CN111473864B - 基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，利用射流扩散燃烧器、积分球均匀光源、两台ICCD相机、Edmund 34980滤波片、Edmund 65198滤波片以及计算机搭建测试系统，基于两相机拍摄射流扩散燃烧器燃烧生成的射流扩散火焰获取的OH*化学发光初始图像以及CH*化学发光初始图像，利用逆Radon变换得到OH*化学发光径向分布以及CH*化学发光径向分布。基于两相机拍摄积分球均匀光源分别获取的均匀光源的图像，得到两相机拍摄的均匀光的发光强度。基于OH*化学发光径向分布与对应相机拍摄的均匀光源的发光强度得到OH*激发态粒子的辐射速率，基于CH*化学发光径向分布与对应相机拍摄的均匀光的发光强度得到CH*激发态粒子的辐射速率。本发明成本低廉、简单高效。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧过程的诊断技术领域，特别涉及一种基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率的测量方法。
背景技术
燃烧中的化学发光，是指受化学反应激发而产生的激发态粒子发生辐射跃迁时释放出特定频率的光子的现象。由于激发态粒子的形成主要源于关键的化学反应，因此化学发光与当量比、放热率、火焰结构等重要的燃烧参数有着直接的联系，可以认为是燃烧过程的自发示踪剂。基于此发展起来的化学发光燃烧诊断技术，不需要复杂的激光器和光路布置，且克服了对实验环境有苛刻要求的缺陷，利用ICCD相机就可以实现对火焰的高分辨率测量，具有很好的应用前景。
对于碳氢燃料，其火焰产生的激发态粒子主要是波长分别为308nm的OH*和431nm的CH*。针对OH*和CH*化学发光与燃烧特性之间的关系，虽然国内外已开展了大量研究，但大多还停留在光强对燃烧参数的定性表征阶段，化学发光信号表征火焰特性的机理还不够明确。利用化学发光测量系统所拍摄得到的仅仅是火焰的光强分布，势必难以像辐射速率一样提供丰富而准确的信息。因此，只有实现激发态粒子辐射速率的定量测量，得到发光强度与火焰特性之间的精确关系，化学发光才能够有效地应用到燃烧过程的测量诊断中去。然而，目前还没有实现火焰激发态粒子辐射速率测量的相关方法公开，设计一种方法以实现火焰激发态粒子辐射速率测量是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明提出了一种基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法。
为实现上述技术目的，本发明采用的具体技术方案如下：
基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，利用射流扩散燃烧器、积分球均匀光源、两台ICCD相机、Edmund 34980滤波片、Edmund 65198滤波片以及计算机搭建测试系统，基于两相机拍摄射流扩散燃烧器燃烧生成的射流扩散火焰获取的OH*化学发光初始图像以及CH*化学发光初始图像，利用逆Radon变换得到OH*化学发光径向分布以及CH*化学发光径向分布。基于两相机拍摄积分球均匀光源分别获取的均匀光源的图像，得到两相机拍摄的均匀光的发光强度。基于OH*化学发光径向分布与对应相机拍摄的均匀光的发光强度得到OH*激发态粒子的辐射速率，基于CH*化学发光径向分布与对应相机拍摄的均匀光的发光强度得到CH*激发态粒子的辐射速率。
具体地，基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，包括：
第一步，获取化学发光初始图像。
两台型号参数完全相同的ICCD相机设置在甲烷燃烧产生的火焰两侧，对火焰进行同步拍摄，其中第一ICCD相机镜头前加装中心波长为310nm的Edmund34980滤波片，在第二ICCD相机的镜头前加装中心波长为430nm的Edmund65198滤波片；两台ICCD相机采集的图像数量都为n，第一ICCD相机采集得到n幅OH*化学发光初始图像，第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像。
第二步，图像后处理。
i)基于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，获取可信度较高的、消除背景噪声后的OH*化学发光径向分布。
ii)基于第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像，获取可信度较高的、消除背景噪声后的CH*化学发光径向分布。
