响范围：

步骤51：定义半径提取值标准偏差σ为：

式中，R_a为半径均值，N为半径提取值的数量；

步骤52：在两个点火电极位置附近分别取一个关于点火电极对称的夹角为γ的半径测量

角度范围：(90－γ/2)°～(90+γ/2)°和(270－γ/2)°～(270+γ/2)°，将其定义为点

火电极影响范围；

步骤53：将γ/2依次取值为m个预设的测试角α_k，k＝1,2,3,……,m，即γ/2＝α_k，且α_k+1＝α_k+Δα；接着排除每个取值对应的点火电极影响范围内的半径提取值，利用剩余范围内的半径提取值计算标准偏差σ，进而计算标准偏差变化量Δσ：

Δσ＝σ_k+1-σ_k

其中，σ_k为当前测试角α_k取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差，σ_k+1为后一个测试角α_k+1取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差；

当标准偏差变化量达到预设值时，则此时的测试角α_k即为γ/2的取值，从而确定点火电

极影响范围；

步骤54：在排除掉点火电极影响范围后的半径测量角度范围内，根据所述步骤44的方式计算出最终的火焰传播半径值。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以根据不同的研究需要计算纹影图片中火焰前锋面圆周各方向上的火焰传播半径值，得到不同半径测量角度θ对应的火焰传播半径值；

(2)本发明提供一种纹影图片预处理方法及流程，可以简单快捷地提取到火焰前锋面；

(3)本发明提出一种反三角函数公式测量半径，计算公式简单、精度高且适应性较好，可以适应不同工况的纹影图片；

(4)本发明提供一种半径测量中心计算方法，其中包含了统计学原理，将使测量火焰传播半径时的计算结果更加合理；

(5)本发明提供一种去除纹影图片中点火电极的影响范围的方法，通过这种方法，可以测量得到更加精确的火焰传播半径。

附图说明

图1为计算半径测量中心示意图。

图2纹影图片坐标示意图。

图3为标定比例K计算示意图。

图4为半径测量角度θ的示意图。

图5为排除点火电极影响范围的方法示意图。

图6为标准偏差变化量随α的变化。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提供一种全新的火焰传播半径测量方法，根据研究的需要，可以测量火焰前锋面的圆周上各个方向的火焰传播半径值。

主要包含以下步骤：

步骤1：对需要计算火焰传播半径的纹影图片进行预处理，得到火焰边缘轮廓图；

纹影图片预处理流程依次包括挑选背景图片、去背景、转灰度图、增量灰度、除孤岛、除孤立亮点、边缘检测、进一步除杂点和边缘轮廓点拟合等步骤：

步骤11：挑选背景图片：某一工况试验中，挑选点火前一刻的一张纹影图片作为背景图片；

步骤12：去背景：挑选需要计算火焰传播半径的纹影图片，利用图片处理软件的图片相减函数，将挑选的纹影图片减去步骤11所得的背景图片，得到去背景后的新图片；

步骤13：转灰度图：利用图片处理软件中的灰度化函数，将步骤12所得的新图片转化成灰度图；

步骤14：增亮灰度：利用图片处理软件中的调节灰度值函数，设置调整参数，将步骤13所得灰度图的灰度值调节至特定区间，增加图片的对比度；

步骤15：除孤岛：利用图片处理软件中的除孤岛函数，设置参数值，去除步骤14所得灰度图中的孤岛；

步骤16：除孤立亮点：利用图片处理软件中的除孤立亮点函数，设置参数值，去除步骤15中所得灰度图中的孤立亮点；

步骤17：边缘检测：利用软件中的边缘检测函数对步骤16中所得灰度图进行边缘检测，提取火焰边缘；

步骤18：进一步除杂点：根据步骤17所得边缘检测点，结合纹影图片特点编写代码，进一步将边缘轮廓点以外的杂点除掉；

步骤19：边缘轮廓点拟合：根据步骤18所得边缘轮廓点，采用最小二乘法进行多段拟合，分别包含：一次多项式拟合、二次多项式拟合、椭圆拟合，拟合公式分别为：y＝a₀+a₁x、y＝a₀+a₁x+a₂x²、x²+gxy+cy²+dx+ey+f＝0。

步骤2：确定半径测量中心：

步骤21：如图1所示，在所述火焰边缘轮廓图中，以点火电极连线所在的直线为基准线，在基准线左右两侧的火焰前锋面上分别确定一个离基准线最远的像素点M₁和N₁，以M₁和N₁两点的连线的中点作为初始半径测量中心Q₁；

步骤22：在火焰前锋面上，以固定角度间隔60°画出2条经过Q₁的直线，将直线与火焰前锋面的两点交点记作原始点M_i和N_i，i＝2,3；将每条直线上两个原始点连线的中点作为修正半径测量中心Q_i，i＝2,3；