第三步，保持第一步中的拍摄参数和位置条件均不变，仅将射流扩散燃烧器替换为积分球均匀光源。先调节积分球均匀光源发出310nm的均匀光，控制第一ICCD相机进行拍摄，获取m幅310nm均匀光的图像。再调节积分球均匀光源发出430nm的均匀光，控制第二ICCD相机进行拍摄，获取m幅430nm均匀光的图像。基于第一ICCD相机拍摄得到的m幅310nm均匀光的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度；基于第二ICCD相机拍摄得到的m幅430nm均匀光的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度。
第四步，计算得到OH*和CH*激发态粒子的辐射速率。
基于OH*化学发光与310nm均匀光之间光强的比值即为OH*和310nm均匀光的发光粒子数的比值，得到OH*粒子辐射速率。相同的，基于CH*化学发光与430nm均匀光之间光强的比值即为CH*和430nm均匀光的发光粒子数的比值，得到CH*粒子辐射速率。
本发明中所述火焰是由射流扩散燃烧器产生，第一ICCD相机和第二ICCD相机分别对称设置在射流扩散燃烧器喷嘴的左右两侧且镜头均对准喷嘴，甲烷和空气分别作为射流扩散燃烧器的燃料和氧化剂，供气系统为射流扩散燃烧器提供甲烷和空气，甲烷和空气在喷嘴外由火花塞引燃，产生稳定的射流扩散火焰。
本发明所述两ICCD相机对称设置在射流扩散燃烧器喷嘴的左右两侧。第一ICCD相机和第二ICCD相机拍摄得到的图像均为灰度图像，两台ICCD相机均与计算机相连，所述计算机控制两台ICCD相机进行拍摄，并将两台ICCD相机拍摄到的图像传输给计算机，由计算机对图像进行处理，获取OH*和CH*激发态粒子的辐射速率。
本发明第二步中i)基于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，获取可信度较高的OH*化学发光径向分布IOH*,radon，方法如下：
(1)对于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，首先在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化，转化到一个图像矩阵中。
其中，平均化采用的公式为：
其中，I为图像的灰度值，x,y为图像坐标，n为图像数量。
(2)利用MATLAB软件的iradon函数，对(1)得到的图像矩阵进行逆变换，将OH*化学发光的初始图像转化为径向分布，得到OH*化学发光径向分布IOH*,radon。
本发明第二步中ii)基于第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像，采用i)中(1)、(2)相同的方法，获取可信度较高的、消除背景噪声后的CH*化学发光径向分布ICH*,radon。
本发明的第三步中，保持第一步时两台ICCD相机的位置和参数不变，仅将射流扩散燃烧器替换为积分球均匀光源。先调节积分球均匀光源发出310nm的均匀光，控制第一ICCD相机进行拍摄，获取m幅310nm均匀光的图像。再调节积分球均匀光源发出430nm的均匀光，控制第二ICCD相机进行拍摄，获取m幅430nm均匀光的图像。基于第一ICCD相机拍摄得到的m幅310nm均匀光源的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度Ig1；基于第二ICCD相机拍摄得到的m幅430nm均匀光源的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度Ig2。
第三步中第一ICCD相机拍摄的均匀光的发光强度与第二ICCD相机拍摄的均匀光的发光强度的获取方法相同。对于第一ICCD相机采集的m幅均匀光源的图像，采用(1)中相同的方法进行平均即在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化，以消除噪音，得到第一ICCD相机拍摄的均匀光源发光强度Ig1。对于第二ICCD相机采集的m幅均匀光源的图像，采用(1)中相同的方法进行平均即在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化，以消除噪音，得到第二ICCD相机拍摄的均匀光源发光强度Ig2。
本发明第四步中，在拍摄参数和条件一致的情况下，由于光强和发光粒子数在一定程度上成正比，认为OH*化学发光与310nm均匀光之间光强的比值即为OH*和310nm均匀光的发光粒子数的比值，公式为：
其中，Ig1是第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度；IOH*,radon是OH*化学发光的径向分布；N代表发光粒子数；Sg表示均匀光源的辐亮度，与波长有关，实验中设置其在308nm处为5×10-2w/(m2·um·sr)；hv是光子能量；λ是光的波长；ηOH*是Edmund 34980滤波片的透过率；τ是相机的感光效率；Δt是相机的曝光时间，在整个测量过程中保持一致；[OH*]是单位时间、单位体积内发生了辐射跃迁的OH*粒子的物质的量，即OH*的辐射速率，单位为mol/(m3·s)；NA是阿伏伽德罗常数。
由上式，得到OH*粒子辐射速率的计算公式，
CH*粒子辐射速率的获取方法与OH*粒子辐射速率的获取方法相同，即基于CH*化学发光与430nm均匀光之间光强的比值即为CH*和430nm均匀光的发光粒子数的比值，得到CH*粒子辐射速率如下：
其中，Ig2是第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度；ICH*,radon是CH*化学发光的径向分布，ηCH*是Edmund 65198滤波片的透过率。
本发明的有益效果如下：
1、本发明给出的激发态粒子辐射速率测量方案，成本低廉、简单高效，只需要通过相机采集化学发光强度和均匀光源强度即可完成测量。
2、避免了传统的接触式探针法容易破坏流场完整性，且在高温环境下难以长期工作的缺陷；也克服了激光诊断方法系统昂贵、操作复杂、对使用环境要求严格的缺点。
3、为建立化学发光和燃烧特性之间的精确关系奠定了基础。
附图说明
图1是射流扩散燃烧器的结构示意图；
图2是对火焰进行拍摄的示意图。
图3是对均匀光源进行拍摄的示意图。
图中各符号表示：
1为射流扩散燃烧器的外集气腔，2是内集气腔，3是同轴射流喷嘴，4是中心射流喷嘴，5是射流扩散燃烧器，6是第一ICCD相机，7是第二ICCD相机，8是Edmund 34980滤波片，9是Edmund 65198滤波片，10是射流扩散火焰，11是计算机，12是积分球均匀光源。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1、图2和图3，本实施例提供一种基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其包括以下步骤：
第一步、搭建测试系统，获取化学发光初始图像。
测试系统包括射流扩散燃烧器、供气系统、ICCD相机、滤波片、积分球均匀光源以及计算机。供气系统为射流扩散燃烧器提供甲烷和空气，二者在喷嘴外由火花塞引燃，产生稳定的射流扩散火焰。
参照图1，为射流扩散燃烧器的简化结构示意图。可分成同轴射流和中心射流两部分。这两部分又分别由集气腔和喷嘴组成，集气腔可以保证喷嘴上游的压力保持稳定。空气被通入到外集气腔1中，而进入同轴射流喷嘴3，而甲烷则从内集气腔2进入中心射流喷嘴4，二者在喷嘴出口外扩散混合进行燃烧。
参照图2，ICCD相机为两台，分别为第一ICCD相机6和第二ICCD相机7，相机拍摄得到的图像均为灰度图像。两台ICCD相机均与计算机12相连。两台ICCD相机分别对称布置在射流扩散燃烧器5的两侧且镜头均对准射流扩散火焰10，在第一ICCD相机镜头前加装OH*激发态粒子对应的中心波长为310nm的Edmund34980滤波片8，在第二ICCD相机的镜头前加装CH*激发态粒子对应的中心波长为430nm的Edmund 65198滤波片9。
所述计算机11控制两台ICCD相机6和7进行拍摄，并将两台ICCD相机拍摄到的图像传输给计算机11，由计算机11对图像进行处理，获取OH*和CH*激发态粒子的辐射速率。
拍摄前，先点燃火焰，对ICCD相机进行对焦，主要为了实现两个目的：第一，使镜头对焦点落在火焰中心，以保证化学发光图像拍摄清晰；第二，确定所拍摄对象的图像分辨率以及与射流扩散燃烧器的相对位置，便于在后续处理中确定光强的空间分布。两台ICCD相机拍摄时，由于射流扩散火焰10为轴对称结构，拍摄角度对结果没有影响。为获得空间分辨率较高的图像，在保证安全的前提下，ICCD相机的镜头应尽量靠近火焰。确定相机的位置后，为保证精度，两台ICCD相机在整个拍摄过程中无需再进行移动。
两台ICCD相机采集的图像数量都为n幅，第一ICCD相机采集得到n幅OH*化学发光初始图像，第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像。
第二步、图像后处理。
i)基于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，获取可信度较高的OH*化学发光径向分布，方法如下：
(1)对于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，首先在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化，转化到一个图像矩阵中。
其中，平均化采用的公式是：
其中，I为图像的灰度值，x,y为图像坐标，n为图像数量。