步骤23：根据在纹影图片中的像素坐标值，计算各修正半径测量中心Q_i像素坐标和初始半径测量中心Q₁像素坐标的平均值，将该平均值作为最终半径测量中心Q的像素坐标：纹影图片中左上角像素点的像素坐标值为(0，0)，若Q₁的像素坐标为(s₁，t₁)，Q_i的像素坐标为(s_i，t_i)，则Q的像素坐标为

因为纹影图片中的每个像素点都有其坐标，纹影图片分辨率为512×512，如图2所示，左上角原点O坐标为(0，0)，右下角坐标点G坐标为(512，512)，图示坐标点K的坐标为(400，360)。

步骤3：计算标定比例K，即拍摄的实际尺寸与纹影图片中对应像素值之间的比例关系。

标定比例K指的是高速摄影机调整好焦距后，拍摄到的实际尺寸与实际纹影图片像素之间的比例关系。具体操作是将一个已知尺寸的标尺放在定容燃烧弹的玻璃视窗上，触发摄影机拍摄标尺，得到纹影图片，如图3所示，标尺通过高速摄影机成像之后，形成标尺像，标尺中心C，标尺直径AB；标尺像中心C₁，标尺像直径A₁B₁。标定比例K的计算式为：

K＝S/S_o

式中S为标尺直径AB，So为纹影图片中标尺像直径A₁B₁。

步骤4：测量火焰传播半径：

步骤41：如图4所示，在所述火焰边缘轮廓图中，根据在纹影图片中的像素坐标值，找到边缘轮廓点中纵坐标和Q点相等，且横坐标比Q点小的点，记作E；

步骤42：以射线QE为半径测量角度的起始边，将火焰前锋面外边缘上的任一点定义为点P，则由QE顺时针旋转到QP的角度∠EQP为半径测量角度θ，θ的取值范围为0～360°；

步骤43：建立点Q和点P的像素坐标与半径测量角度θ之间的反三角函数关系：将点Q和点P的像素坐标分别记作(x₀，y₀)和(x₁，y₁)，则

步骤44：将纹影图片上PQ两点之间的像素差值乘以标定比例即为半径测量角度θ条件下所测量的火焰传播半径值R_j，计算式为：

R_j＝L_PQ×K

式中R_j为各半径测量角度θ上的半径提取值，L_PQ为PQ两点像素差值。

步骤5：排除点火电极影响范围：

步骤51：定义半径提取值标准偏差σ为：

式中，R_a为半径均值，N为半径提取值的数量；

步骤52：定义点火电极影响范围：

点火电极附近的火焰前锋面出现明显的凹陷，为了得到更加合理而准确的火焰传播半径，需要以半径提取值标准偏差的变化为依据，排除点火电极的影响范围。

如图5所示，在两个点火电极位置附近分别取一个关于点火电极对称的夹角为γ的半径测量角度范围：(90－γ/2)°～(90+γ/2)°和(270－γ/2)°～(270+γ/2)°，将其定义为点火电极影响范围。

步骤53：将γ/2依次取值为15个预设的测试角α_k，k＝1,2,3,……,15，即γ/2＝α_k，且α_k+1＝α_k+Δα，Δα＝5°；接着排除每个取值对应的点火电极影响范围内的半径提取值，利用剩余范围内的半径提取值计算标准偏差σ，进而计算标准偏差变化量Δσ：

Δσ＝σ_k+1-σ_k

其中，σ_k为当前测试角α_k取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差，σ_k+1为后一个测试角α_k+1取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差；

表1为测试角α_k对应的点火电极影响范围列表。

表1测试角α_k及点火电极影响范围列表

具体结果如图6所示，当标准偏差变化量Δσ满足预设值-0.02<Δσ<0时，对应的α_k≥25°，最终得到点火电极影响范围为：65°～115°和245°～295°。

步骤54：在排除掉点火电极影响范围后的半径测量角度范围内，根据所述步骤44的方式计算出最终的火焰传播半径值。

Claims (3)

1.一种定容燃烧火焰传播半径的测量方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤1：对需要计算火焰传播半径的纹影图片进行预处理，得到火焰边缘轮廓图；

步骤2：确定半径测量中心：

步骤21：在所述火焰边缘轮廓图中，以点火电极连线所在的直线为基准线，在基准线左右两侧的火焰前锋面上分别确定一个离基准线最远的像素点M₁和N₁，以M₁和N₁两点的连线的中点作为初始半径测量中心Q₁；

步骤22：在火焰前锋面上，以固定角度间隔画出n-1条经过Q₁的直线，将直线与火焰前锋面的两点交点记作原始点M_i和N_i，i＝2,3,4,……,n；将每条直线上两个原始点连线的中点作为修正半径测量中心Q_i，i＝2,3,4,……,n；

步骤23：根据在纹影图片中的像素坐标值，计算各修正半径测量中心Q_i像素坐标和初始半径测量中心Q₁像素坐标的平均值，将该平均值作为最终半径测量中心Q的像素坐标：纹影图片中左上角像素点的像素坐标值为(0，0)，若Q₁的像素坐标为(s₁，t₁)，Q_i的像素坐标为(s_i，t_i)，则Q的像素坐标为

步骤3：计算标定比例K，即拍摄的实际尺寸与纹影图片中对应像素差值之间的比例关系；

步骤4：测量火焰传播半径：

步骤41：在所述火焰边缘轮廓图中，根据在纹影图片中的像素坐标值，找到边缘轮廓点中纵坐标和Q点相等，且横坐标比Q点小的点，记作E；

步骤42：以射线QE为半径测量角度的起始边，将火焰前锋面外边缘上的任一点定义为点P，则由QE顺时针旋转到QP的角度∠EQP为半径测量角度θ，θ的取值范围为0～360°；

步骤43：建立点Q和点P的像素坐标与半径测量角度θ之间的反三角函数关系：将点Q和点P的像素坐标分别记作(x₀，y₀)和(x₁，y₁)，则

步骤44：将纹影图片上PQ两点之间的像素差值乘以标定比例即为半径测量角度θ条件下所测量的火焰传播半径值R_j，计算式为：

R_j＝L_PQ×K

式中R_j为各半径测量角度θ上的半径提取值，L_PQ为PQ两点像素差值。

2.根据权利要求1所述的定容燃烧火焰传播半径的测量方法，其特征在于，所述步骤1的具体过程包括：

步骤11：挑选背景图片：某一工况试验中，挑选点火前一刻的一张纹影图片作为背景图片；

步骤12：去背景：挑选需要计算火焰传播半径的纹影图片，利用图片处理软件中的图片相减函数，将挑选的纹影图片减去步骤11所得的背景图片，得到去背景后的新图片；

步骤13：转灰度图：利用图片处理软件中的灰度化函数，将步骤12所得的新图片转化成灰度图；

步骤14：增亮灰度：利用图片处理软件中的调节灰度值函数，设置调整参数，将步骤13所得灰度图的灰度值调节至特定区间，增加图片的对比度；

步骤15：除孤岛：利用图片处理软件中的除孤岛函数，设置参数值，去除步骤14所得灰度图中的孤岛；

步骤16：除孤立亮点：利用图片处理软件中的除孤立亮点函数，设置参数值，去除步骤15中所得灰度图中的孤立亮点；

步骤17：边缘检测：利用图片处理软件中的边缘检测函数对步骤16中所得灰度图进行边缘检测，提取火焰边缘；

步骤18：进一步除杂点：根据步骤17所得边缘检测点，结合纹影图片特点编写代码，进一步将火焰边缘轮廓点以外的杂点除掉；

步骤19：边缘轮廓点拟合：根据步骤18所得边缘轮廓点，采用最小二乘法进行多段拟合，分别包含：一次多项式拟合、二次多项式拟合、椭圆拟合，拟合公式分别为：y＝a₀+a₁x、y＝a₀+a₁x+a₂x²、x²+gxy+cy²+dx+ey+f＝0。

3.根据权利要求1所述的定容燃烧火焰传播半径的测量方法，其特征在于，所述步骤4之后还包括：

步骤5：排除点火电极影响范围：

步骤51：定义半径提取值标准偏差σ为：

式中，R_a为半径均值，N为半径提取值的数量；

步骤52：在两个点火电极位置附近分别取一个关于点火电极对称的夹角为γ的半径测量角度范围：(90－γ/2)°～(90+γ/2)°和(270－γ/2)°～(270+γ/2)°，将其定义为点火电极影响范围；

步骤53：将γ/2依次取值为m个预设的测试角α_k，k＝1,2,3,……,m，即γ/2＝α_k，且α_k+1＝α_k+Δα；接着排除每个取值对应的点火电极影响范围内的半径提取值，利用剩余范围内的半径提取值计算标准偏差_σ，进而计算标准偏差变化量Δ_σ：

Δσ＝σ_k+1-σ_k

其中，σ_k为当前测试角α_k取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差，σ_k+1为后一个测试角α_k+1取值下对应的剩余范围内半径提取值标准偏差；

当标准偏差变化量达到预设值时，则此时的测试角α_k即为γ/2的取值，从而确定点火电极影响范围；

步骤54：在排除掉点火电极影响范围后的半径测量角度范围内，根据所述步骤44的方式计算出最终的火焰传播半径值。