(2)利用MATLAB软件的iradon函数，对(1)得到的图像矩阵进行逆变换，将OH*化学发光的初始图像转化为径向分布，得到OH*化学发光径向分布IOH*,radon。
ii)基于第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像，采用(1)、(2)中相同的方法，获取可信度较高的、消除背景噪声后的CH*化学发光径向分布ICH*,radon。
第三步、保持第一步时两台ICCD相机的位置和参数不变，仅将射流扩散燃烧器替换为积分球均匀光源。先调节积分球均匀光源发出310nm的均匀光，控制第一ICCD相机进行拍摄，获取m幅310nm均匀光的图像。再调节积分球均匀光源发出430nm的均匀光，控制第二ICCD相机进行拍摄，获取m幅430nm均匀光的图像。基于第一ICCD相机拍摄得到的m幅310nm均匀光源的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度Ig1；基于第二ICCD相机拍摄得到的m幅430nm均匀光源的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度Ig2。
参照图3，保持第一步时两台ICCD相机的位置和参数不变，仅将射流扩散燃烧器5替换为积分球均匀光源12，先调节积分球均匀光源12发出310nm的均匀光，控制第一ICCD相机6进行拍摄，获取m幅310nm均匀光的图像。再调节积分球均匀光源12发出430nm的均匀光，控制第二ICCD相机7进行拍摄，获取m幅430nm均匀光的图像。对于第一ICCD相机以及第二ICCD相机采集的m幅均匀光源的图像，分别采用(1)中相同的方法(在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化)对均匀光源的图像进行平均，以消除噪音，分别得到第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度Ig1以及第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度Ig2。
第四步、计算得到OH*和CH*激发态粒子的辐射速率。
在拍摄参数和条件一致的情况下，由于光强和发光粒子数在一定程度上成正比，认为OH*化学发光与310nm均匀光之间光强的比值即为OH*和310nm均匀光的发光粒子数的比值，公式为：
其中，Ig1是第一ICCD相机6拍摄的310nm均匀光的发光强度；IOH*,radon是OH*化学发光径向分布；N代表发光粒子数；Sg表示均匀光源的辐亮度，与波长有关，实验中设置其在308nm处为5×10-2w/(m2·um·sr)；hv是光子能量；λ是光的波长；ηOH*是Edmund 34980滤波片8的透过率；τ是相机的感光效率；Δt是相机的曝光时间，在测量过程中保持一致；[OH*]是单位时间、单位体积内发生了辐射跃迁的OH*粒子的物质的量，即OH*的辐射速率，单位为mol/(m3·s)；NA是阿伏伽德罗常数。
由上式，可以得到OH*辐射速率的计算公式，
CH*辐射速率的计算过程与OH*同理，计算公式为，
其中，Ig2是第二ICCD相机7拍摄的430nm均匀光的发光强度；ICH*,radon是CH*化学发光径向分布，ηCH*是Edmund 65198滤波片9的透过率。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，包括：
第一步，获取化学发光初始图像；
两台型号参数完全相同的ICCD相机设置在甲烷燃烧产生的火焰两侧，对火焰进行同步拍摄，其中第一ICCD相机镜头前加装中心波长为310nm的Edmund34980滤波片，在第二ICCD相机的镜头前加装中心波长为430nm的Edmund65198滤波片；两台ICCD相机采集的图像数量都为n，第一ICCD相机采集得到n幅OH*化学发光初始图像，第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像；
第二步，图像后处理；
i)基于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，获取可信度较高的、消除背景噪声后的OH*化学发光径向分布；
ii)基于第二ICCD相机采集得到n幅CH*化学发光初始图像，获取可信度较高的、消除背景噪声后的CH*化学发光径向分布；
第三步，保持第一步中的拍摄参数和位置条件均不变，仅将射流扩散燃烧器替换为积分球均匀光源，先调节积分球均匀光源发出310nm的均匀光，控制第一ICCD相机进行拍摄，获取m幅310nm均匀光的图像；再调节积分球均匀光源发出430nm的均匀光，控制第二ICCD相机进行拍摄，获取m幅430nm均匀光的图像；基于第一ICCD相机拍摄得到的m幅310nm均匀光的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度；基于第二ICCD相机拍摄得到的m幅430nm均匀光的图像，提取各图像的灰度值并进行平均化，得到第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度；
第四步，计算得到OH*和CH*激发态粒子的辐射速率；
基于OH*化学发光与310nm均匀光之间光强的比值即为OH*和310nm均匀光的发光粒子数的比值，得到OH*粒子辐射速率；相同的，基于CH*化学发光与430nm均匀光之间光强的比值即为CH*和430nm均匀光的发光粒子数的比值，得到CH*粒子辐射速率。
2.根据权利要求1所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，所述火焰是由射流扩散燃烧器产生，第一ICCD相机和第二ICCD相机分别设置在射流扩散燃烧器喷嘴的左右两侧且镜头均对准喷嘴，甲烷和空气分别作为射流扩散燃烧器的燃料和氧化剂，供气系统为射流扩散燃烧器提供甲烷和空气，甲烷和空气在喷嘴外由火花塞引燃，产生稳定的射流扩散火焰。
3.根据权利要求2所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，两ICCD相机对称设置在射流扩散燃烧器喷嘴的左右两侧。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第一ICCD相机和第二ICCD相机拍摄得到的图像均为灰度图像，两台ICCD相机均与计算机相连，所述计算机控制两台ICCD相机进行拍摄，并将两台ICCD相机拍摄到的图像传输给计算机，由计算机对图像进行处理，获取OH*和CH*激发态粒子的辐射速率。
5.根据权利要求1所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第二步的i)，其实现方法如下：
(1)对于第一ICCD相机采集的n幅OH*化学发光初始图像，首先在MATLAB软件中，提取各图像的灰度值，并进行平均化，转化到一个图像矩阵中；
(2)利用MATLAB软件的iradon函数，对(1)得到的图像矩阵进行逆变换，将OH*化学发光初始图像转化为径向分布，得到OH*化学发光径向分布IOH*,radon。
6.根据权利要求5所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于,第二步的ii)中采用与i)相同的方法，获取可信度较高的、消除背景噪声后的CH*化学发光径向分布ICH*,radon。
7.根据权利要求1所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第三步中第一ICCD相机拍摄的均匀光的发光强度与第二ICCD相机拍摄的均匀光的发光强度的获取方法相同；其中第一ICCD相机拍摄的均匀光的发光强度的获取方法是：对第一ICCD相机拍摄得到的m幅均匀光源的图像，提取各图像的灰度值，并进行平均化，以消除噪音，得到第一ICCD相机拍摄的均匀光源发光强度Ig1。
8.根据权利要求1所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第四步中OH*化学发光与310nm均匀光之间光强的比值即为OH*和310nm均匀光的发光粒子数的比值，公式为：
其中，Ig1是第一ICCD相机拍摄的310nm均匀光的发光强度；IOH*,radon是OH*化学发光径向分布；N代表发光粒子数；Sg表示均匀光源的辐亮度；hv是光子能量；λ是光的波长；ηOH*是Edmund 34980滤波片的透过率；τ是相机的感光效率；Δt是相机的曝光时间，在整个测量过程中保持一致；[OH*]是单位时间、单位体积内发生了辐射跃迁的OH*粒子的物质的量，即OH*的辐射速率，单位为mol/(m3·s)；NA是阿伏伽德罗常数；
由上式，得到OH*粒子辐射速率如下：
9.根据权利要求8所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第四步中，设置Sg在308nm处为5×10-2w/(m2·um·sr)。
10.根据权利要求8所述的基于均匀光源的火焰激发态粒子辐射速率测量方法，其特征在于，第四步中，CH*粒子辐射速率的获取方法与OH*粒子辐射速率的获取方法相同，即基于CH*化学发光与430nm均匀光之间光强的比值即为CH*和430nm均匀光的发光粒子数的比值，得到CH*粒子辐射速率如下：
其中，Ig2是第二ICCD相机拍摄的430nm均匀光的发光强度；ICH*,radon是CH*化学发光径向分布，ηCH*是Edmund 65198滤波片的透过率。
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